超薄超细太阳电池陷光机制和光电耦合研究

摘要

材料成本的提高和微纳米集成电路的微型化要求太阳电池越来越薄或者越来越小。太阳电池超薄膜化、超微型化的发展趋势给太阳电池陷光技术带来了前所未有的挑战。陷光技术是近十几年来的热点,但是基于超薄超细太阳电池的陷光研究目前尚不丰富。本文以典型的超薄超细硅基材料为研究对象,结合表面等离子体激元、光学黑洞等纳米光学,设计出新型的陷光结构并研究其陷光机制和性能,最后建立光学和电学耦合的模型,并应用到了纳米线电池上。本文的主要研究内容及结果如下:
　　针对超薄晶体硅太阳电池的表面陷光,提出了Ag三角光栅和Ag/电介质复合三角光栅(DLTG)结构,分析了它们表面陷光的机制和性能。对Ag三角光栅陷光机制的研究结果表明,表面等离子激元对超薄电池陷光的具体机制可分为P-模和W-模;在此基础上设计并优化了Ag/电介质双层三角光栅结构,光栅优化的结构为宽度40nm,高度130nm,周期280nm。优化的DLTG超薄太阳电池的光电流输出是没有DLTG结构的参照电池的1.75倍,同时它具有对入射角度不敏感的良好性能。色散关系分析表明DLTG的P-模与活性层中波导模几乎一模一样,从而证实了光吸收增强的机制是表面等离子体把光耦合到活性层的波导模里。DLTG的陷光机制是表面电介质层减反射和表面等离子波共振共同作用的结果。
　　研究了单根纳米线太阳电池光吸收的表征方法和陷光机制,比较了纳米线太阳电池和平板电池的吸收性能,探讨了单根纳米线不同排列的光吸收特点。对晶体硅SNSCs而言,泄露模引起的吸收峰主要分布在大于590nm的波段,而小于590nm波段的尖峰则归属于纳米聚光镜效应。无论是水平排列、竖直排列还是点阵排列,间距对共振峰位置的影响小,而主要影响共振峰的强度。水平排列时最佳间距和直径成反变关系,竖直排列时间距为零最佳。点阵排列的最佳间距等于纳米线相互作用最强的间距。
　　首次提出和从数值模拟上证实了金属核能够提高单根非晶硅纳米线太阳电池的光学吸收这一可能性,并研究了各种陷光机制和各机制之间的相互作用。通过精细地调控核和纳米线半径,研究了局域态表面等离子体共振(LSPs)、泄露模共振(LMRs)和米氏(Mie)散射分别对陷光的贡献,以及它们之间的相互作用。结果表明对光捕获的贡献最要是LSPs,其次是Mie散射,最后是LMRs。为了最大化Ag核的作用,对电池结构进行了优化。Ag核半径r和纳米线半径R的最佳组合是(r,R)=(36nm,130nm),此时最大的光电流增强为16.6％。
　　指出光学黑洞经典模型的介电常数匹配在κ值比较大的情况下陷光效果不及折射率匹配,因此采用折射率匹配来实现光学黑洞更优越。非晶硅比晶体硅更适合制备成光学黑洞结构,这是因为非晶硅具有较窄的光谱响应范围,并且用非晶硅制备成的光学黑洞结构核壳尺寸较小。当非晶硅SNSCs半径Rc为560nm时,OBH的外壳Rs=4Rc时陷光效果最好,在425-650nm较大范围内Qabs大于90%。
　　针对太阳电池光学模拟和电学模拟难以结合的问题,把太阳电池模拟中的光学和电学耦合起来,并把该种仿真技术应用到单根纳米线电池(SNSCs)中。模型不但能够得到光学吸收效率,而且能够得到考虑载流子输运的量子效率和太阳电池的伏安特性曲线,以及其他太阳电池涉及到的关键光电参数。对于考察的同轴p-i-n晶体硅SNSCs,其尺寸越小,越需要高掺杂浓度,以便把耗尽层限制在整个纳米线直径长度里。但是随着掺杂浓度提高,体复合会增加,当掺杂到1×1020cm-3时,EQE谱下降明显。根据伏安特性得到掺杂浓度在1×1019cm-3量级时,最大输出功率是2.63mW/cm2。表面复合速率对SNSCs的光电性能影响比较大,随着表面复合速率从106变化到102,短路电流Jsc从5mA/cm2增大到7mA/cm2,与此同时开路电压Voc从0.68V增加到0.72V。本征层的厚度对暗态I-V特性没有影响,而光照下开路电压的提高主要来自光电流的提高。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2超薄晶体硅太阳电池

1.3单根纳米线太阳电池

1.4本文主要研究内容

第2章 数值建模理论与方法

2.1太阳电池器件模拟概述

2.2传统太阳电池光学处理方法

2.3波动光学和电磁理论

2.4材料对光的吸收

2.5太阳电池输运方程[122]

2.6有限元数值方法[123]

2.7 COMSOL Multiphysics概述[124]

第3章 超薄晶体硅太阳电池及表面等离子光栅陷光

3.1模型基础和验证

3.2超薄晶体硅太阳电池吸光性能

3.3 Ag三角光栅陷光机制

3.4 Ag/电介质双层结构

3.5本章小结

第4章 单根纳米线太阳电池光吸收性能研究

4.1引言

4.2单根纳米线陷光性能研究

4.3纳米线阵列

4.4本章小结

第5章 α-Si单根纳米线太阳电池陷光研究

5.1引言

5.2α-Si@Ag单根纳米线太阳电池

5.3纳米线光学黑洞

5.4本章小结

第6章 纳米线太阳电池光电耦合

6.1引言

6.2平板电池模型验证

6.3单根纳米线太阳电池

6.4光电耦合结果讨论

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

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