硅基薄膜太阳电池的光管理技术研究

摘要

新型便携式/可穿戴电子设备、节能建筑以及太阳能汽车、飞机等概念的兴起为太阳电池提供了更加多样化的应用领域和发展前景，同时也对太阳电池提出了超轻、超薄和可弯曲等新的要求。非晶硅（a-Si:H）等薄膜太阳电池具有比传统晶体硅太阳电池小得多的厚度，是满足上述要求的更佳选择。然而较薄的吸收层厚度也导致了非晶硅太阳电池较低的光吸收和能量转换效率。针对上述问题，本论文围绕着高效率和轻质柔性的薄膜太阳电池，对新型光管理结构和轻质柔性薄膜电池衬底进行了研究。主要涵盖的工作有：
　　基于自组装的纳米坑状陷光结构及a-Si:H太阳电池。利用电化学阳极氧化铝多孔膜的自组装行为，制备出了一种尺寸可控的（300~800 nm）半球形纳米坑状光管理结构。有限时域差分（FDTD）法光学仿真结果表明，该结构可以有效提高a-Si:H薄膜在全光谱范围内的光吸收，尤其在吸收带边，增强系数高达近40倍。光谱测试也显示，纳米坑状 a-Si:H电池对入射光的反射率明显降低。纳米凹坑的陷光效果最终将a-Si:H电池的光电流提高了30％，并使得光电转换效率提升了27%，甚至还略高于商用绒面导电玻璃上沉积的参考电池。进一步的仿真分析表明，光吸收的增强来自于纳米坑状电池中表面等离激元和光波导模式的共同作用。
　　基于纳米压印的 ZnO光栅状陷光结构及 a-Si:H太阳电池。采用自制纳米压印工具，开发出了一种一步法制备4吋晶圆级ZnO光栅陷光结构的新途径，具有工艺简单、精度高和面积大的优势。通过理论和FDTD仿真对光栅的周期和深度进行了优化。仿真结果显示，在TE和TM两种偏振状态下，光栅结构能够将a-Si:H薄膜的光电流分别提升31%和14%，使得电池最终获得13.98 mA/cm2的短路电流。实验结果则表明，周期为606 nm的一维光栅将a-Si:H电池的短路电流和能量转换效率均提高了26%，而周期为1.2μm的二维光栅结构则获得了15%的光电流提升。
　　基于石墨烯纸的轻质柔性a-Si:H太阳电池。提出利用石墨烯来构建柔性薄膜太阳电池的衬底，具有耐高温、机械强度高、重量轻和厚度薄的多重优势。经过表面形貌改善之后，石墨烯纸上构建的 a-Si:H柔性太阳电池具有与玻璃衬底相当的能量转换效率（5.86%）和更高的光电流。其厚度比玻璃减小了~20倍，重量减小了~350倍。而输出的功率密度高达8.31 W/g，比玻璃衬底提高了415倍，具有了超轻超薄的特性。得益于石墨烯纸衬底超薄的厚度和较好的机械强度，a-Si:H电池还具有了良好的柔性，在弯曲半径最低为14 mm时仍保持了与初始状态相当的能量转换效率。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 a-Si:H薄膜太阳电池的工作原理和结构

1.3 a-Si:H薄膜太阳电池所存在的问题

1.4 具有微米/纳米光管理结构的新型薄膜太阳电池

1.5 本论文的选题意义和主要的研究内容

2 自组装纳米坑状陷光结构及a-Si:H太阳电池

2.1 引言

2.2 纳米坑状结构及a-Si:H太阳电池的制备

2.3 纳米坑状衬底及a-Si:H太阳电池的形貌和光学性质

2.4 纳米坑状陷光结构的光学仿真和优化

2.5 纳米坑状a-Si:H太阳电池的光电转换性能

2.6 本章小结

3 基于纳米压印的ZnO光栅状陷光结构及a-Si:H太阳电池

3.1 引言

3.2 ZnO光栅的制备

3.3 光栅的形貌和光学性质

3.4 光栅陷光结构的理论分析和FDTD仿真

3.5 基于ZnO光栅的a-Si:H薄膜太阳电池

3.6 本章小结

4 基于石墨烯纸的轻质柔性a-Si:H太阳电池

4.1 引言

4.2 石墨烯纸的制备

4.3 石墨烯纸的表征和测试

4.4 基于石墨烯纸的a-Si:H太阳电池

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录