薄膜微晶硅太陽能電池亞微米周期陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、薄膜太陽能電池作為下一代光伏器件最具有競(jìng)爭(zhēng)力的角色,它們具有低成本、可實(shí)現(xiàn)柔性襯底上沉積以及易于發(fā)展光伏建筑一體化(BIPV)等特點(diǎn)。最近幾年,特別是微晶硅(μc-Si:H)太陽能電池已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注。最高穩(wěn)定效率為10.3％的薄膜微晶硅太陽能電池已經(jīng)研制成功。但是,因?yàn)槲⒕Ч杼柲茈姵氐暮穸鹊姆浅１?典型的厚度僅有0.8-1.5μm,且在長(zhǎng)波長(zhǎng)(600nm-1100nm)范圍的吸收系數(shù)很低。為了增加薄膜微晶硅太陽能電池長(zhǎng)波長(zhǎng)波段光吸

2、收,有效地陷光結(jié)構(gòu)是非常必要的。如何得到最佳的陷光結(jié)構(gòu),改善薄膜微晶硅太陽能電池的性能具有很現(xiàn)實(shí)的意義。
　　 本文在集成隨機(jī)織絨陷光結(jié)構(gòu)的薄膜微晶硅太陽能電池模型基礎(chǔ)上,采用亞微米周期結(jié)構(gòu)(一維三角光柵)作為微晶硅太陽能電池的陷光結(jié)構(gòu),通過數(shù)值計(jì)算優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu),分析光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)薄膜微晶硅太陽能電池在長(zhǎng)波長(zhǎng)波段相關(guān)性能的影響并獲得合適的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后,通過實(shí)驗(yàn)手段在鋁基底上自組裝形成亞微米周期凹槽型結(jié)構(gòu),分析該結(jié)構(gòu)的光學(xué)性

3、質(zhì),探索其作為薄膜微晶硅太陽能電池的背表面反射器的潛在陷光性能。主要工作內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　 第一部分提出用于薄膜微晶硅太陽能電池陷光結(jié)構(gòu)的亞微米周期性結(jié)構(gòu),即1D亞微米三角光柵。采用嚴(yán)格耦合波理論(RCWA)分析光柵的光學(xué)性質(zhì),研究光柵參數(shù)對(duì)其漫反射特性的影響。調(diào)節(jié)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),包括光柵周期和高度,得到漫反射性能較好的光柵參數(shù)。利用所得光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),采用時(shí)域有限差分(FDTD)法評(píng)估不同的光柵周期和高度在600nm-1100

4、nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)薄膜微晶硅太陽能電池的光吸收、量子效率、短路電流的影響,并與平面結(jié)構(gòu)作比較。最后得到光柵周期在800nm,高度為300nm時(shí),微晶硅太陽能電池的短路電流值最大,相比于平面結(jié)構(gòu)增加了3.8 mA/cm2。相比于微米級(jí)矩形光柵結(jié)構(gòu),最大短路電流提高了11.6個(gè)百分點(diǎn),證明了一維亞微米三角光柵的陷光性能更有效。
　　 第二部分采用鋁陽極氧化方法,成功地在鋁基底上自組裝了亞微米周期凹槽型結(jié)構(gòu),并將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于薄膜微晶硅太

5、陽能電池背表面反射陷光結(jié)構(gòu),分析其潛在的陷光性能。通過改變陽極氧化電壓,得到三組不同周期的背表面反射器。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌和微結(jié)構(gòu),得到凹槽周期和深度大小。通過紫外可見近紅外分光光度計(jì)測(cè)量了樣品的漫反射性質(zhì),分析了樣品周期大小與背表面反射結(jié)構(gòu)光散射特性包括絨度系數(shù)、角散射分布等的關(guān)系。最后得到,隨著周期的增大,樣品的光散射特性越好;當(dāng)凹槽周期為600nm時(shí),光散射強(qiáng)度甚至超過Asahi-U型結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果顯示,使用大周期