薄膜微晶硅太阳能电池亚微米周期陷光结构的优化设计与实验研究

【摘要】：薄膜太阳能电池作为下一代光伏器件最具有竞争力的角色,它们具有低成本、可实现柔性衬底上沉积以及易于发展光伏建筑一体化(BIPV)等特点。最近几年,特别是微晶硅(μc-Si：H)太阳能电池已经得到广泛的关注。最高稳定效率为10.3%的薄膜微晶硅太阳能电池已经研制成功。但是,因为微晶硅太阳能电池的厚度的非常薄,典型的厚度仅有0.8-1.5μm,且在长波长(600nm-1100nm)范围的吸收系数很低。为了增加薄膜微晶硅太阳能电池长波长波段光吸收,有效地陷光结构是非常必要的。如何得到最佳的陷光结构,改善薄膜微晶硅太阳能电池的性能具有很现实的意义。 本文在集成随机织绒陷光结构的薄膜微晶硅太阳能电池模型基础上,采用亚微米周期结构(一维三角光栅)作为微晶硅太阳能电池的陷光结构,通过数值计算优化光栅结构,分析光栅结构参数对薄膜微晶硅太阳能电池在长波长波段相关性能的影响并获得合适的光栅结构参数。然后,通过实验手段在铝基底上自组装形成亚微米周期凹槽型结构,分析该结构的光学性质,探索其作为薄膜微晶硅太阳能电池的背表面反射器的潜在陷光性能。主要工作内容及结论如下： 第一部分提出用于薄膜微晶硅太阳能电池陷光结构的亚微米周期性结构,即1D亚微米三角光栅。采用严格耦合波理论(RCWA)分析光栅的光学性质,研究光栅参数对其漫反射特性的影响。调节光栅结构参数,包括光栅周期和高度,得到漫反射性能较好的光栅参数。利用所得光栅结构参数,采用时域有限差分(FDTD)法评估不同的光栅周期和高度在600nm-1100nm波长范围内对薄膜微晶硅太阳能电池的光吸收、量子效率、短路电流的影响,并与平面结构作比较。最后得到光栅周期在800nm,高度为300nm时,微晶硅太阳能电池的短路电流值最大,相比于平面结构增加了3.8 mA/cm2。相比于微米级矩形光栅结构,最大短路电流提高了11.6个百分点,证明了一维亚微米三角光栅的陷光性能更有效。 第二部分采用铝阳极氧化方法,成功地在铝基底上自组装了亚微米周期凹槽型结构,并将该结构应用于薄膜微晶硅太阳能电池背表面反射陷光结构,分析其潜在的陷光性能。通过改变阳极氧化电压,得到三组不同周期的背表面反射器。采用扫描电子显微镜观察样品表面形貌和微结构,得到凹槽周期和深度大小。通过紫外可见近红外分光光度计测量了样品的漫反射性质,分析了样品周期大小与背表面反射结构光散射特性包括绒度系数、角散射分布等的关系。最后得到,随着周期的增大,样品的光散射特性越好；当凹槽周期为600nm时,光散射强度甚至超过Asahi-U型结构。这一结果显示,使用大周期凹槽结构作为薄膜太阳能电池背表面反射器时,将呈现出更加优越的陷光性能,更有效地改善薄膜太阳能电池的性能。 【关键词】：薄膜太阳能电池 微晶硅 陷光 量子效率 背表面反射器
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 1. 绪论10-18
• 1.1. 世界光伏产业的发展现状10-13
• 1.2. 薄膜微晶硅太阳能电池研究现状13-16
• 1.3. 论文主要研究内容及意义16-18
• 2. 改善薄膜太能电池性能的陷光结构及研究方法18-31
• 2.1. 太阳能电池主要技术参数及影响因素18-21
• 2.2. 改善薄膜太阳能电池性能的陷光结构21-25
• 2.3. 评价陷光效应常用的计算方法25-30
• 2.3.1. 严格耦合波方法(RCWA)25-29
• 2.3.2. 时域有限差分法(FDTD)29
• 2.3.3. 有限元方法(FEM)29-30
• 2.4. 本章小结30-31
• 3. 薄膜微晶硅太阳能电池亚微米周期陷光结构的优化设计31-48
• 3.1. 引言31-32
• 3.2. 研究的基本结构模型32-35
• 3.3. 光栅分析35-37
• 3.4. 陷光结构对电池吸收的影响37-44
• 3.5. 陷光结构对电池短路电流的影响44-46
• 3.6. 计算结果与实验值比较46-47
• 3.7. 本章小结47-48
• 4. 薄膜微晶硅太阳能电池背表面陷光结构的实验研究48-60
• 4.1. 引言48-49
• 4.2. 背表面反射器实验制备49-53
• 4.2.1. 基本结构及制备方法49-50
• 4.2.2. 实验样品、试剂及主要仪器50-51
• 4.2.3. 实验装置和流程51-53
• 4.2.4. 表征和测试仪器53
• 4.3. 结果与讨论53-58
• 4.3.1. 背表面反射器微结构及表面形貌53-55
• 4.3.2. 背表面反射器光学特性55-58
• 4.4. 本章小结58-60
• 5. 总结与展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-69

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