收藏本站
《上海交通大学》 2005年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

氢化纳米硅(na-Si:H)薄膜太阳电池研究

于化丛  
【摘要】: 人类社会的和平、文明进步和可持续发展是其永恒主题。一次能源面临枯竭和其使用引起的环境污染问题难以满足人类社会可持续发展的需要。因此,开发利用可再生的清洁能源并作为替代能源成为全社会急需解决的大问题。太阳能作为取之不尽、用之不竭且无污染的绿色能源,成为首选目标之一。 太阳电池是将太阳光能直接转换成电能的一种器件,目前已商业化的太阳电池是晶体硅(单晶硅和多晶硅)太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池等硅系列太阳电池,但晶体硅太阳电池具有原材料消耗大、成本高和能源偿还时间(EPT)长的缺点,而非晶硅薄膜太阳电池虽克服了晶体硅太阳电池的上述缺点,又存在转换效率低和光致衰减(S-W效应)问题,其他诸多化合物太阳电池则受资源限制并存在对环境的友善问题。因此寻找一种转换效率高、低衰减且成本低、资源丰富无污染并适于大面积生产的太阳电池,是光伏科学界的挑战,也是太阳能光伏发电承担从补充能源到替代能源转换的历史任务必须优先解决的问题。 氢化纳米硅薄膜(na-Si:H)是由纳米级硅晶粒和晶粒间界的非晶硅(a-Si:H)组成的两相混合体系。纳米尺度效应使其具有优异的光电特性和光敏性,高光吸收系数;高电导率,光电导在光照下的衰减小。特别是量子尺寸效应导致na-Si:H的光学带隙与其平均晶粒尺寸及晶态比具有一定的变化规律。利用na-Si:H的上述特点,根据太阳电池能带工程理论,可按太阳电池各功能层对光电参数的需要,设计并制作纳米硅薄膜太阳电池。 本论文用量子隧穿模型理论(HQD)研究了纳米硅薄膜的电学特性;用AMPS1D软件模拟计算了渐变光学带隙的na-Si:H薄膜p-i-n太阳电池的理论效率可达22.13%;采用射频溅射(RFS)法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备了氢化纳米硅薄膜,并通过原子力显微镜(AFM)、高清晰度电镜(HREM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、红外光谱(IR)以及吸收透射谱等方法进行表征、测试和研究了na-Si:H的结构、光学、电学特性,并根据纳米尺度效应机理,运用量子尺寸效应引起的带隙展宽效应理论,分析了实验中获得的na-Si:H颗粒尺度和晶态比与其光学带隙的关系规律;采用能带工程原理,首次设计出渐变光学带隙的氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池并建立该型太阳电池能带模型。首次采用na-Si:H,运用PECVD方法成功制备了渐变光学带隙氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池,光电转换效率达11.43%(有效面积:75.4mm2)和9.82% (有效面积:121.2mm2)(标准测试条件STC:AM1.5,1000W/m2,25℃);同时还制备了氢化纳米硅/单晶硅异质结太阳电池,光电转换效率达13.80%和13.50%(外形面积:800mm2,标准测试条件STC:AM1.5,1000W/m2,25℃),该指标达到了同类太阳电池的国际先进和国内领先水平。从理论和实验两方面证明了纳米硅薄膜太阳电池具有高效率、低成本和可大规模生产的特点,对na-Si:H薄膜太阳电池的规模化工业生产有重要意义。 本论文共七章,第一章和第二章为概述,分析了人类社会面临的能源和环境形势,介绍了国内外太阳电池和纳米硅薄膜的科研和产业的发展及水平,论述了氢化纳米硅薄膜的结构、制备方法及光电性质,分析了纳米硅薄膜的导电机制和I-V特性,给出了修正的纳米硅薄膜能带模型,简介了纳米硅薄膜的射频溅射和PECVD制备方法,分析了在室温条件下理论计算与实际测量结果之间存在差别的原因及存在问题,导入纳米硅薄膜太阳电池的优势。 第三章主要运用能带工程原理和na-Si:H颗粒尺度和晶态比与其光学带隙的关系规律,论述了na-Si:H可以根据太阳电池的各功能层的需要,调制光学带隙和设计其他光电参数,实现了渐变带隙na-Si:H pin太阳电池的结构和能带设计。并通过采用依据有限元法和Newton-Raphson算法解基于连续性原理的载流子连续性方程和Poisson方程的AMPS1D软件对其进行了模拟,比较了渐变带隙纳米硅薄膜太阳电池与常规纳米硅薄膜太阳电池的模拟结果,优化了i层厚度,表明渐变带隙的na-Si:H薄膜太阳电池具有更高转换效率和光谱响应,获得了渐变带隙的na-Si:H薄膜太阳电池的理论效率,这为渐变带隙薄膜太阳电池的制备提供了理论依据。 第四章测试分析了氢化纳米硅薄膜样品的结构特性、光学特性、电学特性等。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、红外光谱(IR)、椭圆偏振仪(SE)、扫描电镜(SEM)等测试手段,对用射频溅射法制备的氢化纳米硅薄膜样品进行了表征测试分析研究。结果表明,两种方法制备的纳米硅薄膜内颗粒尺寸都与薄膜生长过程中的氢气分压有密切关系。 第五章介绍了PECVD方法制备纳米硅薄膜的原理和纳米硅/单晶硅异质结太阳电池的结构及工作原理,并采用高清晰透射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、霍尔(Hall)测试等测试手段,对该方法制备的纳米硅薄膜进行了表征。通过工艺设计和优化,采用PECVD技术成功制备了纳米硅/单晶硅异质结太阳电池,该类太阳电池的I-V特性、温度特性和光照衰减特性进一步证明该类太阳电池的优异的性能,是一个具有突破性的成果。 第六章介绍了首次设计出渐变光学带隙氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池并建立该型太阳电池能带模型,论述了该类太阳电池的结构和工作原理,并在实验上首次采用na-Si:H,运用PECVD方法成功制备了渐变光学带隙太阳电池;光谱响应测试证明该类太阳电池比同类型非晶硅叠层太阳电池吸收了更大范围太阳光,而且光照稳定性好,具有可大规模生产和高效率、低衰减的特点,对太阳电池的规模化生产有重要意义。 第七章从理论和试验两方面对本论文进行了讨论,凝炼了本论文的创新点,并进一步对工作进行了展望。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TM914.4

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 何宇亮,褚一鸣,王中怀,刘湘娜,白春礼;纳米硅薄膜界面结构的微观特征[J];半导体学报;1994年01期
2 史国华,张溪文,杜丕一,韩高荣;纳米硅薄膜研究进展[J];材料科学与工程;1999年03期
3 彭英才,刘明,何宇亮;PECVD生长nc-Si:H膜的掺杂特性研究[J];河北大学学报(自然科学版);1999年03期
4 韩伟强,魏赛珍,韩高荣,毛祖遂,张建华,丁子上;纳米硅薄膜界面中的环形结构[J];科学通报;1996年16期
5 刘明,王子欧,奚中和,何宇亮;磷掺杂纳米硅薄膜的研制[J];物理学报;2000年05期
6 徐刚毅,王天民,何宇亮,马智训,郑国珍;纳米硅薄膜的低温电输运机制[J];物理学报;2000年09期
7 胡志华,廖显伯,曾湘波,徐艳月,张世斌,刁宏伟,孔光临;纳米硅(nc-Si:H)晶体硅(c-Si)异质结太阳电池的数值模拟分析[J];物理学报;2003年01期
8 彭英才,何宇亮;纳米硅薄膜研究的最新进展[J];稀有金属;1999年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李大成,周大利,刘恒,张萍,张云,龚家竹;纳米TiO_2的特性[J];四川有色金属;2002年03期
2 任成军,李大成,钟本和,周大利,刘恒,龚家竹;影响TiO_2光催化活性的因素及提高其活性的措施[J];四川有色金属;2004年04期
3 钱翼清,赵平,王卫华;烷基化纳米SiO_2/MMA乳液聚合物及其对PC的改性研究[J];工程塑料应用;2002年01期
4 王孝军,杨杰,龙盛如;纳米材料及其在工程塑料改性中的应用[J];工程塑料应用;2002年10期
5 刘建林,肖久梅,史孝群,龚春秀,马文江;纳米CaCO_3填充环氧树脂分散技术及力学性能研究[J];工程塑料应用;2003年03期
6 惠雪梅,张炜,王晓洁;环氧树脂/SiO_2,纳米复合材料性能的研究[J];工程塑料应用;2004年02期
7 安骏,吴海霞,辛寅昌;防高能辐射的树脂/纳米铅复合材料的制备及研究[J];工程塑料应用;2004年12期
8 郑海忠,张坚,鲁世强,徐志锋;选区激光烧结制备PS/Al_2O_3纳米复合材料的研究[J];工程塑料应用;2005年09期
9 安骏;刘吉华;辛寅昌;;树脂纳米铈防辐射复合材料的制备及其性能研究[J];工程塑料应用;2006年08期
10 郭冬勇,赵德国;纳米材料的现行测量技术[J];安徽教育学院学报;2002年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 乐士儒;栾野梅;安茂忠;;电沉积银纳米膜的光学性质研究[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
2 江慧绿;程成;马德伟;;PbSe量子点掺杂玻璃:制备及表征[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
3 杨黎明;VPW Shim;陈锋;龚明;;用高应变率大应变载荷制备纳米晶铜试件[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
4 王金相;张晓立;王经涛;赵铮;;爆炸加载制备纳米晶铜实验研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
5 王金相;周楠;赵铮;王小绪;杭逸夫;;爆炸载荷下纳米晶铜晶粒度分布及影响因素研究[A];第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2010年
6 李春霞;李立平;酒金婷;王柏华;;纳米粒子的表面改性研究进展[A];第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2002年
7 李星国;;纳米材料研究及其应用[A];第三届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2003年
8 张永文;陈英;;含纳米ZnO抗紫外整理剂的制备及性能研究[A];第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2004年
9 王敏;;纳米材料在丝绸文物保护上的应用[A];第四届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2004年
10 王东;路建军;齐宏进;;防水透湿织物上碳氟膜的纳米结构及均匀性的初步研究[A];第六届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谭淑媛;几种稀土发光材料的合成及发光性质的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王德广;金属粉末高致密化成形及其数值模拟研究[D];合肥工业大学;2010年
3 赵世华;ZnO纳米阵列的制备和稀土掺杂工艺及其发光性能的研究[D];湖南大学;2010年
4 周红洋;硫属化合物纳米材料的可控性合成与表征[D];中国科学技术大学;2010年
5 杜海军;石墨烯和荧光碳纳米颗粒的制备及其电化学特性的研究[D];华南理工大学;2010年
6 张贵军;聚丙烯酸酯/纳米氧化锡锑复合乳液的制备、表征及其在透明隔热涂料中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
7 王文涛;天然橡胶/蒙脱土纳米复合材料的阻隔性及相关性能研究[D];华南理工大学;2010年
8 于晓慧;金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究[D];江苏大学;2010年
9 游峰;面向微波应用的铊系高温超导薄膜研究[D];南开大学;2010年
10 赵佳飞;纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究[D];浙江大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张旭;纳米CeO_2-TiO_2复合介孔材料的制备及性能[D];河北大学;2009年
2 李艳冰;二元稀土氟化物的控制合成及光学性能研究[D];安徽工程大学;2010年
3 齐天骄;铟锡氧化物纳米微粒表面修饰研究及其悬浮液的制备[D];中国工程物理研究院;2010年
4 毛娟;用于矿灯充电的独立光伏系统研究[D];山东科技大学;2010年
5 杜守增;太阳能LED照明系统控制器的设计[D];山东科技大学;2010年
6 王青尧;锑基纳米材料的水热法制备及表征[D];山东科技大学;2010年
7 田维亮;线切割废砂浆制备白炭黑及改性研究[D];山东科技大学;2010年
8 尹永琦;多端耦合量子点体系量子输运特性的研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
9 谭鑫鑫;稀土离子掺杂纳米晶ZrO_2-Al_2O_3复合粉体的制备及发光性质的研究[D];哈尔滨师范大学;2010年
10 甘自保;贵金属及其合金/碳纳米管复合材料的制备与表征[D];哈尔滨师范大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 何宇亮,殷晨钟,程光煦,王路春,李齐;纳米硅薄膜结构分析[J];半导体学报;1992年11期
2 秦华,陈坤基,黄信凡,李伟;Triode PECVD氢稀释制备的nc-Si:H薄膜的新结果[J];半导体学报;1997年02期
3 何宇亮,褚一鸣,王中怀,刘湘娜,白春礼;纳米硅薄膜界面结构的微观特征[J];半导体学报;1994年01期
4 韩伟强,韩高荣,丁子上;纳米硅薄膜结构特性研究[J];半导体学报;1996年06期
5 彭英才,刘明,余明斌,李月霞,奚中和,何宇亮;nc-Si∶H/c-Si量子点二极管中的共振隧穿特性分析[J];半导体学报;1998年08期
6 何宇亮,刘湘娜,王志超,程光煦,王路春,余是东;纳米硅薄膜的研制[J];中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学);1992年09期
7 何宇亮,沈宗雍,颜永红;G.D.非晶硅薄膜的晶化特性[J];科学通报;1982年17期
8 白春礼;微机控制的扫描隧道显微镜[J];科学通报;1989年05期
9 王忠怀;戴长春;张平城;白春礼;何宇亮;;纳米硅薄膜的扫描隧道显微镜研究[J];科学通报;1993年21期
10 闵乃本,砂川一郎,塚本■男;晶体生长的层错机制及其生长动力学[J];物理学报;1988年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李长健,孙仲林,徐温元;非晶硅肖特基势垒太阳电池[J];太阳能学报;1981年03期
2 吴正军;顾晓峰;;缺陷浓度对非晶硅薄膜太阳电池性能的影响[J];电子与封装;2009年12期
3 远存达;蔡宁;赵颖;孙建;魏长春;苏燕;李媛;纪伟伟;张存善;熊绍珍;;染料敏化太阳电池工艺参数的优化[J];人工晶体学报;2009年01期
4 臧友松,王连杰,明长江,刘跃田;太阳电池激光扫描器[J];太阳能学报;1984年02期
5 蔡宁;李媛;赵颖;纪伟伟;张晓丹;熊绍珍;;PVDF基准固态染料敏化太阳电池的研究[J];太阳能学报;2010年03期
6 施敏;王强;孙玲;;ITO/Si/Al结构太阳电池pn结光电特性仿真研究[J];半导体光电;2010年04期
7 俞佩瑶;;利用太阳电池的大气监视装置[J];今日科技;1981年04期
8 史济群,成盛勇,马稚尧,周京英;太阳电池伏安特性测试仪的研制[J];华中理工大学学报;1998年05期
9 夏庚培,蔡伟,郑家贵,冯良桓,蔡亚平,黎兵,李卫,武莉莉,鄢强;CdTe多晶薄膜太阳电池的结构改进[J];太阳能学报;2005年03期
10 郭小勇;;染料敏化太阳能电池取得突破性进展[J];功能材料信息;2010年Z1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡林华;莫立娥;戴松元;;染料敏化太阳电池薄膜电极溶胶修饰及电子传输研究[A];中国化学会第十三届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2011年
2 袁兵;王一平;;强光条件下太阳电池表面温度分布的研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
3 蔡宁;赵颖;李媛;张晓丹;熊绍珍;;PVDF基准固态染料敏化太阳电池的研究[A];第十届中国太阳能光伏会议论文集:迎接光伏发电新时代[C];2008年
4 孔凡建;;太阳电池和光伏组件的质量标准[A];江苏省能源研究会成立二十周年纪念暨第十届学术年会热电专委会第十二届年会暨学术报告会论文集[C];2004年
5 陈双宏;翁坚;黄阳;王利军;戴松元;;染料敏化太阳电池的实用化研究[A];安徽新能源技术创新与产业发展博士科技论坛论文集[C];2010年
6 方霞琴;戴松元;王孔嘉;;染料敏化纳米薄膜太阳电池的实验研究[A];2004年全国太阳能光化学与光催化学术会议论文集[C];2004年
7 胡林华;戴松元;戴俊;刘伟庆;王孔嘉;;纳米多孔薄膜在染料敏化太阳电池中的应用[A];安徽节能减排博士科技论坛论文集[C];2007年
8 陈庭金;王履芳;涂洁磊;;MIp~+-Al_xGa_(1-x)As/p-n-n~+-GaAS太阳电池的电特性[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
9 孟昭渊;;太阳能路灯的普及为什么困难重重[A];上海市照明学会成立30周年庆典暨四直辖市照明科技论坛、长三角照明科技论坛、上海市照明学会2008年年会论文集[C];2008年
10 廖显伯;刁宏伟;胡志华;曾湘波;徐艳月;孔光临;;非晶硅基太阳电池p型界面的研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 青化 编译;太阳电池及其利用方法(十四)[N];电子报;2011年
2 青化 编译;太阳电池及其利用方法(十五)[N];电子报;2011年
3 青化 编译;太阳电池及其利用方法(二十)[N];电子报;2011年
4 青化 编译;太阳电池及其利用方法(二十一)[N];电子报;2011年
5 ;太阳电池及其利用方法 (二十二)[N];电子报;2011年
6 青化 编译;太阳电池及其利用方法(二十三)[N];电子报;2011年
7 青化 编译;太阳电池及其利用方法(二十四)[N];电子报;2011年
8 ;太阳电池及其利用方法(二十六)[N];电子报;2011年
9 青化 编译;太阳电池及其利用方法(二十七)[N];电子报;2011年
10 青化 编译;太阳电池及其利用方法(一)[N];电子报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 于化丛;氢化纳米硅(na-Si:H)薄膜太阳电池研究[D];上海交通大学;2005年
2 席曦;基于酞菁和富勒烯的有机太阳电池的研制及其相关系统与控制的研究[D];江南大学;2012年
3 王朋;晶体硅太阳电池中的电学复合行为[D];浙江大学;2011年
4 贺超;共轭聚电解质及氧化钼作为电极修饰层对聚合物太阳电池性能的影响[D];华南理工大学;2011年
5 张希;太阳电池透明电极与质子辐照三结太阳电池研究[D];复旦大学;2009年
6 黄海宾;热丝CVD法制备硅基薄膜材料及相关太阳电池模拟研究[D];南京航空航天大学;2010年
7 袁吉仁;新型硅基高效太阳电池的输运性能研究[D];南京航空航天大学;2011年
8 罗翀;多晶硅及碲化镉薄膜光伏材料关键制备技术的研究[D];南开大学;2010年
9 陈晓杰;InGaP/GaAs微结构材料GSMBE生长与特性及HBT和太阳电池器件研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2001年
10 王刚;太阳能利用中的热物理基础理论及实验研究[D];中国科学技术大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吕晶;基于P3HT:PCBM聚合物太阳电池的研究[D];北京交通大学;2011年
2 王淑珍;HIT太阳电池硅片处理及复合透明导电膜的研究[D];江南大学;2010年
3 沙磊;粉末涂敷法制备CuInS_2太阳电池光吸收层的研究[D];内蒙古大学;2011年
4 狄迪;氧化锌纳米结构太阳电池的制备及其光电性能的研究[D];陕西师范大学;2010年
5 李海燚;太阳电池缓冲层CdS和Cd_xZn_(1-x)S薄膜的制备研究[D];内蒙古大学;2011年
6 郜小勇;高效、低成本太阳电池的研究[D];郑州大学;2001年
7 陈伟;n型硅上丝网印刷制备Al-p~+发射极的研究[D];北京交通大学;2011年
8 杨丽;柔性染料敏化太阳电池高效率化研究[D];大连理工大学;2010年
9 吴宝山;大面积染料敏化太阳电池高效化研究[D];大连理工大学;2011年
10 霍秀敏;氧碳含量对太阳电池光电转换效率影响的研究[D];河北工业大学;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026