晶硅太阳能电池减反射薄膜的制备与特性研究

摘要

随着太阳能发电技术的大力发展，提高效率、降低成本成为光伏产业面临的世界性难题。太阳能电池减反射薄膜的研制，可以大幅度降低电池表面太阳光的反射，增加进入到电池内部的光通量，产生更多的光生载流子，是提高电池效率最经济有效的途径。因此探索出一种性能匹配的太阳能电池减反射薄膜材料及其制备工艺具有重要的价值。
　　 经过对减反射薄膜材料的光学性质、稳定性、制备工艺和生产成本的综合考虑，本文采用磁控溅射法制备了TiO2单层和SiO2/TiO2双层结构的太阳能电池减反射薄膜。用台阶仪、原子力显微镜、X射线衍射仪、紫外可见光分光光度计等仪器对薄膜的厚度、表面形貌、晶体结构、光学性能等结构特性进行了表征，研究了制备工艺对减反射薄膜结构与光学特性的影响，并利用PC1D仿真软件研究了减反射薄膜对太阳能电池输出特性的影响。
　　 实验结果表明：TiO2薄膜的沉积速率随着氧气流量比的增大而减小，随着溅射功率的提高呈线性增长，随着衬底温度的升高逐渐减小。薄膜的表面粗糙度受沉积速率的影响较大，提高衬底温度可以使薄膜光滑致密，减小表面粗糙度。沉积态的TiO2薄膜为非晶态结构，经过300～500℃的低温退火，薄膜转变为锐钛矿结构。TiO2薄膜在可见光区域有较高的透射率，折射率的变化区间为2.19～2.46(λ=600nm)，消光系数很小，数量级达到10-3。TiO2单层及SiO2/TiO2双层减反射薄膜在适当的工艺条件下可以取得很好的减反射效果，在400～900nm波长范围内，加权平均反射率分别为7.5％和1.2％。仿真结果表明：减反射薄膜可以有效提高太阳能电池的输出特性，填充因子在77％～79％之间，镀制TiO2单层和SiO2/TiO2双层减反射薄膜的太阳能电池转换效率分别为18.1％和18.5％，与未镀膜相比效率可提高66.7％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 太阳能电池的发展和挑战

1.2 太阳能电池减反射薄膜的研究进展

1.2.1 太阳能电池减反射薄膜的研究现状

1.2.2 太阳能电池减反射薄膜的工作原理

1.3 太阳能电池减反射薄膜材料的选择

1.4 本论文的研究意义、目的及内容

1.4.1 本论文的研究意义和目的

1.4.2 本论文的研究内容

1.4.3 本论文的研究方法

第二章 减反射薄膜样品的制备及表征

2.1 薄膜样品的制备

2.1.1 减反射薄膜的制备方法

2.1.2 磁控溅射原理及设备

2.1.3 薄膜样品的制备流程

2.1.4 薄膜样品的制备方案

2.2 薄膜样品的表征

2.2.1 形貌分析

2.2.3 厚度测量

2.2.4 显微结构表征

2.2.5 光学特性测试

2.3 本章小结

第三章 Tio2减反射薄膜的结构特性研究

3.1 工艺参数对薄膜沉积速率的影响

3.1.1 氧气流量比对TiO2薄膜沉积速率的影响

3.1.2 溅射功率对TiO2薄膜沉积速率的影响

3.1.3 衬底温度对TiO2薄膜沉积速率的影响

3.2 TiO2薄膜的表面形貌研究

3.2.1 氧气流量比对TiO2薄膜表面形貌的影响

3.2.2 溅射功率对TiO2薄膜表面形貌的影响

3.2.3 衬底温度对TiO2薄膜表面形貌的影响

3.3 TiO2薄膜晶体结构研究

3.3.1 工艺参数对TiO2薄膜晶体结构的影响

3.3.2 退火对TiO2薄膜晶体结构的影响

3.4 本章小结

第四章 太阳能电池减反射薄膜的光学特性研究

4.1 薄膜的透射率

4.1.1 氧气流量比对薄膜透射率的影响

4.1.2 溅射功率对薄膜透射率的影响

4.1.3 衬底温度对薄膜透射率的影响

4.2 薄膜光学常数

4.2.1 TiO2薄膜的折射率

4.2.2 TiO2薄膜的消光系数

4.3 薄膜减反射性能分析

4.3.1 氧气流量比对薄膜反射率的影响

4.3.2 溅射功率对薄膜反射率的影响

4.3.3 衬底温度对薄膜反射率的影响

4.4 本章小结

第五章 太阳电池Ⅰ-Ⅴ特性的仿真研究

5.1 仿真工具与方案

5.2 仿真结果与分析

5.2.1 氧气流量比对太阳电池输出特性的影响

5.2.2 溅射功率对太阳电池输出特性的影响

5.2.3 衬底温度对太阳电池输出特性的影响

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录1 AM1.5太阳光光子流密度

致谢

攻读学位期间主要研究成果