硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高光学专业论文.docx

复旦大学硕士学位论文 硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高第一章、绪论随着全球经济的发展,对能源的需求日益增大,与此同时,为抑制经济发展所造成的环境污染,环境保护的要求也越来越高,这使得对可再生的、绿色环保的能源的需求日显迫切。光伏发电产业是可再生能源的重要组成部分,主要的光伏太阳能电池有晶体硅(包括单晶硅和多晶硅)、非晶硅、砷化稼等电池,在研的有氧化钦敏化电池、多晶硅薄膜电池以及有机光伏电池等。尽管国内外对新型光伏电池以及新的光电转换机制的研究方兴未艾,但时至今日,以硅电池为代表的传统太阳能电池仍占据主导地位,在太阳能电站应用中,晶体硅电池更是占据90%以上的市场份额[1]。%图1、各类电池市场占有率(2001年)目前,商用单晶硅电池的光电转换效率在巧%一20%之间,晶体硅的电池效率仍有较大提升空间。对于空间电池来说,光电转换效率的提高,将减小空间设备的发射成本和使用风险;而对于地面光伏发电系统,提高光电转换效率将产生复旦大学硕士学位论文 硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高可观的经济效益[43,45】。因此,探索新途径新方法来提高现有晶体硅光伏电池的效率对于我国能源和航天工业具有重要的现实意义。图2、太阳电池结构图图2是太阳能电池的结构图。主要分为背电极、硅层PN结、栅电极(上电极)、防反膜、盖片几个部分。目前,提高硅光伏发电效率以及降低硅电池成本的方法,主要以改进硅电池制备工艺和结构为主,例如优化陷光工艺、多结电池、改进晶化技术、发展双面晶体电池结构以及纳米硅薄膜电池等。这些研究往往投入巨大,但从性价比来看,成效尚不明显。本研究从另外的视角,即“光频转换”,来探索一条新的途径。复旦大学硕士学位论文 硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高,柳厂心翔御solarsPeetruni e一51absorPtio; 吧8功兰巍60的 i介诀,灼拍。助 ,切 ~、烈溯卜~脚脚一鞠价日l加《n.)图3、太阳光谱和晶体硅电池响应曲线由图3可知,现有的晶体硅电池的光谱响应和太阳光谱存在较大差异,前者光谱峰值波长在800一90Onm,而后者在400一50Onxn。太阳能中蓝到紫外的一大部分光无法被晶体硅电池有效利用,而这部份能量在整个太阳能中占据相当份额,尤其是在高原地区和外层太空【1,47]。我们研究发现,通过制备镶嵌在二氧化硅中的硅纳米晶,能够吸收紫外光并发射出红到红外光,如图4所示。因此将这种样品与晶体硅电池相结合,通过硅纳米晶吸收晶体硅电池响应很差的紫外光部分,并转换成晶体硅电池响应很好的红光部分,便可以提高晶体硅电池的光电转换效率。复旦大学硕士学位论文 硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高5000︵一q︾q刀qu﹄eunoe﹄,口2000吕盆1000200 400 600 800W白velength(nm)图4、硅纳米晶的吸收谱和PL发射谱[41〕这种用硅纳米晶的光频转换来提高晶体硅电池转换效率的方法最重要的是要求硅纳米晶能够尽量多的吸收紫外光,而且还要具有较高的光频转换能力,能够最大限度的将紫外光转换成红光[2,41。评价这一特性优劣的一个指标是光致发光强度(PL强度)。如果硅纳米晶虽然有了较高的PL强度,但是不能吸收足够多的紫外光,或者虽然能够吸收足够多的紫外光,但是却没有较高的PL强度,都有可能会导致晶体硅电池的光电转换效率得不到提高。另外,由于硅纳米晶薄膜阻挡了一部分入射到电池上的太阳光,甚至反而会降低晶体硅电池的光电转换效率。因此,如何制备具有对紫外较好吸收,且高PL强度的硅纳米晶样品就显得至关重要[27,28]。基于以上叙述,本论文主要分为两个部分。首先,介绍如何获取具有较高PL强度的样品,并进行样品表征,如PL荧光强度测量、TEM、HR-TEM 测量、EDX 能谱分析等。其次,在获取了具有高光频转换特性的样品后,我们考虑将其应用于晶体硅电池上,并对其I一V曲线、光电转换转换效率等电池参数进行研究。我们分别研究了两种制备硅纳米晶的方法来提高电池的光电转换效率,一种是高温相分离的方法(第二、三章介绍),另外一种是腐蚀形成多孔硅的方法(第四章介绍)。以下便是具体的讨论分析部分。复旦大学硕士学位论文 硅纳米晶光频转换增强及晶体硅电池光电转换效率提高第二章、增强硅纳米晶的光致发光本章主要介绍了具有光致发光(简写为PL,又称光频转换)特性的硅纳米晶样品的制备和表征,分为三小节。第一节概括了当前制备硅纳米晶的几种方法;第二节介绍了制备硅纳米晶的实验原理和实验步骤;第三节具体讨论了用蒸发S订510制备硅纳米晶的方法,然后对样品进行了一些表征。1、硅纳米晶 (nc一Si:5102)的制备方法半导体纳米晶的制备方法总体来讲有两种,第一种