薄晶硅太阳能电池光吸收增强结构的研究

摘要

目前市场上，硅太阳能电池仍占有90%的市场，但由于目前商用的电池厚度均在170μm-180μm，这使得电池的材料成本依然很高。因此，降低材料成本成为降低光伏器件成本的主要方式之一，薄膜硅太阳能电池由此产生，同时薄膜太阳能电池还具有重量轻、易弯曲等优点，但这也带来了新的挑战。如何在减小硅层厚度的同时保持太阳能电池的高效率成为主要问题。高效的陷光结构能够通过散射陷光、波导模式耦合等延长光的光程，将更多的入射光耦合进吸收层，从而提高薄膜硅电池的吸收效率。 在本论文提出了一种新型的周期性的正圆顶结构。与传统的倒金字塔结构相比，这种结构更加的高效，并且与金字塔结构制备工艺类似只需要湿法刻蚀工艺不需要昂贵的干法刻蚀工艺来制备。本论文对该结构的陷光原理进行了分析，同时利用仿真从理论上说明了这种结构的高效性，紧接着通过湿法刻蚀成功制备出这种陷光结构，从实验上验证其优秀的陷光与抗反射能力，最后将结构在杂化太阳能电池上进行表征，最终论证了其比金字塔更加优秀的陷光能力。主要的研究内容包括： 首先，本论文通过光线追迹对金字塔和正圆顶结构的陷光原理进行了分析，正圆顶结构相比于金字塔结构存在四次反射区，并且三次反射区所占的比例比金字塔大的多，初步论证的这种结构优秀的陷光能力。紧接着通过严格耦合波分析法（RCWA）对周期性倒金字塔结构、楔形体和正圆顶结构在厚硅上进行优化，确定了结构的最佳参数。然后在最佳参数下又仿真了三种结构在100μm和50μm的薄硅上的吸收和不同入射角下结构的短路电流密度，从抗反和陷光两个角度对比，发现正圆顶结构有优于倒楔形体和倒金字塔的吸收。最终可以发现，将周期性正圆顶结构集成到50μm厚的薄晶硅上时，其短路电流密度仍然有37.5mA/cm2。 然后，利用激光干涉光刻和各向异性刻蚀在硅上成功制备出最佳参数下的三种陷光结构。同时为了在薄硅上说明结构的陷光能力，用两种方式将制备了结构的硅片打薄至100μm和50μm，分别测量0°、10°、20°入射角下三种结构的反射率。 最后，为了说明正圆顶结构对提升电池性能的贡献，将三种陷光结构与Si/PEDOT:PSS杂化的异质结太阳能电池进行集成，测量电池的电学参数，结果表明正圆顶结构相比于金字塔结构的Jsc增大了0.78mA/cm2，充分说明了这种正圆顶结构的优越性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要内容

第二章 理论分析基础

2.1 数值分析方法

2.1.1 严格耦合波分析法

2.1.2 任意面型的计算方法

2.2 本章小结

第三章 周期性正圆顶结构的设计

3.1 周期性正圆顶结构的构建

3.2陷光结构光学建模

3.3 结果优化与分析

3.3.1 参数设定与优化

3.3.2 三种结构对比分析

3.4 本章小结

第四章 激光干涉光刻制备陷光结构

4.1 激光干涉光刻原理

4.2 激光干涉光刻平台介绍与光刻工艺

4.2.1 马赫-曾德激光干涉仪

4.2.2 马赫-曾德干涉平台的建立

4.2.4 激光干涉光刻工艺流程

4.3 周期性陷光结构制备

4.2.1 结构的制备工艺

4.2.2 硅片的减薄

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 基于微结构的Si/PEDOT:PSS杂化的异质结太阳能电池的研究

5.1 引言

5.1.1 硅/PEDOT:PSS杂化太阳能电池的工作原理

5.1.2 PEDOT: PSS薄膜的改性

5.2 实验部分

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验仪器

5.2.3 硅周期微结构/PEDOT:PSS杂化太阳能电池制备

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果