薄膜太阳能电池电极材料及陷光结构的构建与研究

【摘要】：随着科技的不断进步，传统能源逐渐减少，并且造成巨大污染，薄膜太阳能电池以其清洁无污染的特性逐渐受到广泛的关注。如何提高太阳能电池的光电转化效率是研究薄膜太阳能电池的一个重要问题。其中，增加入射光强是提高光电效率的一个基本研究方向，本课题通过研究薄膜太阳能电池电极材料的制备，希望可以得到高透过率，低电阻率的优质电极材料，可以增加光在太阳能电池中的光程，进而提高转换效率。同时，通过Matlab模拟在衬底制备陷光结构后的光强分布，以此来得到最优结构模型。使用光刻的方法在石英衬底上制备该陷光结构，达到留住光能的目的。 具体研究内容及结果如下： 本课题分析了衬底温度和溅射功率对ITO薄膜性能的影响，发现衬底温度达到350℃时透过率最高，平均透过率可达92%；随着温度的升高薄膜电阻率逐渐降低，在450℃时电阻率最低可以达到4.28×10~（-4） cm。溅射功率为100W时所制得的ITO薄膜的电阻率较低，透光率最好。 分析了Al靶溅射功率以及压强对AZO薄膜性能的影响，结果为当铝靶溅射功率为25W时电阻率最低，随着铝功率的增大电阻率有增大的趋势，原因为载流子浓度有所降低。功率在30W时，透过率较好，达到80%以上。AZO的生长过程当中，压强对薄膜性能影响较大，随着压强的降低薄膜电阻率有降低的趋势，在实验范围内压强为3Pa时电阻率最低为3.14×10~（-3）·cm，载流子浓度为8.7×10~（19）cm~（-3），霍尔迁移率达到34.51cm~2V~（-1）s~（-1）。 通过Matlab模拟的陷光结构分别为5，10，15，20微米的光栅在f=1.0微米处的光强分布及各个主极大对应的光强倍数。可以看出5微米时的光强分布面积广泛，0级条纹的主极大约为入射光强的2.5倍。通过模拟选择了5微米最优结构，在石英衬底上光刻该结构，发现在光刻结构上生长的薄膜结构凹凸起伏，同样条件下生长的薄膜透过率有明显降低，因而增加了光在电池内部的传播路径，达到了陷光的目的。 为了进一步表征陷光结构的作用，本课题采用PECVD法制备了PIN型a-Si:H薄膜太阳能电池。通过对是否存在陷光结构的薄膜太阳能电池的性能测试，发现有陷光结构的电池短路电流密度为16.22mA/cm~2，较没有陷光结构的太阳能电池提高了3mA/cm~2，提高了非晶硅太阳能电池的效率。 【关键词】：ITO薄膜 AZO模拟 陷光结构 太阳能电池
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 薄膜太阳能电池10-11
• 1.2 透明导电氧化物薄膜11-17
• 1.2.1 ITO 薄膜制备及应用12-14
• 1.2.2 AZO 薄膜制备及应用14-17
• 1.3 陷光结构17-18
• 1.4 问题的提出及本课题主要研究内容18-20
• 第二章 透明电极的沉积及表征20-29
• 2.1 薄膜的制备方法和设备20-24
• 2.1.1 衬底清洗20
• 2.1.2 薄膜沉积基本方法20-22
• 2.1.3 磁控溅射制备 ITO 薄膜22-23
• 2.1.4 磁控溅射制备 AZO 薄膜23-24
• 2.2 薄膜性能测试方法及仪器24-27
• 2.2.1 薄膜的厚度表征24
• 2.2.2 薄膜方块电阻的表征24-25
• 2.2.3 薄膜透射率的表征25
• 2.2.4 薄膜载流子浓度与迁移率的表征25-26
• 2.2.5 薄膜表面形貌性能表征26-27
• 2.3 陷光结构制作及表征27-29
• 第三章 电极薄膜的结果测试及分析29-42
• 3.1 衬底温度对 ITO 薄膜性能影响29-32
• 3.1.1 温度对 ITO 薄膜可见光平均透过率的影响29-30
• 3.1.2 温度对 ITO 薄膜电学性能的影响30-31
• 3.1.3 温度对 ITO 表面粗糙度的影响31-32
• 3.2 功率对 ITO 薄膜性能影响32-35
• 3.2.1 溅射功率对 ITO 薄膜可见光平均透过率的影响32-33
• 3.2.2 溅射功率对 ITO 薄膜电学性能的影响33-35
• 3.3 掺杂比例对 AZO 薄膜性能影响35-39
• 3.3.1 掺杂比例对 AZO 薄膜电学性能的影响35-36
• 3.3.2 掺杂比例对 AZO 薄膜透过率的影响36-39
• 3.4 压强对 AZO 薄膜性能的影响39-41
• 3.4.1 压强对 AZO 薄膜电学性能的影响39-40
• 3.4.2 压强对 AZO 薄膜光学性能的影响40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 电极陷光结构研究42-52
• 4.1 陷光结构的构建及制备方法42-46
• 4.2 陷光结构的表征测试46-49
• 4.3 具有陷光结构太阳能电池的性能分析49-52
• 第五章 总结与展望52-54
• 参考文献54-59
• 发表论文和科研情况说明59-60
• 致谢60-61

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