多孔硅的制备及其在太阳能电池上的应用

【摘要】：随着社会和科技的进步,我们对能源的需求越来愈多。目前大量使用的常规能源不仅数量有限,而且对地球环境严重污染和破坏生态平衡。太阳能是无毒无害、用之不尽的绿色能源,所以发展光伏发电技术很有必要。影响太阳能电池效率的两个重要因素,一是电池表面的光发射,使入射光能量受损,降低了入射光的利用率；另一个是制备电池的晶硅半导体材料,由于硅的禁带宽度限制,使得电池只对入射光中的可见光区响应率较高,导致很大一部分光子能量不能被吸收利用,也会影响电池效率。因此,降低电池表面的光发射或者使用光波转换材料提高电池响应谱与入射光谱之间的匹配,是提高电池效率的重要途径。针对这些,本论文对多孔硅陷光效应和下转换发光效应进行一系列研究。实验中通过纳米银颗粒催化腐蚀制备多孔硅陷光结构降低电池表面的光发射,利用电化学腐蚀法制备出发光多孔硅后,对颗粒表面化学修饰,配成溶剂旋涂于电池表面来增加电池对紫外光区光子的吸收利用,这些都能提高电池效率。取得的主要创新性成果如下：(1)分析了电池片表面光发射随反应温度及腐蚀时间的变化规律。发现反应温度在30℃～40℃时,制备出的多孔硅陷光效果最佳；而随着腐蚀时间的延长,多孔硅结构呈现规律变化,相应的电池片光发射出现先逐渐降低然后有所升高的现象,腐蚀时间在2-5min时电池片表面反射率在可见光范围内低于5%。(2)研究了电化学腐蚀法制备发光多孔硅的腐蚀工艺,利用光致荧光光谱探究了多孔硅的光致发光规律。当电流密度较小时,延长腐蚀时间,多孔硅发光会逐渐增强,但不宜过长；且随着电流密度的增大,多孔硅层的厚度增加,而多孔硅的发光强度增强。PL光谱显示多孔硅的发光峰位通常位于600 mn～700 nm,而电流密度变化影响较小。(3)研究了电解液的体积浓度配比和硅衬底对多孔硅发光性能的影响。发现电解液体积浓度比为：V(HF):V(C2H5OH)=1:1时腐蚀的多孔硅发光强度较好；而使用轻掺P型硅片制备的多孔硅发光强度更强,时效性也更好。(4)利用光致荧光光谱探究了在电流密度较大时腐蚀的多孔硅PL发光规律。发现不同硅衬底制得的多孔硅发光峰位不同,对应的发光机制也不同。(5)将一定浓度的表面修饰过的多孔硅颗粒溶剂旋涂到太阳电池表面,结果发现,电池的反射率有所降低,外量子效率增加,光电转换效率也提高。 【关键词】：纳米银颗粒 多孔硅 减反射 光致发光 下转换
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-14
• 第二章 文献综述14-30
• 2.1 多孔硅的概述14-15
• 2.2 多孔硅的形成机理15-17
• 2.2.1 Beale耗尽层和场强化模型16
• 2.2.2 载流子扩散限制模型16
• 2.2.3 量子限制模型16-17
• 2.3 多孔硅的制备方法17-21
• 2.3.1 化学腐蚀法17
• 2.3.2 电化学腐蚀法17-19
• 2.3.2.1 单槽电化学腐蚀法18
• 2.3.2.2 双槽电化学腐蚀法18-19
• 2.3.2.3 脉冲电化学腐蚀法19
• 2.3.3 光化学腐蚀法19-20
• 2.3.4 刻蚀法20
• 2.3.4.1 溅射刻蚀法20
• 2.3.4.2 气体刻蚀法20
• 2.3.4.3 蒸汽刻蚀法20
• 2.3.5 水热腐蚀法20-21
• 2.3.6 火花腐蚀法21
• 2.4 多孔硅的光致发光机理21-24
• 2.4.1 量子限制模型22
• 2.4.2 硅本征表面态模型22-23
• 2.4.3 量子限制-发光中心模型23
• 2.4.4 硅-氢键发光模型23-24
• 2.4.5 硅氧烯发光模型24
• 2.4.6 缺陷态发光模型24
• 2.4.7 氢化非晶硅模型24
• 2.5 多孔硅电化学形成机制24-25
• 2.6 多孔硅的后处理25-27
• 2.6.1 氧化处理26
• 2.6.2 金属钝化处理26
• 2.6.3 碳膜钝化26
• 2.6.4 氮钝化26
• 2.6.5 超临界干燥法26-27
• 2.6.6 表面化学修饰27
• 2.7 本论文的选题依据和研究内容27-28
• 2.8 本章小结28-30
• 第三章 实验原理与实验过程30-40
• 3.1 实验概述30
• 3.2 实验原理与方法30-34
• 3.2.1 金属辅助化学腐蚀法制备减反射多孔硅30-32
• 3.2.2 电化学腐蚀法制备发光多孔硅32-33
• 3.2.3 发光多孔硅颗粒应用于太阳能电池片33-34
• 3.3 实验设备34-36
• 3.3.1 电化学多孔硅腐蚀机34-35
• 3.3.2 快速热处理炉35-36
• 3.4 测试设备及其原理36-40
• 3.4.1 场发射扫描电子显微镜36
• 3.4.2 紫外可见吸收光谱仪36-37
• 3.4.3 光致荧光光谱仪37-38
• 3.4.4 太阳能电池I-V测试系统38-39
• 3.4.5 太阳能电池量子效率测试系统39-40
• 第四章 银催化制备减反射多孔硅40-46
• 4.1 引言40
• 4.2 减反射多孔硅的制备与讨论40-45
• 4.2.1 前言40-41
• 4.2.2 实验过程41
• 4.2.3 实验结果与讨论41-45
• 4.2.3.1 反应温度的影响41-43
• 4.2.3.2 反应时间的影响43-45
• 4.3 本章小结45-46
• 第五章 电化学腐蚀制备发光多孔硅46-60
• 5.1 引言46
• 5.2 恒流法制备发光多孔硅46-53
• 5.2.1 前言46
• 5.2.2 实验过程46-48
• 5.2.2.1 硅片清洗47
• 5.2.2.2 Al背电极的形成47
• 5.2.2.3 多孔硅的制备47-48
• 5.2.3 实验结果与讨论48-53
• 5.2.3.1 腐蚀时间对发光性能的影响48-49
• 5.2.3.2 电流密度对发光性能的影响49-51
• 5.2.3.3 电解液对发光性能的影响51-52
• 5.2.3.4 硅衬底对发光性能的影响52-53
• 5.3 施加大电流密度制备发光多孔硅53-57
• 5.3.1 前言53
• 5.3.2 实验过程53
• 5.3.3 实验结果与讨论53-57
• 5.3.3.1 不同硅衬底对多孔硅发光性能影响53-55
• 5.3.3.2 施加大电流密度剥离多孔硅颗粒55-56
• 5.3.3.3 多孔硅的发光稳定性和时效性研究56-57
• 5.4 本章小结57-60
• 第六章 多孔硅应用于太阳能电池60-68
• 6.1 引言60-62
• 6.2 多孔硅颗粒的应用与讨论62-66
• 6.2.1 前言62
• 6.2.2 实验过程62-63
• 6.2.2.1 颗粒改性62-63
• 6.2.2.2 颗粒应用63
• 6.2.3 实验结果与讨论63-66
• 6.2.3.1 反射率63-64
• 6.2.3.2 外量子效率64-65
• 6.2.3.3 I-V曲线65-66
• 6.3 本章小结66-68
• 第七章 全文结论68-70
• 参考文献70-78
• 致谢78-80
• 个人简历80-82
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果82

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