玻璃衬底多晶硅薄膜太阳能电池及其背反射器的研究

【摘要】：为解决化石能源面临枯竭的危机和严重的环境污染问题，太阳能作为新型能源得到各国的广泛关注，太阳能电池成为对太阳能利用的主要途径。鉴于全球的需求量、原料的供应情况、制备工艺及材料特性等方面因素，玻璃衬底多晶硅薄膜太阳电池具有良好的发展前景。近年来，由于光子晶体在陷光等方面具有重要作用而普遍的应用于薄膜太阳能电池中，其中一维光子晶体应用最为广泛。 本文对太阳能电池的研究背景进行了简要的阐述，并介绍了太阳能电池的发展现状，同时深入分析了太阳能电池光伏发电原理及相关重要性能参数。此外，还对传统背反射器与光子晶体背反射器进行了详细的分析，最后提出了本文的选题依据及主要研究内容。 采用太阳能电池仿真软件PC1D对基于玻璃衬底的多晶硅薄膜太阳电池进行仿真模拟。为便于独立研究各层相关参数，本文对电池进行分区设置，系统分析了基区、发射区、背表面场（back surface field，BSF）层相关参数、表面复合速率、背反射率等对电池输出性能的影响。研究结果显示，基区的掺杂浓度和厚度、少子扩散长度对电池的光电性能具有重要影响，基区的最佳掺杂浓度为1.39×1016cm-3，虽然基区变厚有利于对光子的吸收，但是厚度并不是越厚越好，还要受到基区少子扩散长度的限制，基区电学质量一定时，当二者的比值约为1时，电池性能最好。较之于正表面复合速率，背表面复合速率对电池效率的影响更为显著，而基区少子扩散长度改善所带来的效果要明显优于表面复合速率改善引发的效果。减薄发射区厚度利于收集少子，发射区与BSF层的掺杂浓度对电池转换效率也有重要影响，BSF层厚度的选择也依赖于其少子扩散长度的大小。电池效率的改善还可以通过提高电池的背反射率来增加光子的利用率而实现。 对选取的Si和TiO2两种介质材料，采用离子束溅射沉积技术在衬底上交替溅射，制备了不同系列的一维光子晶体，并对样品的奇偶结构、周期数、晶格常数和填充率等相关参数对一维光子晶体反射性能的影响进行研究分析。实验结果显示，由于存在吸收损耗，对于周期数相同的一维光子晶体，其层数为偶数时反射性能最好。但是层数并非越少越好，一维光子晶体需要维持一定的周期性排列结构，周期为3的样品反射性能最优。表面形貌测试发现由样品层数增多而引起的表面粗糙度差异很小，可忽略散射损耗造成的影响，因而吸收损耗在对一维光子晶体反射性能差异的影响当中占据重要地位。当一维光子晶体的晶格常数和填充率发生变化时，反射峰的位置和反射率的大小也会相应的发生变化。综合一维光子晶体相关参数对反射性能的影响，结果表明由Si和TiO2两种介质组成的一维光子晶体，当Si厚度为50nm，TiO2的为80nm，并且周期数为3，总层数为6时，在550nm至1100nm的波段范围内，一维光子晶体的反射性能最好，最大的反射率可达84.8%。 【关键词】：太阳能电池 多晶硅薄膜 背反射器 光子晶体 模拟
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 玻璃衬底多晶硅薄膜太阳能电池的发展现状11-12
• 1.3 太阳能电池的电学模型12-15
• 1.4 太阳能电池背反射器的研究进程15-18
• 1.4.1 传统背反射器15-17
• 1.4.2 光子晶体背反射器17-18
• 1.5 本文的选题依据及研究内容18-20
• 1.5.1 选题依据18-19
• 1.5.2 研究内容19-20
• 2 电池仿真软件与样品的制备、表征技术20-24
• 2.1 太阳能电池仿真软件—PC1D20-21
• 2.2 样品的制备技术21-22
• 2.3 样品的表征方法22-24
• 2.3.1 紫外/可见/近红外分光光度计22
• 2.3.2 原子力显微镜22-23
• 2.3.3 扫描电子显微镜23-24
• 3 玻璃衬底多晶硅薄膜电池的性能优化24-38
• 3.1 器件设计24-25
• 3.2 模拟结果与分析25-37
• 3.2.1 基区参数对电池性能的影响25-30
• 3.2.2 表面复合速率对电池性能的影响30-32
• 3.2.3 发射区参数对电池性能的影响32-34
• 3.2.4 BSF 层参数对电池性能的影响34-35
• 3.2.5 背反射率对电池性能的影响35-37
• 3.3 本章小结37-38
• 4 一维光子晶体结构参数对反射性能的影响38-51
• 4.1 一维光子晶体的结构模型与参数38-39
• 4.2 奇偶层结构对反射性能的影响39-41
• 4.2.1 样品的设计与制备39
• 4.2.2 测试结果与分析39-41
• 4.3 周期数对反射性能的影响41-45
• 4.3.1 理论计算41-42
• 4.3.2 实验设计42
• 4.3.3 测试结果与分析42-45
• 4.4 晶格常数及填充率对反射性能的影响45-50
• 4.4.1 样品的设计与制备45-46
• 4.4.2 结果与讨论46-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 结论51-52
• 参考文献52-58
• 致谢58-59
• 攻读学位期间取得的科研成果清单59

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