基于介质纳结构表面的高效GaInP太阳能电池研究

【摘要】：鉴于Si、III-V半导体的高折射率和大色散关系,降低表面反射对太阳能电池、光电探测器等光电转换器件提高光吸收和光电转换效率来说是至关重要。通常实现减反的方法是蒸镀单层或多层减反膜,但该种基于干涉相消原理的减反效果不能满足太阳光谱的需求,且该种减反膜的减反效果对入射光的入射角非常敏感,也不适合太阳能电池全天候获得高效。近年来,多种纳米结构从理论上和实验上均证明其可获得较好的宽谱广角减反效果,成为太阳能电池优化表面获得高效的热门方案。本文以实现Ga In P单结电池高效减反、提高电池光电转化效率为目标,从理论模拟、纳结构制备、性能表征三方面系统研究了适用于该电池的介质纳米结构,为该类电池早日实现大规模工业化生产奠定了基础。实验结果显示:1.当表面纳结构为周期性结构时,选用H=650 nm,Si Ox材质,底部为10 nm Si Ox+50 nm Si Nx组合时电池拥有最高效率,相较平板电池的24.42%提升了4.27%;当表面纳结构选取非周期性结构时,选用H=550 nm,Si Ox材质,底部为40 nm Si Ox+50nm Si Nx组合时电池拥有最高效率,相较平板电池的24.42%提升了4.48%。2.相较平板Ga In P电池和表面制备单层减反膜Ga In P电池而言,表面制备介质纳结构的Ga In P电池表面反射在宽光谱、广角度均得到有效降低。根据8°入射角条件下测量值计算得到的电池表面平均反射率从平板电池的35.52%降低到单层减反膜的13.76%,并进一步降低到介质纳结构的5.69%,最终实现纳米结构高效宽谱广角减反功能。3.相较平板Ga In P电池和表面制备单层减反膜Ga In P电池而言,表面制备介质纳结构的Ga In P电池在AM 1.5G条件下所测光电转化效率得到大幅提高,从平板电池的9.19%增加到单层减反膜的14.05%,并进一步提高到介质纳结构的15.10%。该转换效率提高是其开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)三者增加的结果,而这种效果应归因于表面介质纳结构的高效减反钝化性能。 【关键词】：GaInP电池 介质纳米结构 纳球光刻 宽谱减反 钝化
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 太阳能电池11-12
• 1.2 III-V太阳能电池发展趋势和存在的问题12-14
• 1.2.1 III-V太阳能电池发展趋势12-13
• 1.2.2 III-V太阳能电池存在的问题13-14
• 1.3 III-V太阳能电池表面减反膜的分类及发展14-17
• 1.3.1 减反膜的分类14-15
• 1.3.2 减反膜的发展及研究现状15-17
• 1.4 本论文工作的意义及主要内容17-19
• 第二章 理论与实验基础19-31
• 2.1 理论基础19-24
• 2.1.1 严格耦合波分析理论19-23
• 2.1.2 严格耦合波分析理论的应用23-24
• 2.2 实验所用设备24-31
• 2.2.1 金属有机化学气相沉积24
• 2.2.2 感应耦合等离子体化学气相沉积24-25
• 2.2.3 等离子体刻蚀25-27
• 2.2.4 椭圆偏振光谱仪27
• 2.2.5 分光光度计27-29
• 2.2.6 扫描电子显微镜29-30
• 2.2.7 太阳能模拟器30-31
• 第三章 GaInP电池的理论模拟31-44
• 3.1 周期性表面纳结构电池仿真模型建立31-39
• 3.1.1 不同纳米锥高度对电池吸收的影响34-35
• 3.1.2 窗口层厚度对电池吸收的影响35-36
• 3.1.3 不同底部介质层厚度组合对电池吸收的影响36-39
• 3.2 非周期性表面纳结构电池仿真模型建立39-44
• 3.2.1 不同纳米锥高度对电池吸收的影响40-41
• 3.2.2 不同底部介质层厚度组合对电池吸收的影响41-44
• 第四章 宽谱广角减反纳米结构制备及其Si系太阳能电池应用44-59
• 4.1 纳结构制备44-50
• 4.1.1 制备掩膜46-48
• 4.1.2 刻蚀48
• 4.1.3 去除掩膜48-50
• 4.2 纳结构的Si系太阳能电池应用50-59
• 4.2.1 应用于Si基薄膜太阳能电池表面的宽谱广角减反纳米结构的研究50-54
• 4.2.2 应用于柔性a-SiGe:H太阳能电池表面SiNx复合结构的研究54-59
• 第五章 基于宽谱广角减反结构的GaInP太阳能电池制备和表征59-67
• 5.1 表面织构化单结GaInP电池的制备59-62
• 5.2 表面织构化单结GaInP电池的性能表征62-67
• 5.2.1 光学62-65
• 5.2.2 电学65-67
• 第六章 结论和展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 研究不足及展望68-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文74-76
• 致谢76-78

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