硅基薄膜太陽電池的光管理技術(shù)研究.pdf

1、新型便攜式/可穿戴電子設(shè)備、節(jié)能建筑以及太陽能汽車、飛機等概念的興起為太陽電池提供了更加多樣化的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景，同時也對太陽電池提出了超輕、超薄和可彎曲等新的要求。非晶硅（a-Si:H）等薄膜太陽電池具有比傳統(tǒng)晶體硅太陽電池小得多的厚度，是滿足上述要求的更佳選擇。然而較薄的吸收層厚度也導(dǎo)致了非晶硅太陽電池較低的光吸收和能量轉(zhuǎn)換效率。針對上述問題，本論文圍繞著高效率和輕質(zhì)柔性的薄膜太陽電池，對新型光管理結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)柔性薄膜電池襯底進行了

2、研究。主要涵蓋的工作有：
　　基于自組裝的納米坑狀陷光結(jié)構(gòu)及a-Si:H太陽電池。利用電化學(xué)陽極氧化鋁多孔膜的自組裝行為，制備出了一種尺寸可控的（300~800 nm）半球形納米坑狀光管理結(jié)構(gòu)。有限時域差分（FDTD）法光學(xué)仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以有效提高a-Si:H薄膜在全光譜范圍內(nèi)的光吸收，尤其在吸收帶邊，增強系數(shù)高達近40倍。光譜測試也顯示，納米坑狀 a-Si:H電池對入射光的反射率明顯降低。納米凹坑的陷光效果最終將a-Si

3、:H電池的光電流提高了30％，并使得光電轉(zhuǎn)換效率提升了27%，甚至還略高于商用絨面導(dǎo)電玻璃上沉積的參考電池。進一步的仿真分析表明，光吸收的增強來自于納米坑狀電池中表面等離激元和光波導(dǎo)模式的共同作用。
　　基于納米壓印的 ZnO光柵狀陷光結(jié)構(gòu)及 a-Si:H太陽電池。采用自制納米壓印工具，開發(fā)出了一種一步法制備4吋晶圓級ZnO光柵陷光結(jié)構(gòu)的新途徑，具有工藝簡單、精度高和面積大的優(yōu)勢。通過理論和FDTD仿真對光柵的周期和深度進行了優(yōu)化

4、。仿真結(jié)果顯示，在TE和TM兩種偏振狀態(tài)下，光柵結(jié)構(gòu)能夠?qū)-Si:H薄膜的光電流分別提升31%和14%，使得電池最終獲得13.98 mA/cm2的短路電流。實驗結(jié)果則表明，周期為606 nm的一維光柵將a-Si:H電池的短路電流和能量轉(zhuǎn)換效率均提高了26%，而周期為1.2μm的二維光柵結(jié)構(gòu)則獲得了15%的光電流提升。
　　基于石墨烯紙的輕質(zhì)柔性a-Si:H太陽電池。提出利用石墨烯來構(gòu)建柔性薄膜太陽電池的襯底，具有耐高溫、機械強度

5、高、重量輕和厚度薄的多重優(yōu)勢。經(jīng)過表面形貌改善之后，石墨烯紙上構(gòu)建的 a-Si:H柔性太陽電池具有與玻璃襯底相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換效率（5.86%）和更高的光電流。其厚度比玻璃減小了~20倍，重量減小了~350倍。而輸出的功率密度高達8.31 W/g，比玻璃襯底提高了415倍，具有了超輕超薄的特性。得益于石墨烯紙襯底超薄的厚度和較好的機械強度，a-Si:H電池還具有了良好的柔性，在彎曲半徑最低為14 mm時仍保持了與初始狀態(tài)相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)換效率。