硅-PEDOT:PSS 杂化太阳能电池制备及光伏性能研究

摘要

由于汲取了硅基与有机太阳能电池的优势，硅基有机杂化太阳能电池成为当前的一个研究热点。其中聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）具有良好的光透过性与空穴传输性，非常适宜用来与 N型硅（Si）一起构建Si-PEDOT:PSS杂化太阳能电池器件。业界研究聚焦于界面修饰、硅表面制绒、PEDOT:PSS改性、背接触改善、正面反型效应增强等方面，这一系列研究促使Si-PEDOT:PSS杂化太阳能电池迅速发展。
　　在本文的研究中，以提升Si-PEDOT:PSS杂化太阳能电池的光电转化效率为目标，我们尝试了几项有效的技术手段，如将局部钝化层应用于Si-PEDOT:PSS杂化电池，通过降低背表面复合速率来提升开路电压（Voc），进而增加Si-PEDOT:PSS杂化太阳能电池器件光电转化效率；利用改良后的金属催化腐蚀法制备高效陷光纳米锥重构结构，进而提升短路电流密度（Jsc），以更适用于Si-PEDOT:PSS杂化电池；利用软件模拟建立了关于PEDOT:PSS与减反层的光学模型，更高效地制备高转化效率Si-PEDOT:PSS杂化电池。具体工作包括以下几方面：
　　（1）为了高效地钝化N型Si衬底，降低太阳能器件背面少数载流子复合速率，我们利用等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD）沉积氮化硅（SiNx:H）钝化膜，利用原子层沉积系统（ALD）沉积三氧化二铝（Al2O3）钝化膜，以少子寿命为主要表征方式对SiNx:H与Al2O3进行钝化性能测定。通过调节PECVD沉积过程中的源气流比例、衬底沉积温度、腔体沉积功率、SiNx:H薄膜厚度等工艺，得到表面复合速率约为30 cm/s的高钝化性能 SiNx:H薄膜。通过调节ALD沉积过程中薄膜厚度、薄膜退火温度、退火时间等工艺，得到表面复合速率约为30 cm/s的高钝化性能 Al2O3薄膜。经过工艺优化，SiNx:H与 Al2O3薄膜均展现出良好的钝化性能，这方面关于高效钝化膜的细致研究，为后续将局部钝化技术应用于Si-PEDOT:PSS杂化电池的研究提供了有力支撑。
　　（2）我们将SiNx:H与Al2O3钝化膜沉积在Si衬底的表面，通过光刻工艺局部保护SiNx:H与Al2O3薄膜，再利用HF酸腐蚀得到局部覆盖的SiNx:H与Al2O3钝化膜。经过少子寿命对比，腐蚀后的SiNx:H膜表现出更佳的钝化性能，将其应用于Si-PEDOT:PSS杂化太阳能电池，光电转化效率有0.6％的绝对提升。在增加钝化层之后开路电压（Voc）从0.523 V提升到0.557 V，从器件层面验证了局部SiNx:H钝化膜具有良好的钝化能力。在这部分研究工作中，我们对正面PEDOT:PSS钝化、背面SiNx:H钝化，以及它们的组合钝化效果进行了详细的表征和分析。
　　（3）我们提出了一种更简单的金属催化腐蚀法，并利用该方法在硅表面制备新型纳米锥重构结构。该金属催化腐蚀法只需配制一份溶液就能同时达到Ag纳米颗粒沉积与表面腐蚀的效果。为制备纳米锥重构结构，我们通过两次处理的方式在纳米锥表面形成尺寸更小的纳米结构，在研究过程中通过对比不同浸泡时间来优化重构纳米锥的制备工艺，最终得到在全光谱都有光学响应提升的黑硅。将此黑硅应用于Si-PEDOT:PSS杂化电池后，制备得到光电转化效率达到11.75%的太阳能电池器件，相对于参考器件，光电转化效率提升了1.84%。电池效率的提升主要归因于纳米锥重构结构能起到更强陷光作用以及能与PEDOT:PSS膜产生更多的接触面积。
　　（4）因为氧化钼（MoO3）的折射率在2.1左右，所以非常适合用于Si-PEDOT:PSS杂化电池的减反层。我们利用软件建模来预测MoO3作为减反层时组件的各项光学参数及其损失电流。结合实验结果，论证了本理论模型的准确性。通过沉积34 nm的MoO3减反层以及增加N+背场层，杂化电池在可见波段与长波段展现出更好的光学响应，短路电流Jsc提升到28.7 mA/cm2。相应电池光电转化效率为11.90%，较参考电池（9.23%）有大幅度的提升。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2太阳能电池基础知识

1.3太阳能电池的分类及其发展概况

1.4选题依据与研究内容

第二章 氮化硅与三氧化二铝薄膜的制备及其钝化性能研究

2.1 引言

2.2 氮化硅薄膜的制备及钝化性能研究

2.3 三氧化二铝薄膜的制备及钝化性能研究

2.4 本章小结

第三章 背面局部钝化Si-PEDOT:PSS杂化电池的制备及性能研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 重构纳米锥陷光衬底Si-PEDOT:PSS杂化电池的制备及其性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 氧化钼减反增透Si-PEDOT:PSS杂化电池制备及其性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 全文主要创新点

6.3 后续工作与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果