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用于薄膜硅电池的周期纳米结构的研究

用于薄膜硅电池的周期纳米结构的研究

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作者：王大帅电子科技大学

学位级别：硕士

薄膜硅太阳能电池通过减小硅层的厚度来降低太阳能电池的制造成本。但由于硅本身在近带隙光波段的吸收系数很低,再加上薄膜硅太阳能电池的硅层厚度仅为几微米,导致薄膜硅对太阳光的吸收效率不理想,这在很大程度上限制了薄膜硅太阳能电... 详细信息

薄膜硅太阳能电池通过减小硅层的厚度来降低太阳能电池的制造成本。但由于硅本身在近带隙光波段的吸收系数很低,再加上薄膜硅太阳能电池的硅层厚度仅为几微米,导致薄膜硅对太阳光的吸收效率不理想,这在很大程度上限制了薄膜硅太阳能电池的应用。采用陷光结构能减少表面反射率并增加光在吸收层中的光程,可以有效提高薄膜太阳能电池的吸收效率。本论文对现有的陷光结构的分析基础上,提出了两种新型的周期性陷光结构:周期性倒楔形体结构和基于傅里叶级数的周期性纳米结构(Fourier-series based periodic nanostructure,fspn结构),并对这两种结构性能进行了理论和实验研究。主要研究内容如下:首先,针对目前研究广泛的周期性倒金字塔结构,提出了一种性能更优的周期性倒楔形体结构并对其进行了优化设计,并将其与平板电池结构、周期性倒金字塔结构进行光学和电学的分析。光学分析显示,这种结构比无结构的平板太阳能电池的短路电流密度高出62.3%,比优化后的周期性倒金字塔结构的短路电流密度高出11.4%。在角度响应方面,周期倒楔形体结构在60°范围内陷光性能几乎没有衰退。电学分析表明,这种结构可将薄膜硅太阳能电池的效率提升20.7%。然后,为了进一步提高角度不敏感性,提出了一种基于傅里叶级数的周期性纳米结构(fspn结构),通过全局优化的方法找出了最优的一维和二维fspn结构。一维fspn结构在硅吸收层仅为1μm的情况下短路电流密度就能达到24.7mA/cm。二维fspn结构的陷光能力进一步提升,短路电流密度提升至27.1 mA/cm,比周期性倒金字塔与余弦结构都要优越,且具有优异的全角度光吸收增强特性。最后,利用干涉光刻与湿法刻蚀结合,制备出了周期倒楔形体结构。利用干涉光刻在光刻胶上制备出三角周期孔洞阵列,然后用湿法刻蚀,将阵列传递到硅片上,最终制作出了最优的周期倒楔形体。这种周期倒楔形体结构的平均反射率能达到7.8%,比无结构的平板硅降低了76.5%,优于周期倒金字塔结构。

关键词：太阳能电池陷光结构周期倒楔形体 fspn结构干涉光刻

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