納米線太陽能電池結(jié)構(gòu)、制造工藝及性能研究.pdf

1、經(jīng)過半個多世紀的研究和開發(fā)，硅基太陽能電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計和效率方面已取得了重大的進步。如何進一步提高其轉(zhuǎn)換效率和降低成本，始終是該領(lǐng)域的研究熱點。低維納米材料如納米線由于具有比表面積大和量子效應(yīng)等特點，表現(xiàn)出優(yōu)異的物理和化學性能，在高品質(zhì)晶體管、超高靈敏度的化學/醫(yī)學傳感器、高性價比的光伏器件、低成本的熱電器件和高容量的鋰離子蓄電池等方面研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文分別制備了硅基納米線陣列(Ag柵/AZO/n-Si:H/α-Si:H/c-

2、Si(P)NW/Al)和ZnO基納米線陣列(Ag/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H/ZnO nanowire array/FTO/glass)兩種太陽能電池，并系統(tǒng)研究了其相關(guān)的科學問題。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：
　　一、利用金屬輔助催化無電刻蝕的方法（MCEE），在單晶硅片表面制備了大面積的硅納米線陣列，研究了HF-AgNO3刻蝕體系對硅納米線陣列形貌和反射率的影響。隨著刻蝕時間的增加，納米線的長度呈先慢后快的非線性

3、增加，直徑變小，從而導(dǎo)致斷裂和頂部匯聚的現(xiàn)象的產(chǎn)生。硅納米線陣列具有很好的陷光效應(yīng)，當納米線長度為1.6μm時，在可見光范圍內(nèi)的反射率低至2.5％。利用水熱法制備了ZnO納米線陣列，籽晶層的厚度和表面性質(zhì)對ZnO納米線陣列的形貌有著重要的影響。ZnO納米線的長度隨著生長時間的增加而增加，并且納米線陣列的垂直性變好。
　　二、利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）設(shè)備對納米線進行硅薄膜包覆，并借助FLUENT軟件模擬研究了硅薄膜

4、的立體生長特性。研究表明，納米線頂部的氣體流速大于納米線底部的流速，說明納米線頂部反應(yīng)基團供應(yīng)量比納米線底部的大，從而導(dǎo)致納米線頂部硅薄膜的厚度大于底部的厚度，而且納米線越長和硅薄膜沉積速率越快，硅薄膜包覆的不均性越明顯。
　　三、運用第一性原理，研究了硼(B)摻雜對ZnO性能的影響，并利用B2H6等離子體處理實現(xiàn)ZnO納米線陣列的B摻雜，研究了B2H6含量和射頻功率對ZnO納米線陣列性能的影響。結(jié)果表明，B摻雜ZnO后在導(dǎo)帶底形

5、成淺施主能級，使遷移率降低，載流子濃度增加，在可見光范圍內(nèi)吸收強度增加。
　　四、利用非晶硅（α-Si:H）層鈍化硅納米線陣列，研究了α-Si:H厚度對硅基納米線太陽能電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)電池的開路電壓和填充因子隨著α-Si:H層厚度的增加而增加，但厚度過大會影響電池效率；利用電子對超薄Al2O3具有隧穿效應(yīng)，采用原子層沉積系統(tǒng)制備超薄Al2O3層鈍化硅納米線太陽能電池中的N層硅薄膜，研究了Al2O3層厚度對電池性能的影響，獲得了

6、Al2O3層厚度與鈍化效果與隧穿電流變化之間的關(guān)系。
　　五、利用PECVD制備了n-Si:H薄膜，研究了制備工藝對薄膜和硅基納米線太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明，n-Si:H沉積功率對硅納米線電池的開路電壓影響較小，但是對短路電流密度影響較大，電池的效率隨著射頻功率增加而提高，但過高功率會降低薄膜對納米線的包覆均勻性，導(dǎo)致電池效率降低。同時電池效率隨著n-Si:H薄膜的厚度增加而降低。
　　六、以ZnO納米線陣列作為陷光結(jié)