新型硅基异质结太阳电池结构设计研究

摘要

现代社会对能源需求的快速增长促使人们不断追寻更高效率的太阳电池。硅基异质结太阳电池因其超高的转换效率和较低的生产成本受到人们的广泛关注，很有可能成为取代晶体硅电池的新一代太阳电池。硅基异质结太阳电池同时拥有非晶硅的宽带隙和晶体硅的稳定性的双重优势，还可以避免非晶硅薄膜太阳电池中的光致衰减问题，因而相比于传统的晶体硅和非晶硅电池具有更高的开路电压、短路电流和转换效率。
　　然而，硅基异质结太阳电池因涉及到晶体硅/非晶硅异质结界面和超薄本征非晶硅缓冲层等复杂结构，其输出结果会受到众多因素的综合影响，从而很难达到理想的性能和实现进一步的效率突破。其中洁净而低缺陷密度的晶体硅/非晶硅异质结界面是保证硅基异质结电池高效率的首要因素。当界面存在较多缺陷态时，界面态会起主导作用而恶化电池输出。其次，透明导电玻璃、非晶硅发射层本征层、晶硅衬底等各层都会产生耦合的影响，改变电池能带结构和载流子分布，需要仔细调控。此外，在硅基异质结电池上引入纳米陷光结构来增加电池中的光吸收也是提高短路电流和效率的重要途径。目前被广泛使用的二维竖直排列纳米线、柱阵列拥有极好的减反和吸收特性，但是其表面复合因表面积的增加而大幅提高，限制了它们在硅基异质结太阳电池陷光结构上的应用。因此，为了能实现硅基异质结太阳电池的效率突破，从机理上分析研究硅基异质结电池各参数的影响并做对应的结构优化设计具有重要意义。
　　本论文着重于通过计算模拟研究，提出新型硅基异质结太阳电池结构来解决硅基异质结中现存的问题，为实现电池效率突破寻找新的思路。我们首先基于实验数据建立了精确的非晶硅缺陷态分布模型，用它来计算非晶硅掺杂发射层和本征缓冲层中的缺陷态密度带来的影响，并从机理上解释由此引发的陷阱效应。我们给出了避免陷阱效应发生的缺陷态密度临界值，这在指导硅基异质结太阳电池的实际生产中很有意义。我们还提出在硅基异质结电池中加入同质结，利用场效应钝化来降低界面态对能带结构和电池输出的影响，使得电池在较高的界面态密度下也可以获得理想的转换效率。
　　其次，我们提出了一维横向排列的单晶硅/非晶硅半核壳同轴纳米线阵列以用于硅基异质结太阳电池的陷光结构。这种纳米线阵列很好的保有了单根纳米线的光吸收增强特性，可以在表面积提升不大的情况下实现极强的光吸收。通过研究该纳米线阵列中各结构因素的影响，我们可以进一步优化其陷光性能，使得仅有10微米厚晶体硅衬底的纳米线阵列就可以基本吸收完所有入射光。也就是说该纳米线阵列陷光结构可以将硅基异质结太阳电池的厚度削减到约10微米，从而提升电池效率，节约成本。
　　最后，我们将由单晶硅/非晶硅半核壳结构推广，提出介质/非晶硅半核壳同轴纳米线阵列，用以扩展到硅基薄膜太阳电池的陷光结构。它可以减少非晶硅薄膜电池75％的吸收层厚度，大幅提升电池填充因子并降低材料成本。此外，该纳米线阵列可以通过目前常规的刻蚀和薄膜沉积工艺在较大面积上实现，且任意半导体吸收材料均可替代非晶硅用做吸收壳，这极大的拓宽了该结构的用途。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 晶体硅／非晶硅硅基异质结太阳电池

1．2．1 晶体硅／非晶硅异质结电池发展历史

1．2．2 HIT电池的结构与特点

1．2．3 硅基异质结太阳电池的研发现状

1．3 高效硅基异质结太阳电池的发展方向

1．3．1 改善c-Si／a-Si界面情况

1．3．2 优化各层电学参数

1．3．3 增加电池光吸收

1．4 选题背景和研究内容

参考文献

第二章 硅基异质结太阳电池理论计算方法

2．1 引言

2．2 AFORS-HET的物理模型

2．2．1 泊松方程和电子与空穴的连续性方程

2．2．2 边界条件

2．3 FDTD方法基本理论

2．3．1 麦克斯韦方程及其FDTD形式

2．3．2 介质突变界面的等效电磁参数

2．4 本章小结

参考文献

第三章 硅基异质结太阳电池结构中的陷阱效应和同质异质结新结构设计

3．1 引言

3．2 计算模型

3．2．1 电池结构模型

3．2．2 a-Si层中的缺陷态分布模型

3．3 在p型a-Si发射层中缺陷态密度的影响和陷阱效应

3．4 在本征a-Si缓冲层中缺陷态密度的影响和陷阱效应

3．5 同质异质结新结构太阳电池

3．5．1 研究背景

3．5．2 计算模型

3．5．3 同质异质结电池输出性能

3．6 本章小结

参考文献

第四章 硅基异质结太阳电池的c-Si／a-Si半核壳同轴纳米线阵列陷光结构

4．1 引言

4．2 研究基础

4．2．1 LMRs

4．2．2 单根同轴纳米线的陷光机理

4．2．3 FDTD模拟纳米陷光结构

4．3 c-Si／a-Si半核壳同轴纳米线阵列

4．3．1 计算模型

4．3．2 c-Si／a-Si半核壳同轴纳米线阵列的光吸收增强

4．4 c-Si／a-Si半核壳同轴纳米线阵列的异质结太阳电池

4．5 本章小结

参考文献

第五章 介质／a-Si半核壳同轴纳米线阵列陷光结构

5．1 引言

5．2 介质／a-Si半核壳同轴纳米线阵列的光吸收增强

5．3 介质／a-Si半核壳同轴纳米线阵列的a-Si薄膜太阳电池

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

附录

参考文献

致谢

完成论文目录