硅微納米結(jié)構(gòu)太陽電池的極限效率研究.pdf

1、微納米結(jié)構(gòu)太陽電池由于優(yōu)越的陷光特性和光電轉(zhuǎn)換能力備受矚目，而細(xì)致平衡原理是考量太陽電池極限效率理論最重要和最常用的手段，它表征理想光學(xué)、電學(xué)、材料等因素情況下，太陽電池能達(dá)到的最高效率，為高效的太陽電池設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。近年來，隨著微納米結(jié)構(gòu)太陽電池的飛速發(fā)展，其極限效率分析也有所發(fā)展。然而，對于該新興領(lǐng)域，電子空穴對的輻射復(fù)合機(jī)制、俄歇復(fù)合、多結(jié)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面還有大量工作有待深入。
　　本文以硅基材料為出發(fā)點(diǎn)，針對基于納米

2、線/納米孔陣列和立式/臥式單納米線太陽電池的細(xì)致平衡分析，系統(tǒng)的研究了光生載流子的產(chǎn)生、電子空穴對的輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合、電池的電流-電壓（I-V）曲線、光電輸出特性以及雙結(jié)電池的電流匹配等一系列光電轉(zhuǎn)換過程中的核心機(jī)制，旨在通過電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理機(jī)制上的創(chuàng)新獲得更高光電轉(zhuǎn)換效率的光伏器件。
　　本論文取研究成果總結(jié)如下：
　　（1）深入研究了硅納米線/納米孔陣列太陽電池的細(xì)致平衡原理，并引入俄歇復(fù)合，得到在俄歇復(fù)合和輻射復(fù)合

3、共同影響下的短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）和光電轉(zhuǎn)換效率（η）。進(jìn)一步地，在多物理場環(huán)境下對硅納米線/納米孔陣列進(jìn)行嚴(yán)格光電耦合分析。獲得電池結(jié)構(gòu)中光生載流子的分布規(guī)律、Jsc、Voc，η和I-V曲線等重要參量，并量化分析了輻射復(fù)合率和俄歇復(fù)合率。分析發(fā)現(xiàn)，對于硅納米線/納米孔陣列太陽電池而言，細(xì)致平衡分析和嚴(yán)格光電模擬得出的電學(xué)參量和輻射/俄歇復(fù)合率較為近似。
　?。?）從單納米線結(jié)構(gòu)的陷光機(jī)理出發(fā)，分別研究了臥式無

4、限長單結(jié)硅單納米線太陽電池和立式單結(jié)硅單納米線太陽電池的極限效率。在納米結(jié)構(gòu)太陽電池的極限效率研究上第一次考慮俄歇復(fù)合的影響。發(fā)現(xiàn)臥式無限長單結(jié)硅單納米線太陽電池在半徑300nm時(shí)極限效率~6.6％，較等厚度下的平板電池增幅為103%；由于天線效應(yīng)顯著，立式單結(jié)硅單納米線太陽電池在長度2000nm、半徑34nm時(shí)極限效率高達(dá)203%（注：此為效率與入射太陽光橫切面的選擇有關(guān)，符合能量守恒定律）。
　?。?）在臥式單結(jié)單納米線電池研

5、究的基礎(chǔ)上，開展了新型臥式雙結(jié)a-Si:H/μc-Si:H單納米線太陽電池的極限效率研究。研究表明，與單結(jié)μc-Si:H單納米線電池相比，臥式雙結(jié)單納米線電池在0-500nm所有半徑尺寸上都能達(dá)到~2%的極限效率提升；與單結(jié)a-Si:H單納米線電池比較，雙結(jié)設(shè)計(jì)只在大尺寸下可以得到更優(yōu)的極限效率。
　?。?）使用MaCE法研究了立式硅微米線陣列的制備過程，探討了MaCE的腐蝕機(jī)理，并通過控制變量法研究了曝光條件、顯影時(shí)間、溫度、催