硅基納米結構太陽電池的先進陷光研究.pdf

1、第一代以單晶硅材料為主體的太陽電池成本高居不下且轉換效率已接近極限。薄膜太陽電池則可大大減少原材料消耗和減少電子空穴對復合帶來的損耗，是當今業(yè)界關注的焦點。薄膜太陽電池的核心技術在于如何利用更少的材料得到更高的光吸收和光電轉換效率。本文以硅基材料為研究對象，基于有限元方法在COMSOL Multiphysics軟件中實現(xiàn)硅基薄膜太陽電池的模型構建、仿真及設計。結合光子晶體、表面等離子體激元、納米線、納米圓錐和納米金字塔等光學結構和理論，

2、設計出三種新穎高效的陷光結構，并深入探究其陷光機制和分析電池的光電性能。論文主要工作和結論如下：
　　從共形結構陷光機理出發(fā)，提出一種200nm厚度共形Zigzag結構氫化非晶硅(a-Si:H)太陽電池。與平面結構、底部Rose結構和底部Zigzag結構比較，共形Zigzag結構太陽電池可實現(xiàn)低反射、寬帶光吸收增強響應。器件優(yōu)化設計發(fā)現(xiàn)，當周期為600nm、高度為130nm時，短路電路密度取得極大值（16.88mA/cm2）,較平

3、面系統(tǒng)增幅達32.90％，轉換效率為13.38%，對應增幅為33.53%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2013,38(23):5071–5074]。
　　研究了表面減反層和底部金屬反射光柵結構，提出一種表面碗狀、底部去頂金字塔結構晶體硅太陽電池，比較了5μm和10μm厚晶體硅薄膜太陽電池的光吸收響應。研究發(fā)現(xiàn)，光柵周期為700nm時，光電流均取得最大值，分別達到31.81和35.34mA/c

4、m2。在不同周期和占空比下，電池光吸收與平面系統(tǒng)相比均有不同程度提高，其最優(yōu)化系統(tǒng)光吸收很接近朗伯極限。探討了電池電學響應，包括外量子效率譜（EQE），電流-電壓特征曲線（I-V）和典型電學參數(shù)空間分布。研究表明，EQE譜可實現(xiàn)寬光譜增強，光電轉換效率可達15.51%[Zhenhai Yang et al. Optics Letters2015,40(6):1077–1080]。
　　提出一種底部月牙形腐蝕單納米線太陽電池（SNS

5、Cs），通過與圓形、表面月牙形殘缺、兩面月牙形殘缺和橢圓橫截面結構比較，底面月牙形殘缺SNSCs顯示出了前所未有的光吸收增強效應。通過反射譜、吸收譜及光學模式的比較與分析，挖掘出光吸收增強機理。通過不同尺寸的光吸收響應比較發(fā)現(xiàn)，新系統(tǒng)可實現(xiàn)寬帶低反射、寬光譜吸收增強，尤其在長波段出現(xiàn)很多強吸收峰。進一步研究表明，納米線對稱性的破裂對吸收峰數(shù)量和空間態(tài)密度影響不大，但對響應波長和吸收效率影響很大，在此作用下，短路電流可從8.46 mA/c