不同纳米结构减反射层对单晶硅太阳能电池效率的影响

【摘要】：近来,随着研究和生产技术的发展,太阳能电池将在传统能源领域发挥重大作用。硅系太阳能电池,特别是单晶硅太阳能电池的科研和生产已经相对成熟和稳定。调查发现,单晶硅太阳能电池在工业水平的转化效率可达18.8%,而其实验室转化效率为23.4%。可见,二者之间还存在着很大的差距,这就促使我们不断地研究和开发新的制造工艺来提高单晶硅电池的工业转化效率。根据光伏基础理论,光学和电学损失是决定太阳能电池的转化效率的重要因素。其中,光学损失包括表面反射,阻塞损失和材料本身的光谱响应。在光伏产业的发展进程中,人们探索了多种减少反射的方法,以便提高转化效率。减反射层作为减少光学损失的有效手段,一直是近年来的研究热点。常用的两种方法是在衬底上生长具有不同折射率的异质层或制备同质的绒面。相比于异质减反射层,绒面同质减反射层在制备方法和与衬底的键和方面表现出了更多的优势。 近年来,在抛光单晶硅衬底上生长纳米线作为减反射层的众多方法引起了广泛的关注。这些方法包括气-液-固相外延,化学气相沉积,电化学沉积,激光烧蚀,干法刻蚀和湿法刻蚀等。其中,金属催化湿法刻蚀,由于更简单的工艺过程和低成本操作使得其在工业生产水平制备高性价比的减反射层成为可能。最近,有研究者制备了一种兼有金字塔和纳米线二重结构的绒面减反射层,这样可获得反射率低至0.9%的优质减反射层。制备减反射层的目的在于提高太阳能电池的转化效率,但是化学刻蚀法制备的减反射层是非理想的光生载流子传输层。由于高表面复合存在,低反射率的减反射层往往并不能有效提高转化效率。 本文介绍的是分别采用HF/AgNO3溶液和HF/H2O2溶液两步相继刻蚀15.6×15.6cm2P型制绒单晶硅衬底制备硅纳米线的实验方法。通过控制硅纳米线的长度和分布情况,制备出了兼具金字塔和线形双重结构并呈现出不同反射率的减反射层。通过8组对比实验,获得了反射率在15.1%到5.5%之间变化的样品。得出的实验结论是密而长的纳米线具备更好的减反效果,但同时更高表面复合的存在也减低了电池的光电转化效率。鉴于此,我们在轴向长度为200nm的硅纳米线衬底上,制备出了效率为15.94%的单晶硅电池。 【关键词】：硅纳米线 化学湿法 减反射层 量子效率 效率
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 引言8-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 太阳能电池简介9-10
• 1.1.1 太阳能电池的发展历程9
• 1.1.2 太阳能电池的理论依据9-10
• 1.2 太阳能电池的分类10-11
• 1.2.1 按电池衬底材料分类10
• 1.2.2 按电池结构分类10-11
• 1.3 硅电池简介11-12
• 1.4 本论文的内容和意义12
• 1.4.1 本论文的内容12
• 1.4.2 本论文的意义12
• 本章小结12-13
• 2 单晶硅电池制造工艺13-21
• 2.1 太阳能级硅材料的制备13-16
• 2.1.1 太阳能级硅材料的提纯工艺13
• 2.1.2 单晶硅锭的制备13-15
• 2.1.3 单晶硅棒切片工艺15-16
• 2.2 制备单晶硅太阳能电池的工艺过程16-20
• 本章总结20-21
• 3 减反射层在单晶硅太阳能电池中的应用21-30
• 3.1 绒面制备21-22
• 3.1.1 制绒原理21-22
• 3.1.2 工艺参数对绒面制备的影响22
• 3.2 多孔硅结构制备22-24
• 3.2.1 多孔硅的制备原理23-24
• 3.2.2 影响多孔硅结构制备的因素24
• 3.3 纳米线结构制备24-27
• 3.3.1 化学湿法刻蚀硅纳米线的制备原理25-26
• 3.3.2 制备硅纳米线的影响因素26-27
• 3.4 薄膜减反射层制备27-29
• 3.4.1 薄膜减反射层制备原理27-28
• 3.4.2 工艺参数对薄膜减反射层的影响28-29
• 本章小结29-30
• 4 样品制备与表征设备30-38
• 4.1 样品制备设备30-32
• 4.1.1 PECVD沉积系统30
• 4.1.2 扩散炉系统30-31
• 4.1.3 等离子去边设备31-32
• 4.2 表征设备32-37
• 4.2.1 扫描电子显微镜32-34
• 4.2.2 反射率测量系统34-36
• 4.2.3 量子效率测量系统36-37
• 本章小结37-38
• 5 探究不同减反射层对单晶硅电池效率的影响38-47
• 5.1 湿法化学刻蚀制备金字塔/纳米线双重结构减反射层38-43
• 5.1.1 样品制备38-39
• 5.1.2 样品表征39-41
• 5.1.3 对比样品的制备41
• 5.1.4 对比样品的表征41-43
• 5.2 基于金字塔/硅纳米线结构减反射层制备电池43-46
• 5.2.1 太阳能电池的制备与参数测量43-44
• 5.2.2 结果分析与讨论44-46
• 本章小结46-47
• 结论47-48
• 参考文献48-51
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况51-52
• 致谢52-53

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