飞秒激光照射下硅/砷化镓太阳能电池的光电特性研究

摘要

飞秒激光是一种超短时间脉冲（10-15秒）的新型激光，是人类目前在实验室条件下所能获得的最短时间脉冲。本文研究了飞秒激光对硅和砷化镓太阳能电池的损伤效应和聚光效应，并制备了MoS2钠微薄膜来提高太阳能电池在飞秒激光照射下的损伤阈值和转换效率。
　　研究者采用飞秒超短脉冲激光(≤35fs)，研究其对硅太阳能电池的损伤阈值，这在国内尚属首次。研究者发现，与相同波长的连续激光对比，飞秒激光的损伤阈值略高，这一结果完全不同于纳秒或皮秒激光，这是因为由于脉冲加热时间小于电子-声子耦合时间引起明显的非热平衡现象，导致热传导现象不符合傅立叶耦合定律。此外，在实验中采用了光束整形技术，第一次采用强度均匀分布的激光研究损伤阈值，此技术能有效减小高斯激光中心光强过大造成的实验偏差。
　　研究者采用飞秒超短脉冲激光（≤35fs），研究其对砷化镓太阳能电池的损伤阈值和转换效率。实验表明，随着入射光强增加，相对相同波长的连续激光，在飞秒激光照射下，砷化镓太阳能电池不仅有更高的损伤阈值，而且有更高的转换效率。这主要是因为飞秒脉冲激光拥有更高的瞬间光强，能充分引发砷化镓电池的聚光效应。
　　为了进一步提高砷化镓太阳能电池在飞秒激光照射下的损伤阈值和转换效率，研究者采用离散法，以N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)为溶剂，制备二硫化钼(MoS2)钠微薄膜悬浮溶液，对砷化镓电池进行涂膜。实验表明，研究者制备的MoS2钠微薄膜在可见波段(532nm)，小光强照射下增透，提高光电转换效率;在大光强照射下减透，提高损伤阈值，保护太阳能电池。
　　综上所述，对半导体太阳能电池而言，相对于连续激光和纳秒、皮秒脉冲激光，飞秒激光具有更高的损伤阈值和更高的转换效率，更适合进行大功率的无线传能。利用MoS2钠微薄膜，可以进一步提高响应的损伤阈值和转换效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高功率激光对硅／砷化镓太阳能电池的性能研究意义及选题背景

1．2 高功率激光对太阳能电池的性能研究现状

1．3 高功率激光对太阳能电池的特性研究发展趋势

2 高功率激光对太阳能电池研究原理

2．1 飞秒激光用于无线传能

2．2 激光与物质的相互作用

2．2．1 激光在物质中的传播和吸收

2．2．2 激光对物质的加热与蒸发

2．3 激光光束整形技术

2．4 太阳能电池原理

2．4．1 光生伏特效应

2．4．2 太阳能电池的光电转换效率

2．4．3 太阳常数和大气光学质量

3 研究强光下红外波段(硅)太阳能电池损伤阈值

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 实验原理

3．2．2 实验系统

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 实验结果

3．3．2 实验分析

3．4 结论

4 研究强光下红外波段(砷化镓)太阳能电池的转化效率

4．1 GaAs太阳能电池材料

4．1．1 GaAs与Si材料的对比

4．1．2 GaAs电池结构

4．1．3 GaAs叠层电池用于聚光光伏

4．2 800nm连续和飞秒脉冲激光对GaAs电池的测试实验

4．2．1 实验样品

4．2．2 实验仪器、条件

4．2．3 实验数据分析

4．3 总结

5 高功率激光照射下提高损伤阈值和转换效率探究

5．1 尝试制备一种薄膜

5．2 制备薄膜所需的溶剂

5．2．1 DMF

5．2．2 THF

5．3 不同溶剂的MoS2悬浮溶液的制备过程

5．3．1 实验仪器

5．3．2．配溶

5．3．3 实物颜色对比及描述

5．4 不同溶剂的MoS2悬浮溶液的吸收谱

5．5 MoS2两种悬浮溶液对玻璃涂膜的制作及吸收谱

5．5．1 玻璃涂膜的制作

5．5．2 涂膜后颜色对比

5．5．3 玻璃涂膜不同MoS2悬浮溶液的对红外光的吸收谱

5．6 砷化镓电池涂膜前后转化效率

5．7 结论

6 总结与展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢