硅纳米线阵列的可控制备及新型异质结太阳电池研究

摘要

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，有望成为21世纪主要的替代能源之一。光伏电池是将太阳能直接转换为电能的核心器件。在目前的商业应用中，最为常见的光伏电池包括单晶硅太阳电池与多晶硅太阳电池。但是，较高的发电成本、理论转换效率的限制与弯折易破碎等问题阻碍了晶硅太阳电池的广泛应用。硅纳米线阵列由于具有独特的光学、光电、机械柔性等性质被引入硅太阳电池的研究，为新一代硅太阳电池的低成本制作、转化效率的提升及柔性功能的开发提供了新思路。基于此，本课题采用湿化学刻蚀方法，在单晶硅表面制备出均匀的硅纳米线阵列，探索硅纳米线的锥化机制及形成机理，调控硅纳米线的尺寸、表面质量与形貌，提升减反射与光吸收性能。在此基础上，设计制备硅纳米线/PEDOT:PSS异质结太阳电池。开发硅纳米线阵列转移与硅片减薄的新技术，实现器件的柔性特征，其主要研究工作如下：
　　通过臭氧预处理使硅表面钝化，促进银纳米粒子在4英寸硅表面的均匀电镀，获得硅片级均匀的硅纳米线阵列。系统研究了硅纳米线的长度、填充率及表面质量的调控方法。利用银纳米粒子在催化硅刻蚀中的连续溶解特征，制备出锥形的硅纳米线阵列。提出自析出的K2SiF6晶体作为掩蔽进行硅刻蚀，获得硅微米柱/纳米线复合阵列。
　　研究了单分散的贵金属纳米粒子、薄膜及具有纳米孔薄膜的催化刻蚀特征，指出具有纳米孔特征的贵金属薄膜可促进硅纳米线阵列的形成。利用电子显微镜和电子自旋共振光谱仪探测了银粒子在催化刻蚀硅中的形态变化，揭示了硅纳米线的锥化机制。系统研究了单一型与混合型氧化剂的种类、浓度对硅纳米线形貌的影响，阐明了硅纳米线、多孔硅纳米线、硅微米柱/纳米线复合阵列及抛光硅的形成机理。研究了银纳米粒子在硅材料中的运动方向，指出乙醇试剂可以诱导硅纳米线的生成取向。
　　系统研究了硅纳米线的长度、填充率、掺杂类型及浓度对其减反射性能的影响。建立了多孔锥形硅纳米线的有效折射率模型，理论计算与实验测试表明多孔锥形硅纳米线在300-1700nm波段呈现出宽光谱减反射性能，贵金属纳米粒子修饰能够进一步抑制在近红外波段的反射损失。硅纳米线阵列薄膜在550nm波段的光吸收率接近95％，硅纳米线的多孔化进一步提升长波段光吸收。
　　将 PEDOT:PSS有机材料引入硅纳米线阵列中，溶液法制备出硅纳米线/PEDOT:PSS异质结太阳电池。研究了上电极、PEDOT:PSS薄膜的厚度及掺杂、硅纳米线的结构参数对该电池光伏性能的影响。综合优化工艺技术后，电池效率提升至9.7%，并进一步研究了相对湿度对该电池稳定性的影响。
　　研究了硅微纳结构薄膜的关键制作工艺。一方面，采用化学刻蚀与电场辅助刻蚀的方法，诱导银纳米粒子的横向刻蚀，在硅纳米线阵列与硅基底之间生成裂痕，提升硅纳米阵列的转移质量。另一方面，利用自主研发的贵金属纳米粒子催化硅减薄技术，获得表面粗糙度为13nm、厚度低于30μm的超薄硅片，并在超薄硅片上构筑微纳结构达到光吸收增强的目的。在此基础上，搭建硅纳米线/PEDOT:PSS异质结柔性太阳电池的原型器件。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 太阳电池的发展

1.3 传统硅太阳电池

1.4 硅纳米线太阳电池

1.5 硅纳米线/PEDOT:PSS异质结太阳电池

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 硅纳米线阵列的制备工艺

2.3形貌与光学性能表征

2.4 硅纳米线/PEDOT:PSS太阳电池的搭建

2.5太阳电池的光伏特征参数测试

第3章 硅纳米线阵列的可控制备与形成机制研究

3.1 引言

3.2 大面积均匀硅纳米线阵列的制备与表征

3.3 硅纳米线阵列的尺寸调控

3.4 硅纳米线阵列的表面质量调控

3.5 硅纳米线阵列的形貌调控

3.6 硅纳米线阵列的形成机理

3.7 本章小结

第4章 硅纳米线阵列的减反射与光吸收性能研究

4.1 引言

4.2 硅纳米线阵列的减反射性能

4.3 多孔锥形硅纳米线阵列的减反射性能

4.4多孔锥形硅纳米线阵列的减反射模拟计算

4.5 硅纳米线阵列的光吸收性能

4.6 本章小结

第5章 硅纳米线/PEDOT:PSS异质结太阳电池研究

5.1 引言

5.2 平板硅与硅纳米线的光伏性能

5.3 硅纳米线/PEDOT:PSS太阳电池的结构优化与增效

5.4 硅纳米线/PEDOT:PSS太阳电池的稳定性

5.5 本章小结

第6章 硅微纳结构薄膜及柔性太阳电池开发

6.1 引言

6.2 硅纳米线阵列的转移

6.3 超薄硅片

6.4 柔性硅太阳电池原型器件

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历