银纳米颗粒陷光结构增强多晶硅薄膜太阳电池光吸收研究

摘要

源于其良好的电学性能及较低的成本，多晶硅薄膜太阳电池近年来备受关注。但由于薄膜太阳电池有效光学吸收与载流子收集的矛盾，即太阳电池厚度的设计必须在保证载流子有效收集的基础上尽可能多吸收入射光，使得适用于薄膜类太阳电池的新型陷光结构的研究成为近年来的研究热点。
　　本论文主要采用磁控溅射结合原位退火或快速热退火两种方式，分别在玻璃和单晶硅(Si)上制备了Ag纳米颗粒，研究不同退火方式、薄膜厚度及退火温度对Ag纳米颗粒形貌及光学性能的影响，获得了具有较好性能的Ag纳米颗粒制备工艺。进而将Ag纳米颗粒作为多晶硅薄膜太阳电池的陷光结构，结合Mie理论研究了贵金属纳米颗粒对太阳电池电学性能的影响。实验得到的主要成果如下:
　　1、采用磁控溅射结合原位退火的方式（升温速率为0.33℃/s）制备了Ag纳米颗粒，利用扫描电子显微镜(SEM)对样品表面形貌进行了表征，发现原位退火方式制备的Ag纳米颗粒粒径分布范围宽，且存在大量粒径小于50nm的Ag颗粒。紫外-可见分光光度汁(UV-VIS)研究发现，随着Ag纳米颗粒平均粒径的增大，消光峰位发生明显红移，其消光谱的半高宽最高可达250 nm。
　　2、采用Mie理论研究发现，粒径小于50 nm的Ag颗粒，其光学性质主要以自身吸收为主，如纳米颗粒尺寸为50 nm时，在300～1100 nm范围内，其自身吸收仍高于50％，颗粒尺寸为20 nm时，自身吸收高达95％以上。理论计算表明，通过消除小粒径Ag纳米颗粒，可有效提高样品的光学散射性能。因此，在Ag纳米颗粒陷光结构的制备中，消除小粒径纳米颗粒至关重要;
　　3、采用磁控溅射结合快速热退火的方式（升温速率为100℃/s）制备了Ag纳米颗粒。样品形貌表征发现，金属纳米颗粒的粒径分布呈现高斯分布，快速升温方式可有效消除小粒径的纳米颗粒，且平均粒径随着Ag膜的厚度增大而逐渐增大。通过优化退火方式，样品消光峰强最高可达63％，消光峰位在418～460 nm范围内可调。
　　4、在石墨衬底上，先后制备ZnO过渡层、多晶硅籽晶层、多晶硅太阳电池有源区及Ag纳米颗粒陷光结构。研究发现，相对于未沉积纳米颗粒的太阳电池而言，Ag纳米颗粒可有效提高薄膜太阳电池的光学吸收性能，其中短路电流的相对增强可达到10.7％。

目录

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摘要

英文摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 光伏产业的发展

1．1．2 太阳电池的分类

1．2 太阳电池陷光结构研究

1．2．1 绒面陷光结构

1．2．2 减反射膜

1．2．3 多孔硅陷光结构

1．3 金属纳米颗粒的典型结构的研究

1．3．1 纳米球

1．3．2 半球和锥形

1．3．3 核壳结构

1．4 金属纳米颗粒的制备方法

1．5 本文的内容框架

第2章 Ag纳米颗粒制备系统及其表征方法

2．1 Ag纳米颗粒制备系统

2．1．1 磁控溅射系统

2．1．2 快速热退火系统

2．2 金属纳米颗粒性质表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 X射线衍射分析

2．2．3 紫外可见分光光度计

2．2．4 透射电子显微镜

2．2．5 其他测试方法

2．3 本章小结

第3章 金属Ag纳米颗粒的制备

3．1 衬底的选择及处理

3．2 Ag薄膜的制备

3．2．1 薄膜生长速率测定

3．2．2 薄膜沉积机制

3．3 Ag纳米颗粒的形成

3．3．1 退火过程

3．3．2 退火过程中金属纳米颗粒的形成机制

3．4 本章小结

第4章 工艺参数对Ag纳米颗粒性质影响

4．1 退火温度对金属纳米颗粒性质的影响

4．2 退火方式对颗粒性质的影响

4．2．1 真空原位热退火

4．2．2 快速热退火

4．3 沉积时间对颗粒形成及光学性质的影响

4．3 本章小结

第5章 Ag纳米颗粒增强多晶硅薄膜太阳电池光吸收

5．1 多晶硅薄膜太阳电池的制备

5．1．1 衬底的选择与处理

5．1．2 ZnO阻挡层制备

5．1．3 籽晶层制备

5．1．4 多晶硅薄膜沉积及p-n结的制备

5．2 Ag纳米颗粒增强多晶硅薄膜太阳电池光吸收

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文主要成果

6．2 前景展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术论文及其它成果

致谢