金屬納米結構電極的構筑及其在太陽能電池中的應用.pdf

1、第一代硅太陽能電池是以高能耗、高污染為代價的生產(chǎn)加工方式來實現(xiàn)的。雖然具有高的效率，而在和傳統(tǒng)化石類能源的市場競爭中處于劣勢。主要原因在于發(fā)電成本太高。在保持效率的同時降低成本是太陽能電池是否取得市場競爭優(yōu)勢的關鍵。第二代太陽能電池致力于大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本，薄膜化可以減少吸收層材料的使用量，降低成本的同時，又有利于光生載流子的分離與收集，提高光電轉(zhuǎn)化效率。但第二代太陽能電池存在光吸收不足的問題；第三代太陽能電池主要是基于納米結構太陽能

2、電池，通過引入一些新的物理機制來實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化效率的提高；采用低成本的加工手段或采用低品質(zhì)的吸收層材料，使之納米結構化等。太陽能電池由體材料、薄膜或超薄膜材料向納米結構材料過渡的過程，正是大規(guī)模生產(chǎn)方式（roll-to-roll）逐漸實現(xiàn)，生產(chǎn)成本降低的過程。在這個過程中，存在許多問題需要解決。其中，與roll-to-roll大規(guī)模生產(chǎn)方式相匹配的可彎折透明導電電極的問題，新型薄膜材料的光吸收不足的問題是人們關注的熱點。
　　根據(jù)

3、以上的問題，本論文做了以下三個方面的工作：
　　1.針對銦錫氧化物（ITO）薄膜在roll-to-roll大規(guī)模生產(chǎn)方式應用中存在易碎性、在紫外/藍色光譜范圍的強吸收等缺點；我們特別研究設計了一種納米結構金電極，其具有高透光、良好導電性、高功涵，良好的延展性，易于加工集成，和大批量生產(chǎn)方式的兼容性等優(yōu)點。通過有限差分時域法，我們對金方形網(wǎng)孔電極的周期、線寬和高度對光學透過率的影響進行了全場模擬分析；根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)，采用電子束曝光方

4、法制備了周期500nm，高度50nm，線寬60-100nm的金網(wǎng)孔電極，在300到700nm之間，金網(wǎng)孔電極測試的光學透過率約70％，700-1000nm范圍透過率超過80%。測試的光學透過率和計算結果一致。金納米結構透明電極的光學透過率受到局域化表面等離子體共振吸收，表面等離子激元吸收，金反射等因素影響。測試的電阻率是商用ITO的兩倍，約為74.5Ω/m2，遠高于理論值，這主要和一些制備缺陷有關。本工作為金屬透明電極的設計提供一些有益

5、參考。
　　2.面對新型薄膜太陽能電池的光吸收不足，特別設計了一種具有表面等離子體光吸收增強效應的銀柵-超薄 ITO復合上電極，用于超薄硅太陽能電池。二維十字型銀柵網(wǎng)格被引入超薄銦錫氧化物中，超薄的銦錫氧化物薄膜主要起到收集光生電荷、減反射膜的作用，二維銀柵扮演著電荷輸運和光吸收增強的作用。有限時域差分模擬結果表明，優(yōu)化的銀柵-銦錫氧化物復合上電極太陽能電池獲得61%的光吸收增強。超薄硅支持法布里-珀羅共振模，二維銀柵引入了波導模

6、、局域化表面等離子體共振模、表面等離子激元，多種效應種協(xié)同促進超薄硅的光吸收增強。
　　3.背襯底金屬納米結構能夠耦合垂直入射光進入橫向傳播的表面等離子激元模，從而實現(xiàn)光路徑的增加及光吸收增強。本章設計了一種正六邊形凸起金結構，采用電子束曝光的工藝流程制備了金結構陣列，并以此為結構化的背襯底，用以增強薄膜Cu2O-ZnO太陽能電池的光吸收。結果表明，引入凸起結構后造成了Cu2O-ZnO pn結界面質(zhì)量變差，缺陷復合增多，增加反向飽

7、和暗電流，導致開路電壓降低；同時由于Cu2O的有效吸收范圍小于650nm，而納米結構化背電極支持的表面等離子激元模不在此范圍內(nèi)，造成整個電池的短路電流沒有提高。金屬納米結構的表面等離子體共振吸收增強的過程存在著歐姆吸收損失的特征，需要對結構進行合理的設計，才能實現(xiàn)光吸收增強及效率提高。
　　本論文的創(chuàng)新點主要包括：
　　針對當前新型薄膜太陽能電池所面臨的問題，一是能夠匹配大規(guī)模生產(chǎn)方式的柔性透明電極的設計和制備技術，二是新型