用于薄膜太阳能电池的碳基光子晶体背反射器研究

【摘要】：能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将光伏发电作为发展的重点。当今，超过90%的光伏市场被Si基太阳能电池主宰。Si太阳能电池由于原材料丰富，工艺技术成熟，光电性能稳定使其在未来的光伏市场仍占据优势地位。但是由于成本比较高，电池的价格昂贵，很难促进民用。为了适应太阳能电池的高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是发展薄膜太阳能电池。但是由于电池厚度的减薄而造成的光透射损失严重，降低了电池的转换效率，因此有效地背反射设计对于获得高效率电池是十分必要的。 含金属的传统背反射器的吸收问题较严重，影响了背反射器的效率，而基于波动光学的光子晶体反射性能良好。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，一维光子晶体的反射率较高。它克服了金属反射器的吸收问题，又可以通过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。 本文利用光学薄膜模拟软件Essential Macleod和射频等离子体化学气相沉积RF-PECVD制备与研究a-Si:H/a-C一维光子晶体的性质，并利用紫外可见分光光度计、扫描电子显微镜（SEM）等对所制备的样品进行测试和表征。具体内容包括： 1、利用光学薄膜模拟软件Essential Macleod研究了一维光子晶体多层膜的最外层和最底层材料折射率的高低对反射性能的影响。研究结果显示：一维光子晶体结构常为四分之一波长膜系并且膜系两边的最外层为高折射率介质层，这样结构的反射率一般比较高。 2、采用光学薄膜模拟软件——Essential Macleod研究了一维光子晶体高反射带的展宽方法。展宽高反射带的一个有效的方法是将两个中心波长不同的一维光子晶体进行组合。这两种一维光子晶体都采用四分之一波长多层膜系且膜系两边都是高折射率介质膜层，而且组成光子晶体的多层膜都采用奇数层。如果将其直接叠加在一起，高反射带展宽了，但是在高反射带的中心位置处会出现一个透射率峰值。若在两个中心波长不同的一维光子晶体之间加进一层光学厚度为1/4平均波长的低折射率介质层，该组合的光子晶体反射曲线是一宽阔的平顶的曲线，没有出现透射率峰值，并不影响反射带的展宽。 3、采用RF-PECVD设备在实验上制备了两个不同中心波长的a-Si:H/a-C一维光子晶体（P1和P2）和在两种一维光子晶体之间加进一层低折射率层而构成的调制光子晶体（P1+P2），反应气源为硅烷和甲烷，交替沉积a-Si:H和a-C膜层。测试其反射谱可以发现第一个一维光子晶体P1在600—900nm波段的反射率近乎100%，第二个一维光子晶体P2在900—1300nm波段的反射率高达90%以上，而调制光子晶体实现了高反射带的展宽，使其在更宽波长范围600—1300nm的反射率达到了70%以上。高反射带的宽度覆盖了透过薄膜太阳能电池的光波波长范围，可以用来做薄膜太阳能电池的背反射器，将透过太阳能电池的光反射回太阳能电池内部，进行充分吸收利用，从而可以增加太阳能电池的转换效率。 【关键词】：硅基薄膜太阳能电池 光子晶体 背反射器
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42;O734
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 a-Si:H 薄膜太阳能电池11
• 1.3 太阳能电池背反射器概述11-13
• 1.4 传统背反射器13-14
• 1.5 光子晶体背反射器14-15
• 1.6 本文选题依据和研究内容15-17
• 2 样品的制备、表征与光学薄膜分析软件17-22
• 2.1 样品的制备17-19
• 2.1.1 射频等离子体化学气相沉积（RF-PECVD）17-18
• 2.1.2 沉积薄膜材料18
• 2.1.3 衬底材料18-19
• 2.2 样品的表证19
• 2.2.1 紫外可见分光光度计19
• 2.2.2 扫描电子显微镜19
• 2.3 光学薄膜分析软件———Essential Macleod19-22
• 3 一维光子晶体反射性能的研究22-39
• 3.1 光子晶体结构22
• 3.2 一维光子晶体参数22-23
• 3.3 一维光子晶体材料参数对光子晶体反射率性能的影响23-38
• 3.3.1 周期数 N 对光子晶体反射率的影响23-28
• 3.3.2 折射率比值对光子晶体反射性能的影响28-31
• 3.3.3 周期厚度对光子晶体反射性能的影响31-34
• 3.3.4 最外层折射率的高低对光子晶体反射性能的影响34-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 一维光子晶体高反射带的展宽39-48
• 4.1 软件模拟39-42
• 4.2 实验研究42-46
• 4.3 本章小结46-48
• 5 结论48-49
• 参考文献49-52
• 致谢52

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