雙界面圖形化柔性薄膜太陽(yáng)能電池的界面調(diào)控及光電特性研究.pdf

1、由于加工成本和成本回收期的優(yōu)勢(shì)，薄膜太陽(yáng)能電池已成為傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。同時(shí)，薄膜太陽(yáng)能電池可以通過(guò)使用一些柔性的襯底來(lái)制備成柔性的薄膜太陽(yáng)能電池，在建筑光伏和可穿戴設(shè)備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能在很大程度上依賴于其光吸收性能的好壞，以及載流子的分離和收集能力。一般來(lái)說(shuō)，薄膜電池的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較短，電學(xué)性能較差。進(jìn)一步減小薄膜電池吸收層的厚度可以提高電荷的有效傳輸，但同時(shí)會(huì)減小其對(duì)入射光的有效吸收。因

2、此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的光管理技術(shù)來(lái)解決薄膜電池中光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)之間的矛盾已成為光伏領(lǐng)域一個(gè)非常重要的課題?；谶@種想法，本文提出了利用圖形化襯底來(lái)構(gòu)造納米陷光結(jié)構(gòu)以提高電池對(duì)光的捕獲能力;另外，通過(guò)在電池上表面覆蓋一層抗反射納米柱薄膜來(lái)減少對(duì)光的反射，進(jìn)一步提高電池對(duì)光的捕獲能力。具體的，本文首先在柔性鈦箔上制備了可控的圖形化納米凹坑陣列;隨后制備和表征了由聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)制成的抗反射

3、納米柱薄膜。以非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池為研究對(duì)象，將圖形化襯底和抗反射納米柱薄膜引入到器件中，詳細(xì)探討了這兩種納米結(jié)構(gòu)對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池性能的影響，并用有限時(shí)域差分法(FDTD)對(duì)圖形化薄膜太陽(yáng)能電池中的電磁場(chǎng)分布及傳輸模式進(jìn)行了分析。上述設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其他材料體系的薄膜太陽(yáng)能電池的研發(fā)同樣具有重要的指導(dǎo)意義，本文最后還提出了基于圖形化有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和方案。具體工作如下:
　　1、利用陽(yáng)極氧化的方法制備圖形化的

4、鈦襯底。在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，設(shè)置不同的陽(yáng)極氧化偏置電壓，可以獲得不同孔間距的TiO2納米管陣列。隨后，使用超聲或膠帶粘除的方法將TiO2納米管去除，可以發(fā)現(xiàn)留下的襯底具有納米凹坑的結(jié)構(gòu)，這便是圖形化的鈦襯底。在此基礎(chǔ)上，本文還研究了不同氧化時(shí)間對(duì)圖形化鈦襯底的形貌的影響。
　　2、制備PDMS抗反射納米柱薄膜。首先，通過(guò)多步陽(yáng)極氧化的方法制備V型多孔氧化鋁(AAO)薄膜;其次，將PDMS澆注到V型AAO薄膜上，并用氧等離子體清洗機(jī)通

5、過(guò)抽真空的方式去除殘留的氣泡;隨后，將V型AAO和PDMS一起放入烘箱，進(jìn)行加熱固化;最后，將PDMS與V型AAO模板分離，在PDMS薄膜上就會(huì)留下與V型孔道相反的納米柱結(jié)構(gòu)，這種薄膜就稱之為PDMS納米柱薄膜。
　　3、將圖形化鈦襯底和PDMS納米柱薄膜引入非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池中。研究發(fā)現(xiàn)，圖形化襯底具有寬波段的陷光作用，特別是在較長(zhǎng)的光波段;而PDMS納米柱薄膜可以有效的提高器件對(duì)短波段的光吸收。具體的，引入圖形化鈦襯底和PD

6、MS納米柱薄膜，器件的效率相比標(biāo)準(zhǔn)器件提高了37.6％。另外，在柔性性能方面，圖形化的器件同樣表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。特別的，在彎曲角度達(dá)到120度和彎曲次數(shù)達(dá)到10，000次的基礎(chǔ)上，器件的性能只有略微的下降。為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖形化結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響，本文采用FDTD的方法對(duì)器件進(jìn)行了模擬仿真，并驗(yàn)證了圖形化器件性能增強(qiáng)的機(jī)理是因?yàn)槠骷?nèi)部產(chǎn)生的波導(dǎo)模式和等離子體模式提高了光在器件中的傳播長(zhǎng)度和局域效果。
　　4、在上述研究的基礎(chǔ)上