硅基納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的先進(jìn)陷光研究.pdf

1、第一代以單晶硅材料為主體的太陽(yáng)電池成本高居不下且轉(zhuǎn)換效率已接近極限。薄膜太陽(yáng)電池則可大大減少原材料消耗和減少電子空穴對(duì)復(fù)合帶來(lái)的損耗，是當(dāng)今業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。薄膜太陽(yáng)電池的核心技術(shù)在于如何利用更少的材料得到更高的光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率。本文以硅基材料為研究對(duì)象，基于有限元方法在COMSOL Multiphysics軟件中實(shí)現(xiàn)硅基薄膜太陽(yáng)電池的模型構(gòu)建、仿真及設(shè)計(jì)。結(jié)合光子晶體、表面等離子體激元、納米線、納米圓錐和納米金字塔等光學(xué)結(jié)構(gòu)和理論，

2、設(shè)計(jì)出三種新穎高效的陷光結(jié)構(gòu)，并深入探究其陷光機(jī)制和分析電池的光電性能。論文主要工作和結(jié)論如下：
　　從共形結(jié)構(gòu)陷光機(jī)理出發(fā)，提出一種200nm厚度共形Zigzag結(jié)構(gòu)氫化非晶硅(a-Si:H)太陽(yáng)電池。與平面結(jié)構(gòu)、底部Rose結(jié)構(gòu)和底部Zigzag結(jié)構(gòu)比較，共形Zigzag結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池可實(shí)現(xiàn)低反射、寬帶光吸收增強(qiáng)響應(yīng)。器件優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)周期為600nm、高度為130nm時(shí)，短路電路密度取得極大值（16.88mA/cm2）,較平

3、面系統(tǒng)增幅達(dá)32.90％，轉(zhuǎn)換效率為13.38%，對(duì)應(yīng)增幅為33.53%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2013,38(23):5071–5074]。
　　研究了表面減反層和底部金屬反射光柵結(jié)構(gòu)，提出一種表面碗狀、底部去頂金字塔結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)電池，比較了5μm和10μm厚晶體硅薄膜太陽(yáng)電池的光吸收響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，光柵周期為700nm時(shí)，光電流均取得最大值，分別達(dá)到31.81和35.34mA/c

4、m2。在不同周期和占空比下，電池光吸收與平面系統(tǒng)相比均有不同程度提高，其最優(yōu)化系統(tǒng)光吸收很接近朗伯極限。探討了電池電學(xué)響應(yīng)，包括外量子效率譜（EQE），電流-電壓特征曲線（I-V）和典型電學(xué)參數(shù)空間分布。研究表明，EQE譜可實(shí)現(xiàn)寬光譜增強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15.51%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2015,40(6):1077–1080]。
　　提出一種底部月牙形腐蝕單納米線太陽(yáng)電池（SNS

5、Cs），通過(guò)與圓形、表面月牙形殘缺、兩面月牙形殘缺和橢圓橫截面結(jié)構(gòu)比較，底面月牙形殘缺SNSCs顯示出了前所未有的光吸收增強(qiáng)效應(yīng)。通過(guò)反射譜、吸收譜及光學(xué)模式的比較與分析，挖掘出光吸收增強(qiáng)機(jī)理。通過(guò)不同尺寸的光吸收響應(yīng)比較發(fā)現(xiàn)，新系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)寬帶低反射、寬光譜吸收增強(qiáng)，尤其在長(zhǎng)波段出現(xiàn)很多強(qiáng)吸收峰。進(jìn)一步研究表明，納米線對(duì)稱性的破裂對(duì)吸收峰數(shù)量和空間態(tài)密度影響不大，但對(duì)響應(yīng)波長(zhǎng)和吸收效率影響很大，在此作用下，短路電流可從8.46 mA/c