基于等离激元结构柔性非晶硅薄膜太阳能电池的研究

【摘要】：全球能源危机与环境污染的问题促使太阳能光伏产业得到了快速发展,而促进太阳能电池的快速推广与应用的主要手段是降低成本与提高电池的光电转换效率。柔性非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳能电池轻质、可卷曲和易携带的特点使其具有非常广阔的应用前景。但是超薄的光吸收层导致非晶硅薄膜太阳能电池具有转换效率低的缺点,这就需要对其工艺参数进行优化或者制备新型的等离激元结构来增强非晶硅薄膜的光吸收,最终达到提高电池光电转换效率的目的。首先,本文探讨了氧气浓度对非晶硅薄膜电池的掺锡氧化铟(ITO)前电极厚度、电阻率和透过率的影响。结果表明：氧气浓度主要影响ITO薄膜的电学性能,在0.21%的氧气浓度下,薄膜的电阻率最小；而且在0.21%的氧气浓度条件下的电池效率最高。从而确定制备前电极ITO的氧气最优浓度。其次,基于阳极氧化铝自组装的方法,本文制备出周期性尺寸为～350 nm与～500 nm的半球形纳米凹坑铝衬底。结果表明：与平面电池相比较,有纳米凹坑结构的电池在整个光吸收波段内均有很明显的光吸收增强,并通过有限时域差分法(FDTD)光学仿真印证了此结构的陷光作用；最终此纳米凹坑结构使得其短路电流密度与能量转换效率分别有29.4%与30.8%的提高,均优于商用随机绒面的掺氟氧化锡(FTO)导电玻璃。这是由于周期性的纳米凹坑结构激发了电池中表面等离激元共振效应与光波导模式。另外,凹坑尺寸为500 nm的电池相较于350 nm有更好的光电转换性能。然后,本文采用简便高效的阳极氧化的方法在铝片上制备一层致密的A1203薄膜。A1203薄膜能够有效地抑制电池背反层中的Ag薄膜与铝衬底的相互扩散；10 nm的Al2O3薄膜使电池的能量转换率提高了3.4%,而且这层阻挡层对电池加热后性能的减弱有一定的抑制作用。最后,本文利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对纳米凹坑铝衬底电池进行封装处理,并在不同的弯曲角度与不同斜入射光角度条件下对其进行了性能测试。结果表明：铝衬底上的柔性非晶硅薄膜太阳能电池即使在120°的弯曲角度下,其能量转换效率也能维持在初始效率的92.4%,这验证了其具有很好的柔性；而图形化电池在斜入射光角度为60°的情况下,其能量转换效率仍然达到了初始效率的60.7%,说明基于纳米凹坑结构的非晶硅薄膜太阳能电池对宽角度入射光具有较好的陷光效果。 【关键词】：非晶硅薄膜太阳能电池 等离激元结构 纳米凹坑铝衬底 陷光作用 柔性
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 引言11
• 1.2 太阳能电池概述11-16
• 1.2.1 太阳能电池的发展概况11-12
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理12-13
• 1.2.3 太阳能电池的重要特征参数13-14
• 1.2.4 太阳能电池的分类14-16
• 1.3 非晶硅薄膜材料及太阳能电池16-19
• 1.3.1 非晶硅薄膜材料的结构16
• 1.3.2 非晶硅薄膜材料的制备16-17
• 1.3.3 非晶硅薄膜材料中的Stabler-Wronski光致衰减效应(S-W效应)17
• 1.3.4 非晶硅薄膜太阳能电池的结构17-19
• 1.4 基于等离激元结构非晶硅薄膜太阳能电池的研究现状19-22
• 1.4.1 表面金属纳米颗粒产生的散射效应20-21
• 1.4.2 金属纳米颗粒的近场增强效应21
• 1.4.3 金属纳米结构的表面等离极化模式21-22
• 1.5 本文的主要研究目的及研究内容22-24
• 1.5.1 研究目的22-23
• 1.5.2 研究内容23-24
• 2 n-i-p型非晶硅薄膜太阳能电池前电极TCO的制各与性能优化24-32
• 2.1 引言24
• 2.2 TCO薄膜材料的制备24-25
• 2.3 ITO薄膜材料性能的优化25-30
• 2.3.1 ITO薄膜材料的制备25-27
• 2.3.2 实验结果与讨论27-30
• 2.4 本章小结30-32
• 3 基于等离激元结构非晶硅薄膜太阳能电池的研究32-44
• 3.1 引言32-33
• 3.2 纳米凹坑等离激元结构及非晶硅薄膜电池的制备33-37
• 3.2.1 实验材料与设备33-34
• 3.2.2 实验部分34-37
• 3.3 实验结果与讨论37-43
• 3.3.1 衬底与电池的表面形貌37-39
• 3.3.2 电池的光吸收谱39
• 3.3.3 等离激元结构电池的光学仿真39-41
• 3.3.4 等离激元结构对电池的光电转换性能的影响41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 Al_2O_3薄膜对非晶硅薄膜太阳能电池的性能影响44-52
• 4.1 引言44
• 4.2 实验试剂与仪器44-45
• 4.3 实验内容45-46
• 4.4 实验结果与分析46-51
• 4.4.1 存在Al_2O_3薄膜的铝衬底与电池的表面形貌46-48
• 4.4.2 Al_2O_3薄膜对铝衬底与背反层中的Ag薄膜相互扩散的影响48-49
• 4.4.3 Al_2O_3薄膜对电池性能的影响49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 5 电池的柔性测试与斜入射光角度的性能研究52-58
• 5.1 引言52
• 5.2 实验部分52-54
• 5.2.1 实验的试剂与仪器52-53
• 5.2.2 实验步骤53-54
• 5.3 实验结果与讨论54-56
• 5.3.1 电池封装前后的性能变化54-55
• 5.3.2 电池封装后的柔性测试55-56
• 5.3.3 基于等离激元结构非晶硅薄膜电池的斜入射光角度的性能研究56
• 5.4 本章小结56-58
• 6 结论与展望58-60
• 6.1 全文主要结论58-59
• 6.2 创新点59
• 6.3 工作展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-66
• 附录66

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