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湖北大学学报（自然科学版） 2018年第4期40卷 368-373页

作者：马晓飞魏来朱祥朱玉华马鹏常李金华王建颖湖北大学材料科学与工程学院湖北武汉430062 武汉软件工程职业学院武汉市药物增溶工程技术研究中心湖北武汉430205 中山职业技术学院广东中山528400

通过水热-垂直沉积法制备了一种新型的荧光光子晶体薄膜,得到的荧光光子晶体具有鲜艳的色彩和良好的荧光性能.此薄膜在460 nm处有明显的反射峰,在440 nm处有很强的荧光峰.将此荧光光子晶体薄膜作为染料敏化太阳能电池背反射层时,可以将... 详细信息

通过水热-垂直沉积法制备了一种新型的荧光光子晶体薄膜,得到的荧光光子晶体具有鲜艳的色彩和良好的荧光性能.此薄膜在460 nm处有明显的反射峰,在440 nm处有很强的荧光峰.将此荧光光子晶体薄膜作为染料敏化太阳能电池背反射层时,可以将开路电压由0.75 V提高到0.77 V,短路电流由7.64 m A/cm2提高到8 m A/cm2,光电转换效率由4.13%提高到4.23%,可以提高2.42%的光电转换效率.

关键词：二氧化硅胶体碳点光子晶体背反射层

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荧光光子晶体背反射层增强染料敏化太阳能电池效率

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湖北大学学报（自然科学版） 2017年第4期39卷 343-346,392页

作者：戴广超魏来马晓飞王建颖马鹏常湖北大学材料科学与工程学院湖北武汉430062 武汉软件工程职业学院湖北武汉430205 中山职业技术学院广东中山528400

通过共组装单分散二氧化硅胶体和碳点的方法制备一种新型的荧光光子晶体薄膜,二氧化硅胶体粒子的粒径为180 nm,合成的碳点粒径为1 2 nm,共组装后制备的光子晶体薄膜同时具有鲜艳的色彩和良好的荧光性能.此薄膜的发射光谱在480 nm左右,... 详细信息

通过共组装单分散二氧化硅胶体和碳点的方法制备一种新型的荧光光子晶体薄膜,二氧化硅胶体粒子的粒径为180 nm,合成的碳点粒径为1 2 nm,共组装后制备的光子晶体薄膜同时具有鲜艳的色彩和良好的荧光性能.此薄膜的发射光谱在480 nm左右,可以将其用于染料敏化太阳能电池的背反射层.未加背反射层的染料敏化太阳能电池的转化效率为4.01%,而具有荧光光子晶体作为背反射层的染料敏化太阳能电池的转化效率达到4.27%,由此可以将光电转换效率提高6.2%.

关键词：二氧化硅胶体碳点光子晶体背反射层

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硅薄膜太阳能电池中光子晶体叠加结构的设计与模拟

硅薄膜太阳能电池中光子晶体叠加结构的设计与模拟

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作者：占成豪华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

经过数十年的发展,晶体硅太阳能电池的产业化应用已日趋完善。然而随着原材料的紧缺和制造成本的上涨,人们又将目光转向硅薄膜太阳能电池。除节约了大量的硅原料以外,它还具有对原材料要求更低、电学性能更好、应用范围更广和对光谱响... 详细信息

经过数十年的发展,晶体硅太阳能电池的产业化应用已日趋完善。然而随着原材料的紧缺和制造成本的上涨,人们又将目光转向硅薄膜太阳能电池。除节约了大量的硅原料以外,它还具有对原材料要求更低、电学性能更好、应用范围更广和对光谱响应更敏感等优点。但由于硅间接带隙的存在,使硅薄膜太阳能电池的厚度不足以吸收长波段的光子,从而导致其产生的光生电流和光电转换效率均比晶体硅电池低。为了增强吸收层对光子的吸收作用,延长光子在吸收层的传播路径和停留时间,常用微纳光学结构对其进行调控。在多种类型的光学结构中,光子晶体(Photonic Crystal,PC)因其光子带隙和慢光子效应等独特的光学性能被广泛运用于太阳能电池中。本文通过有限元法,设计出了多种PC多层膜结构抗反射层和一维(1D)+二维(2D)PC背反射层,模拟了太阳光在具有上述结构的硅薄膜太阳能电池中的传播过程,并分别计算了抗反射层和背反射层在电池工作波段(400-1100nm)的透射率及反射率。抗反射层可以降低太阳光入射时的反射率,使更多的光子进入吸收层。本文在优化后的多层膜结构抗反射层的基础上,叠加了槽型、光栅型、蛾眼孔型、蛾眼锥型PC结构,使抗反射层的透射效果相较原多层膜结构有着显著提高。多层膜材料由二氧化硅(SiO2)、二氧化硅-二氧化钛(SiO2-TiO2)复合材料、二氧化钛(TiO2)组成,槽和蛾眼孔由空气填充,光栅和蛾眼锥材料为SiO2。文中通过改变单胞的高度(深度)或者周期大小,测得不同结构参数下的PC多层膜抗反射层的透射谱。经计算,最佳结构参数下的1DPC槽型多层膜结构、1D PC光栅型多层膜结构、2D PC蛾眼孔型多层膜结构、2D PC蛾眼锥型多层膜结构抗反射层在400-1100nm的太阳能电池工作全波段平均透射率分别为98.71%、98.14%、98.65%、98.30%。其中,H=181nm、T=80nm的1DPC槽型多层膜结构平均透射率最大,比多层膜结构抗反射层高了 1.33%,提升幅度占到了可提升空间的50.76%。背反射层可以将穿过吸收层的入射光反射回吸收层,实现对短波光的二次捕获和对长波光的吸收利用。为此本文设计了一种由1D PC和2D PC组成的新型背反射层。单个1D PC由高、低折射率材料交替并周期性排列而成,2D PC单胞则由具有蚀刻周期性空气孔的晶体硅组成。将1DPC和2D PC叠加后,获得了一种作用于400-1100nm全波段的新型背反射层。经过计算,现有的1D+2DPC背反射层在有效作用区间470-1100nm的平均反射率达到了 97.85%,这比1D PC、2D PC、2D+1D PC、金属 Al、Ag 背反射层产生的 68.23%、81.29%、83.75%、90.41 和 96.84%都要高。另外对于470～800nm和800-1100nm两个窄波段,设计的4周期1D PC背反射层在短窄波段的平均反射率为97.55%。而在长窄波段上,设计的四层空气孔2D PC背反射层具有99.32%的平均反射率。综上,1D PC、2D PC、1D+2D PC背反射层分别对于短波段、长波段、全波段都有着优秀的反射效果。

关键词：硅薄膜太阳能电池光子晶体抗反射层背反射层透射率反射率

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薄膜硅太阳能电池的数值模拟、效率提升实验及技术经济性研究

薄膜硅太阳能电池的数值模拟、效率提升实验及技术经济性研究

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作者：陈昊华中科技大学

学位级别：硕士

薄膜硅太阳能电池成本低,柔性好,重量更轻,并且易于集成,已经变得越来越流行。由于薄膜硅材料原子结构较之晶体硅更复杂,且薄膜硅电池需要导电薄膜层并且发展时间比晶体硅电池时间短。因此增加了模拟薄膜硅电池、优化薄膜硅电池的实验... 详细信息

薄膜硅太阳能电池成本低,柔性好,重量更轻,并且易于集成,已经变得越来越流行。由于薄膜硅材料原子结构较之晶体硅更复杂,且薄膜硅电池需要导电薄膜层并且发展时间比晶体硅电池时间短。因此增加了模拟薄膜硅电池、优化薄膜硅电池的实验以及分析其技术经济性的难度。基于先进的界面友好的半导体器件模拟软件来进行设备仿真。对单结非晶硅,微晶硅和双结薄膜硅电池进行了模拟。并针对不同的电池选取了不同的参数进行电池性能的模拟优化研究发现:非晶硅材料中的悬链键密度对非晶硅太阳能电池的性能有着重要影响。由于微晶硅材料的带隙随着材料的晶化率变化而变化,对于微晶硅电池i层,存在一个最优禁带宽度,在该值下,电池有最优表现。搭建了非晶硅/微晶双结薄膜硅电池模型并用模拟证明两个单结结构间必须增加半反射层,以得到优良的J-V曲线和电池性能。进一步从材料化学上优化电池性能,对薄膜硅电池的背反射层进行实验研究。薄膜硅电池的效率取决于多种因素。一种简洁有效的办法是使TCO和硅吸收层之间的界面进行处理,使其粗糙,用来实现光的散射以增加光路,提高吸收。的实验主要研究了以掺铝氧化锌ZAO薄膜加臭氧处理过的溅射银层材料为TCO的薄膜太阳能电池的性能提升措施。发现适当时间的盐酸化学刻蚀和臭氧处理是改善银背反射层的光散射性质的有效方式。其中,40s是最优的化学刻蚀时间,臭氧处理30s是最佳处理溅射银时间。这些处理使银背反射层的表面上形成了致密的AgO颗粒,增加了银背反射层的粗糙度,因此可以实现高雾度值。这些增长也得到了太阳能电池外量子效率测量的支持;表明太阳能电池提高了对太阳光谱利用的效率。为了实现薄膜硅电池利用对传统能源的节约以及经济地使用这种新能源技术,从技术经济学角度对薄膜硅电池利用技术进行科学和系统的节能与技术经济学分析。薄膜硅电池技术综合分析体系建立在对技术本身的分析之上,基于我国国情,在该技术具有潜在的研发与应用价值的情况下针对该技术应用所产生的经济效应、社会效应和环境效应对其进行综合分析。应用十个大指标和27个小指标对薄膜硅太阳能电池技术的技术、经济和社会应用层面综合分析,最终该技术的得分为3.67(总分5分),说明该技术有着较好的综合效益。薄膜硅电池技术值得深入研究和推广。

关键词：薄膜硅太阳能电池半导体模拟背反射层优化实验节能分析技术经济分析

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GaAs基光电导开关灵敏度的研究

GaAs基光电导开关灵敏度的研究

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作者：霍雯雪中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：硕士

光电导开关具有极其优良的电学性质和光学性质,在高功率超宽带脉冲和超快电子学等众多领域具有广泛的应用前景。GaAs基光电导开关具有更强的耐压能力,更快的反应速度等特点使其已然成为光电导开关的主流器件。作为高功率的开关器件,器... 详细信息

光电导开关具有极其优良的电学性质和光学性质,在高功率超宽带脉冲和超快电子学等众多领域具有广泛的应用前景。GaAs基光电导开关具有更强的耐压能力,更快的反应速度等特点使其已然成为光电导开关的主流器件。作为高功率的开关器件,器件的响应时间,耐压能力和灵敏度已然成为衡量其性能优良的标准。其中器件的灵敏度直接关乎开关的导通能力,是开关器件的重要参数,故而如何提高器件的灵敏度,提升其导通能力是本论文撰写的目的所在。本论文将从提高器件的吸光能力和传输性能两个方面探究提高器件灵敏度的方法,主要的研究内容如下:为了提高脉冲光对器件的入射率,对光电导开关器件设计了表面减反膜结构层,包括单层减反膜和双层减反膜。基于905nm的脉冲激光和折射率为3.46的GaAs基衬底,单层减反膜的最优值为110nm的折射率为1.86的氮化硅薄膜,且尺寸在110nm左右的减反膜均对器件的灵敏度有所提高,且具有1%-160%的涨幅;同理双层减反膜对于灵敏度也具备很好的提高效果,并相较于单层减反膜具备更好的提高效果。同时为了兼顾器件的耐压性能,可以用奇数倍增加氮化硅厚度而实现目的。为了反射穿过衬底层的透射光,使得光能量能够被器件二次吸收,对光电导开关设计了背反射层结构。本论文当中利用Ag薄膜作为背反射层,提高了器件的吸光能力,最终对器件灵敏度有0-100%涨幅的提高;同时引入了纳米颗粒嵌入层的双层背反射层结构,阻止了Ag薄膜高温工艺下凝聚的现象并提高了背反射层对衬底的粘附性,进一步改善了器件的灵敏度特性。为了探究器件的电极结构对灵敏度的影响情况,分别表征了器件的电极间隙和电极形状对灵敏度的影响情况。结果表明电极间隙在8mm-2mm的改变过程当中,导通电流逐渐变大,故可以认为电极间隙的减小,器件灵敏度提高;然而受到光脉冲的限制,在电极间隙为2mm附近处存在光能利用率降低,故而电极间隙的最优解将位于2mm-4mm之间。同时电极形状的改变会影响电场在电极之间分布情况,由于圆形电极的电场分布最集中,故器件的灵敏度最高。综上所述,光电导开关器件可以通过设计表面减反膜结构层,背反射层结构,以及调整器件电极的间隙和形状等方面对其灵敏度的大小进行改善,并结合器件的耐压能力,优化出合适的器件结构。

关键词：光电导开关灵敏度减反膜背反射层电极结构

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