单晶硅薄膜的制备及在太阳能电池、SERS中的应用

【摘要】：提高单晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率、降低成本、提高制备面积,使太阳能电池更有效地应用于生产实践中,是科研工作者致力研究的方向。本文采用湿法腐蚀、薄膜沉积、退火和薄膜转移技术制备了纳米多孔硅薄膜和柔性单晶硅薄膜太阳能电池,提高了太阳能电池光电转换效率和制备面积。同时采用三维时域有限差分方法对纳米薄膜进行数值模拟,研究其物理机制,对实验结果给予理论解释。 1.通过湿法腐蚀、溅射、退火等工艺,在单晶硅表面制备了金字塔型纳米多孔硅抗反射薄膜。实验上测得其反射率在300-1050nm波长范围内小于2%,在现有的纳米多孔硅抗反射薄膜文献中达到最好结果。将其应用于薄膜或块体单晶硅材料的太阳能电池,可提高太阳能电池的光电转换效率。同时,本文使用周期性的单晶硅金字塔衬底作为模板,利用纳米压印方法制备聚合物太阳能电池抗反射薄膜。由于聚合物材料具有耐强酸碱性,柔软和对可见光的高透射性,使得这种薄膜既可作为柔性薄膜太阳能电池的抗反射薄膜又可作为太阳能电池的保护膜,可被广泛应用于各种柔性薄膜太阳能电池。 2.本文创新性地提出电极辅助转移(frame-Assisted Membrane Transfer, FAMT)技术,相对于传统转移技术,此方法的最大优点是工艺简单、可大面积的转移纳米薄膜。本文利用FAMT技术制备了大面积单晶硅和磷化铟材料的柔性薄膜太阳能电池。通过研究扩散、退火、弯曲以及转移对太阳能电池性能的影响,实验结果得到1.7gm厚的柔性单晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率为1.12%；1μm柔性磷化铟薄膜太阳能电池的光电转换效率为1%,其功率重量比已接近国际领先水平。此方法制备的薄膜太阳能电池不受基底材料的限制,提高柔性薄膜太阳能电池的适应性,可将其广泛应用于人们的生产生活中。 3.通过总结单晶硅金字塔腐蚀技术和金属纳米薄膜沉积技术,同时在调研现有周期性金字塔SERS衬底文献的基础上,本文首次在非周期性金字塔表面沉积金纳米薄膜制备SERS寸底。实验结果表明该衬底有效地提高了R6G探针分子拉曼光谱检测的灵敏度、强度和均匀性,其增强因子达到3.8×105。通过三维时域有限差分方法对此衬底进行数值模拟,来研究其物理增强机制。首次证明该SERS衬底的物理增强主要来自表面等离子体增强,同时发现这种增强位于金字塔与金字塔之间的交界线,我们称其为“热线”,其有效地提高了衬底增强的强度和均匀性。 【关键词】：纳米 拉曼光谱 多孔 表面等离子体 薄膜转移 太阳能电池
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• CONTENTS12-14
• 图表目录14-18
• 主要符号表18-20
• 1 绪论20-37
• 1.1 国内外进展21-25
• 1.2 薄膜的制备方法25-33
• 1.2.1 物理方法26-31
• 1.2.2 化学方法31-33
• 1.3 薄膜的基本性质33-35
• 1.3.1 纳米薄膜的基本效应33-34
• 1.3.2 纳米薄膜的物理特性34-35
• 1.4 本文主要研究内容与思路35-37
• 2 光与薄膜相互作用的数值模拟37-43
• 2.1 时域有限差分方法(FDTD)37
• 2.2 时域有限差分的数学模型37-40
• 2.3 数值稳定性40-41
• 2.4 边界条件41-42
• 2.5 色散介质FDTD42-43
• 3 单晶硅薄膜的制备及在太阳能电池抗反射薄膜上的应用43-63
• 3.1 纳米多孔硅抗反射薄膜的制备43-53
• 3.1.1 基本原理43-44
• 3.1.2 实验器材和实验步骤44-45
• 3.1.3 平面纳米多孔硅抗反射薄膜45-50
• 3.1.4 金字塔型纳米多孔硅抗反射薄膜50-53
• 3.1.5 平面纳米多孔硅的进一步研究53
• 3.2 柔性聚合物抗反射薄膜的制备53-61
• 3.2.1 纳米压印母模板的制作54-57
• 3.2.2 母模板的表面处理57-58
• 3.2.3 利用T-NIL方法制备聚合物抗反射薄膜58-59
• 3.2.4 聚合物抗反射薄膜在太阳能电池上的应用59-61
• 3.3 本章小结61-63
• 4 单晶硅薄膜和磷化铟薄膜的制备及在柔性薄膜太阳能电池的应用63-83
• 4.1 基本原理及实验仪器63-64
• 4.1.1 薄膜的转印技术63-64
• 4.1.2 实验器材64
• 4.2 利用FAMT技术制备大面积单晶硅柔性薄膜太阳能电池64-75
• 4.2.1 单晶硅薄膜太阳能电池64-65
• 4.2.2 实验步骤65-67
• 4.2.3 结果与讨论67-69
• 4.2.4 柔性单晶硅薄膜太阳能电池69-75
• 4.3 利用FAMT技术制备大面积柔性磷化铟薄膜太阳能电池75-81
• 4.3.1 实验步骤76-78
• 4.3.2 结果与讨论78-81
• 4.4 本章小结81-83
• 5 单晶硅薄膜的制备及在拉曼光谱上的应用83-103
• 5.1 拉曼散射的基本原理83-87
• 5.1.1 拉曼散射的经典理论84-86
• 5.1.2 拉曼散射的量子理论86-87
• 5.2 拉曼光谱的基础和优点87-88
• 5.3 拉曼光谱检测在现实中的应用88-89
• 5.4 在非周期金字塔上沉积金纳米薄膜制备SERS衬底89-97
• 5.4.1 实验仪器89-90
• 5.4.2 实验步骤90-91
• 5.4.3 结果与讨论91-94
• 5.4.4 数值模拟94-97
• 5.5 低温退火银纳米薄膜制备银纳米半球的SERS衬底97-102
• 5.5.1 原理97
• 5.5.2 实验仪器97
• 5.5.3 实验步骤97-98
• 5.5.4 结果与讨论98-100
• 5.5.5 数值模拟100-102
• 5.6 本章小结102-103
• 6 结论与展望103-106
• 6.1 结论与创新点103-104
• 6.2 创新点摘要104-105
• 6.3 前景展望105-106
• 参考文献106-117
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果117-119
• 致谢119-120
• 作者简介120-121

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