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，太陽電池能達到的最高效率，為高效的太陽電池設(shè)計提供理論指導(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)合機制、俄歇復(fù)合、多結(jié)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計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，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)換過程中的核心機制，旨在通過電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理機制上的創(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：
　?。?）深入研究了硅納米線/納米孔陣列太陽電池的細致平衡原理，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）。進一步地，在多物理場環(huán)境下對硅納米線/納米孔陣列進行嚴格光電耦合分析。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，細致平衡分析和嚴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時極限效率高達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的腐蝕機理，并通過控制變量法研究了曝光條件、顯影時間、溫度、催