硅/有机物杂化太阳能电池的制备及性能研究

【摘要】：硅／有机物杂化太阳能电池结合了硅材料优良的光电性能,以及有机物成本低、易加工的优势,避免了传统晶体硅太阳能电池的高温制备过程,成为了人们研究的热点。本文制备了高效硅／聚3,4乙烯基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)杂化太阳能电池,研究了其载流子传输机制。通过对硅纳米线表面形貌进行优化,选择反射率以及成膜性两者结合最佳的条件,制备得到的硅纳米线/PEDOT:PSS杂化太阳能电池效率高达13.1%。此外还研究了非晶硅钝化作用,旨在寻求一种低温低能耗的钝化膜。本文的主要工作包括：(1)通过优化电池的制备工艺,得到效率高达11.3%的平面硅/PEDOT:PSS杂化太阳能电池。采用多种方式探索其载流子传输机制：(a)测试电容-电压特性曲线,得到内建电势为0.8eV,证实硅片已达到强反型状态；(b)测试变温暗场电流电压曲线,根据少子扩散机制,得到激活能为1.12 eV,与硅的禁带宽度相同,证明电池是p-n同质结；同时采用多子扩散机制得到势垒高度为1.01 eV,与电容-电压测试得到的数值不符,排除肖特基结；(c)测试正负偏压下电池的少子寿命,均没有变化,证实电池已处于强反型状态。综上,硅/PEDOT:PSS杂化太阳能电池属于反型电池,硅片近表面区域发生反型。(2)研究硅纳米线表面形貌对有机无机杂化太阳能电池的影响：采用金属辅助化学蚀刻法制备硅纳米线,通过优化表面形貌得到硅纳米线/PEDOT:PSS杂化太阳能电池,效率高达12.0%。通过结合氧化铝模板制备得到排列有序的硅纳米线,采用热氧化-氢氟酸处理,实现对硅纳米线直径的可控。采用最低反射率以及最低填充率的硅纳米线,制备硅纳米线/PEDOT:PSS杂化太阳能电池,PEDOT:PSS在最低填充率的硅纳米线上成膜较好,杂化电池效率高达13.1%。由于PEDOT:PSS使硅片反型,有效钝化硅片,提高少子寿命。(3)非晶硅对硅片具有良好的钝化作用,非晶硅层厚度为5nm时,少子寿命由21.0μs提高至57.5μs。采用本征非晶硅钝化硅片的双面和硅片的正面,制备得到的硅/PEDOT:PSS杂化太阳能电池效率分别为4.45%、5.61%。采用非晶硅做硅片的背场,制备的硅/PEDOT:PSS杂化太阳能电池,开路电压提升20 mV,内建电势提高0.13 eV。但其他参数均下降,导致电池效率下降至6.65%。分析其原因,可能是由于非晶硅薄膜电阻过大或非晶硅与PEDOT:PSS存在势垒影响了载流子的传输。 【关键词】：杂化太阳能电池 PEDOT:PSS 硅纳米线 反型 非晶硅 钝化
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-13
• 第二章 文献综述13-31
• 2.1 引言13-14
• 2.2 太阳能电池基础14-16
• 2.3 太阳能电池的种类16-22
• 2.3.1 硅太阳能电池16-17
• 2.3.2 有机太阳能电池17-18
• 2.3.3 有机-无机杂化太阳能电池18-22
• 2.4 硅纳米线的制备及其在光伏器件中的应用22-29
• 2.4.1 硅纳米线的制备方法22-25
• 2.4.2 硅纳米线在光伏器件中的应用25-29
• 2.5 本文的研究目的和意义29-31
• 第三章 实验方案及实验设备31-37
• 3.1 实验方案31-32
• 3.1.1 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池反型的证明31
• 3.1.2 硅纳米线/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的制备及性能表征31-32
• 3.1.3 非晶硅对硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的影响32
• 3.2 实验设备及测试仪器32-37
• 3.2.1 扫描电子显微镜32-33
• 3.2.2 热蒸发镀膜系统33
• 3.2.3 直流反应磁控溅射系统33
• 3.2.4 等离子体化学气象沉积33-34
• 3.2.5 电流-电压特性曲线测试系统34
• 3.2.6 量子效率测试系统34
• 3.2.7 电容-电压特性曲线测试系统34-35
• 3.2.8 少子寿命测试仪35-37
• 第四章 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池反型的证明37-49
• 4.1 引言37
• 4.2 实验37-38
• 4.2.1 PEDOT：PSS薄膜的制备37-38
• 4.2.2 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的制备38
• 4.3 结果与讨论38-47
• 4.3.1 PEDOT：PSS薄膜及硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池性能的表征38-41
• 4.3.2 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池电容-电压结果的讨论41-42
• 4.3.3 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池载流子传输机制的研究42-45
• 4.3.4 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池少子寿命的研究45-47
• 4.4 小结47-49
• 第五章 硅纳米线/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的制备及性能表征49-61
• 5.1 引言49-50
• 5.2 实验50-51
• 5.2.1 硅纳米线的制备50-51
• 5.2.2 硅纳米线直径的控制51
• 5.2.3 硅纳米线/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的制备51
• 5.3 结果与讨论51-58
• 5.3.1 MACE法制备硅纳米线及硅纳米线/PEDOT：PSS杂化太阳能电池51-55
• 5.3.2 AAO模板法制备硅纳米线及硅纳米线/PEDOT：PSS杂化太阳能电池55-58
• 5.4 小结58-61
• 第六章 非晶硅对硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的影响61-73
• 6.1 引言61-62
• 6.2 实验62-63
• 6.2.1 非晶硅薄膜的制备62
• 6.2.2 硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的制备62-63
• 6.3 结果与讨论63-70
• 6.3.1 非晶硅钝化对硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的影响63-67
• 6.3.2 非晶硅背场对硅/PEDOT：PSS杂化太阳能电池的影响67-70
• 6.4 小结70-73
• 第七章 全文总结73-75
• 参考文献75-83
• 致谢83-85
• 个人简介85-87
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果87

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