纳米结构在晶体硅太阳电池中

rain1978

光伏可再生能源是应对人类未来能源危机的重要途径之一，晶硅太阳电池是目前主流的光伏器件类型。将纳米结构与光伏器件结合，是目前的研究热点，能够提高太阳电池的光吸收，同时基于纳米柱结构可以制备径向p-n结太阳电池，提高载流子输运效率。研究纳米结构与晶体硅太阳电池的结合，尝试减少目前晶硅太阳电池中存在的光学损失、复合损失等，进行原理性的验证。  1) 利用湿法腐蚀制备出的纳米结构属于随机生长，其尺寸难以控制。利用两步法，先预分布金属颗粒再进行无电金属诱导腐蚀，进行了可控纳米结构的制备。经过测试，在没有减反膜的情况下，纳米结构阵列的反射率低于5%。具有良好的光学特性。同时，还尝试了利用低成本的金属镍代替较高成本的金属银作为诱导材料来制备纳米结构，制备出的纳米结构阵列反射率也能达到7%以下； 2) 制备出具有高效陷光层的纳米结构电池以及径向结电池：制备出纳米线太阳电池，利用纳米线阵列作为电池表面减反层，使得反射率低于3%；采用背面保护工艺，减少了纳米线电池背面复合，提高了背表面场钝化性能，使得电池的平均短路电流密度提高了2 mA/cm2，效率提高1%。制备出纳米孔太阳电池，保持5%以内的低反射率的同时，获得比纳米线电池更好的电学特性，开路电压平均提高30 mV，短路电流密度提高高约2 mA/cm2，效率提高约1%。制备出纳米柱径向结太阳电池，大大提高了电池中载流子传输的效率，使得电池的短路电流密度比平面参考电池高约3.3 mA/cm2。 3) 对纳米结构新型电池中出现的电极接触性能不良的问题进行了分析研究：纳米结构电池，由于其表面起伏度大，尺寸小，在电池制备过程中，丝网印刷的电极与电池表面存在着大量细小的空隙。这就严重影响了电极接触性能。针对这一问题，我们尝试了多种方法来改善电池的电极接触性能。首先是在制绒之后，利用激光刻槽划出栅线部分，再对准丝印电极，能够将电池平均串联电阻降低1.4Ω，而填充因子提高0.2，效率提高5%；另一种方法则是在制绒阶段，利用丝网印刷将电极区域涂上保护层，这样电极区域仍然保留平坦表面，在电极制备时，利用二次对准技术印刷电极，将电池串联电阻从平均降低了1.3Ω，填充因子提高0.22，效率提高4%；第三种方法则是利用了光诱导镀工艺，改善电极接触，通过在径向结电池上试验，平均串联电阻降低0.7Ω，填充因子提高0.15，效率提高4%。获得的径向结电池实验室最佳效率达到12%，高于平面参考电池的11.2%； 4) 对纳米结构新型电池的表面钝化研究：氧化硅和氮化硅叠层钝化，主要是先利用热氧化法生长一层约10nm的氧化硅薄膜，这样自氧化生长的薄膜能够很好地覆盖纳米结构表面，饱和悬挂键，减少缺陷。与传统氮化硅钝化相比较，有效少子寿命提高了约8μs。经过叠层钝化的纳米结构电池开路电压平均提高12 mV，短路电流密度提高2.4mA/cm2，效率提高1.5%。而三氧化二铝钝化是通过原子层沉积在纳米结构表面覆盖一层钝化膜，能够很好地形成保角沉积，有效少子寿命可从氮化硅钝化的20 μs提高到110 μs。电池的开路电压提高了8 mV,短路电流提高了3 mA/cm2，效率提高1.3%。而通过氧化铝钝化与光诱导镀结合的方式，实验室纳米结构电池效率可以达到13.3%，超过了常规参考电池的12%。