高效硅基納米絨面太陽電池研究.pdf

1、隨著人類社會對能源需求日益增長與常規(guī)化石能源儲量有限之間矛盾的加劇和人們環(huán)保意識的增強，太陽電池作為一種清潔、安全和可持續(xù)的能源利用手段，越來越受人們的青睞。太陽電池是一種由光轉(zhuǎn)換成電的光電器件，其大規(guī)模應用的關(guān)鍵點在于高效率而低成本。雖然太陽電池種類很多，但硅太陽電池因其原料來源廣闊，工藝成熟，效率高、成本低廉而占據(jù)著光伏主流市場。現(xiàn)在業(yè)界熱衷于研發(fā)效率超越22％的硅基太陽電池。
　　納米材料因其獨特的光學和電學性質(zhì)有望在下一代

2、高效光伏器件中扮演重要角色，如硅納米結(jié)構(gòu)表面織構(gòu)（即硅納米絨面），因其優(yōu)越的光學特性而備受關(guān)注。通過合理設計，硅納米結(jié)構(gòu)陣列可以實現(xiàn)寬波段廣角度接近于0的反射率，因此是一種理想的減反技術(shù)，然而在與電池器件相結(jié)合時，其優(yōu)越的減反效果并沒有帶來電池性能的提高，與常規(guī)電池相比甚至下降了。這主要是歸因于這些納米結(jié)構(gòu)絨面具有非常大的表面積，導致表面復合和俄歇復合非常嚴重。因此本論文聚焦于維持優(yōu)越光學特性的基礎上，降低納米絨面電池的載流子復合，改善

3、其電學特性，并結(jié)合新型器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。
　　首先，我們通過理論與實驗相結(jié)合的方法對介質(zhì)層掩埋硅納米結(jié)構(gòu)陣列形成的掩埋Mie共振體結(jié)構(gòu)進行研究，獲得其新穎的光學減反機理的認識，即Mie共振效應減反和干涉效應減反隨介質(zhì)膜厚度變化是一種相互競爭的過程，這為實現(xiàn)優(yōu)越的寬波段減反效果提供理論指導。我們還發(fā)現(xiàn)掩埋Mie共振體陣列是一種準透明減反層，硅納米結(jié)構(gòu)層本身的光吸收很少，而且當納米結(jié)構(gòu)高度大于150nm后，減反效果對高度變得不

4、再敏感。這些特性對光伏電池應用來說是極其重要的，意味著可以在保持優(yōu)越光學特性的基礎上減少光生載流子的復合損失。
　　然后，我們采用各種手段對納米絨面太陽電池進行綜合優(yōu)化以減少載流子復合損失。我們采用了表面多重織構(gòu)技術(shù)并著重優(yōu)化了納米結(jié)構(gòu)陣列的排布，減小表面積，實現(xiàn)低反射和低復合。通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)高度（僅100nm），有效減少了光生載流子在表面和發(fā)射區(qū)體內(nèi)的復合。進一步調(diào)控方塊電阻（優(yōu)化方阻為80Ω/□），減小發(fā)射區(qū)俄歇復合。我們采

5、用SiNx薄膜保型性地覆蓋在硅納米結(jié)構(gòu)表面，實現(xiàn)優(yōu)越的表面鈍化效果，而且在光學上這也構(gòu)成一種掩埋Mie共振體結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其厚度，獲得低的寬波段減反效果（其在400-1100納米波段的太陽光譜平均反射率僅2.43%）。由于這些綜合手段的采用，同時實現(xiàn)了優(yōu)越的光電性能，我們在大尺寸硅片上制備出了轉(zhuǎn)換效率為18.5%的納米絨面太陽電池。
　　接著，我們提出自掩膜法制備納米金子塔絨面以進一步減小納米結(jié)構(gòu)的表面增加率，減小載流子復合。我們

6、對納米金字塔絨面的形成機理進行了研究，指出其主要是基于Ag納米顆粒的自掩膜效應和堿溶液的各向異性腐蝕。因此，這種方法無需另外制備掩膜層，無需光刻、電子束或離子刻蝕，工藝簡單、成本低，而且有較寬的工藝窗口，這些對產(chǎn)業(yè)化制備納米金字塔絨面是至關(guān)重要的。我們把納米金字塔絨面應用于擴散結(jié)電池和異質(zhì)結(jié)電池，發(fā)現(xiàn)其具有極低的表面增加率，因而具有非常優(yōu)越的電學性能，最終成功地獲得了19.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)造了納米絨面太陽電池的最高紀錄。納米絨面對

7、薄膜硅片更是具有非常重要的意義，可以有效實現(xiàn)減反和陷光，增強光吸收，實現(xiàn)高短路電流密度。
　　最后，我們提出了納米絨面同質(zhì)-異質(zhì)結(jié)太陽電池概念。為了更好理解同質(zhì)-異質(zhì)結(jié)這種新型光伏器件，我們模擬了理想的平面太陽電池，發(fā)現(xiàn)同質(zhì)結(jié)層在其中扮演優(yōu)越場效應鈍化的角色，也因此使得同質(zhì)-異質(zhì)結(jié)電池相比HIT電池具有更好的界面雜質(zhì)容忍度。此外因其不存在本征非晶硅層，故串聯(lián)電阻較低，填充因子更高。當然前表面同質(zhì)結(jié)層的設計是至關(guān)重要的，其摻雜濃度應