基于飞秒激光加工的硅太阳能电池

【摘要】： 太阳能电池是一种光能转换成电能的重要器件。目前,在单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物等众多太阳能电池种类中,非晶硅太阳能电池因其制作成本相对低廉而成为最有发展前途的新型太阳能电池之一。但由于非晶硅太阳能电池的光电转换效率较低,限制了其大规模生产。随着激光技术的发展,飞秒激光已经逐渐成为一种有效材料微纳加工工具。但是,目前采用飞秒激光直扫技术以提高硅太阳能电池效率的工作,尚鲜有报道。我们采用该直扫技术,对非晶硅太阳电池硅膜表面绒面处理,可较大提高电池效率。 本文主要从提高非晶硅太阳能电池光电转换效率的角度出发,基于现有的飞秒激光处理技术,分别对非晶硅太阳能电池的正面和背面进行直扫。在对太阳能电池背面处理时,通过恒速移动线偏振飞秒激光焦点对非晶硅pin太阳能电池裸露的n型硅膜表面进行处理,刻蚀出周期性条纹状结构,并在硅膜刻蚀区域表面上形成多孔微结构,然后比较经飞秒激光处理前后太阳能电池的光电转换特性,特别是比较处理前后的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)。结果发现:太阳能电池经过飞秒激光直扫后,Voc和Isc有着明显提高,两者乘积最大可增大为处理前9倍。对非晶硅太阳能电池正面处理时,恒速移动线偏振的飞秒激光焦点透过玻璃基底刻蚀在p型硅膜上,刻蚀出周期性条纹状结构。通过比较太阳能电池经飞秒激光处理前后的Voc、Isc我们发现两者乘积最大可变为处理前9倍。为进一步降低加工成本,我们又采用纳秒激光对非晶硅太阳能电池进行处理。实验发现,非晶硅太阳能电池经过纳秒激光处理前后,Voc、Isc两者乘积最大可增大为处理前2.7倍。 同时,我们初步讨论了(Voc×Isc)与激光能量和刻蚀间距的关系,以及硅膜表面多孔结构的形成对太阳能电池光电转换效率的提高所产生的作用。 【关键词】：飞秒激光 微纳加工 非晶硅 太阳能电池 纳秒激光
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景9
• 1.2 太阳能电池的发展9-15
• 1.2.1 太阳能电池产业发展现状及其发展趋势10-13
• 1.2.2 非晶硅薄膜太阳能电池的研究现状及其发展方向13-15
• 1.3 飞秒激光技术的发展及应用15-18
• 1.3.1 飞秒激光技术的发展15-17
• 1.3.2 飞秒激光在精微加工领域的应用17-18
• 1.4 研究工作的目的和意义18
• 1.5 主要研究内容18-20
• 第2章 硅太阳能电池的器件物理学20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 p-n 结理论20-23
• 2.2.1 半导体的能带理论和掺杂原理20-21
• 2.2.2 载流子的运动和p-n 的形成21-23
• 2.3 p-n 结的数学模型23-25
• 2.3.1 基本方程23-24
• 2.3.2 平衡下的p-n 结24-25
• 2.4 非晶硅太阳能电池特征25-31
• 2.4.1 非晶硅太阳能电池的结构25-27
• 2.4.2 非晶硅太阳能电池的参数27-29
• 2.4.3 光照下的非晶硅太阳能电池的等效电路和输出功率29
• 2.4.4 非晶硅太阳能电池的设计29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 基于飞秒激光加工的非晶硅太阳能电池32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 多晶硅太阳能电池的绒面处理技术32-34
• 3.2.1 酸腐蚀法制备多晶硅绒面的基本原理32
• 3.2.2 酸腐蚀产生多晶硅绒面的过程32-34
• 3.3 飞秒激光对非晶硅pin 太阳能电池的绒面处理34-42
• 3.3.1 飞秒激光对非晶硅pin 太阳能电池加工的实验条件34-35
• 3.3.2 飞秒激光对非晶硅pin 太阳能电池的正面加工35-37
• 3.3.3 飞秒激光对非晶硅pin 太阳能电池的背面加工37-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 基于纳秒激光加工的非晶硅太阳能电池44-48
• 4.1 引言44
• 4.2 纳秒激光对非晶硅pin 太阳能电池的正面加工44-45
• 4.3 纳秒激光对非晶硅pin 太阳能电池的背面加工45-46
• 4.4 本章小结46-48
• 结论48-49
• 参考文献49-54
• 攻读学位期间发表的学术论文54-56
• 致谢56

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