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《陕西师范大学》 2016年
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柔性电池的陷光及理论模拟研究

訾威  
【摘要】:柔性硅基薄膜太阳电池由于其原材料丰富、无毒、柔性、可携带、组件功率重量比高,因此在军工与民用领域都有广泛的市场需求。但是对于纳米晶硅(nc-Si:H)、非晶硅(a-Si:H)及非晶硅锗(a-SiGex:H)材料,由于其长波范围具有低的光吸收系数,因此衬底对于长波光的陷光能力是决定其电池性能的一个关键因素。本文一个重要的研究内容是通过优化新的陷光衬底结构以提高薄膜硅太阳电池的效率。另外为了理解衬底的陷光机制及光在电池里的传输、吸收、损耗等问题,需要采用光学模拟的方式获得。本文通过对纳米晶硅电池的陷光衬底进行系统的研究与优化,从而理解衬底的陷光机制,这是本文研究的第二个重点。最后探索新型的薄膜太阳电池结构是进一步提高薄膜电池效率及降低成本的关键,本文通过理论模拟探索新型的薄膜叠层电池结构,从而获得潜在的高效电池结构,这是本文研究的第三个重点方向。围绕着薄膜电池的这些方向,本论文主要开展以下几点的研究工作:Ⅰ.利用高温热蒸发工艺在柔性不锈钢衬底上制备自织构的Ag膜,研究Ag/ZnO背反对nip型纳米晶硅电池性能的影响。通过调控Ag层的沉积温度与速度两个工艺参数,得到不同表面粗糙度的Ag/ZnO背反,详细研究了不同的背反粗糙度对纳米晶硅电池性能的影响,发现当Ag/ZnO背反的粗糙度为23.6nm时,纳米晶硅电池可以获得最高8.82%的单结电池效率。当Ag/ZnO背反的粗糙度高于或低于23.6 nm时,纳米晶硅电池的效率降低。当背反的粗糙度达到49.7nm,电池性能变差,通过分析纳米晶硅电池在偏压下的量子效率(QE)变化以及分析电池的暗态J-V曲线,发现当粗糙度较大时,电池的二极管因子接近1.95,说明电池的体缺陷密度增加。而当背反的粗糙度为23.6nm时,获取的电池的二极管因子是1.56。最后成功地把优化的背反衬底应用在柔性a-Si:H/nc-Si:H叠层电池上,分别在小面积(0.25cm2)与大面积(200cm2)上获得了 12.68%与10.7%的初始电池效率。Ⅱ.合适的Ag纳米颗粒具有良好的光学散射特性,可以应用在薄膜电池里作为陷光背反使用。本文在柔性不锈钢衬底上,利用高温热处理薄的Ag膜形成分散的Ag纳米颗粒陷光背反。通过调节Ag膜的厚度,获得三个不同尺寸的Ag纳米颗粒背反,颗粒的平均尺寸分别为110 nm,320 nm以及680 nm。通过研究不同的Ag纳米颗粒背反对a-SiGex:H电池的影响,发现Ag纳米颗粒尺寸对电池性能有重要的影响,具体如下:①当Ag纳米颗粒尺寸为小尺寸ll0nm时,背反具有最强的寄生吸收,同时发现a-SiGex:H电池的吸收也是最强的,但是最终获得的电流是Ag纳米颗粒背反电池中最小的;②当Ag纳米颗粒尺寸为大尺寸680nm时,此时背反的寄生吸收为Ag纳米颗粒背反里最小的,但是其散射强度及大角散射强度低于Ag纳米颗粒尺寸为320 nm时的背反,最终电池的电流密度低于Ag纳米颗粒尺寸为320nm时的背反电池。③当Ag纳米颗粒的尺寸为320 nm时,背反具有最强的大角度散射强度及雾度,尽管背反的寄生吸收大于Ag纳米颗粒尺寸为680nm的背反,最终电池获得最高的电流密度及电池效率。相对于平面背反电池,电流的绝对值提高了 3.0mA/cm2,即19.5%,电池效率提高约21%,由此可以得出Ag纳米颗粒尺寸对电池电流有着非常重要的影响,而背反衬底的大角度散射强度、寄生吸收以及全反射等这些因素相互作用而决定了电池的最终电学性能。最终我们获得了优化的Ag纳米颗粒陷光背反,并成功应用在a-Si:H/a-SiGex:H叠层电池里。同时通过光学模拟区分了 Ag纳米颗粒陷光与电池表面粗糙引起的陷光效应这两者的比重。Ⅲ.研究光在电池里的传输需要数值求解麦克斯韦方程组获得,本文通过时域有限差分法(FDTD)模拟优化周期性三角光栅结构来提高纳米晶硅电池的陷光性能。利用粗糙度Sa及斜率k定义周期三角光栅的单元结构,研究了纳米晶硅电池里的光电场强弱分布、电池的电流以及载流子的产生速率分布与三角衬底的参数Sa及斜率k的关系,给出了最优的三角结构。当Sa= 400 nm,k=1.0时,三角衬底上1微米厚度的纳米晶硅可以获得高达27.0 mA/cm2的光电流。而此结构下的纳米晶硅材料内高载流子产生区域集中在顶部区域,中间区域为低速载流子产生区域。通过分析纳米晶硅电池里的光学损耗发现,ITO与Ag层是电池里最主要的光学损耗部分,电流损耗分别达到4.07 mA/cm2与2.37mA/cm2,占据总膜层损耗的54.48%和31.72%,因此降低这些光学损耗可以进一步提高吸收层的吸收。通过设计新的陷光衬底结构,降低了电池里的Ag层寄生吸收,最终在1微米厚度的纳米晶硅电池里获得了27.98 mA/cm2的电流密度。IV.在优化的三角光栅结构上(Sa=400nm,k=1.0)研究以钙钛矿材料作为顶电池与以c-Ge材料作为底电池的新型叠层电池结构的光学特性,通过FDTD光学软件模拟,给出了不同结构叠层电池里的电场强度分布、电池的吸收、上下结电池的电流密度、上下结电池吸收层里的载流子产生速率分布以及分析叠层电池里的光学损耗,并给出了损耗的定量值,最后获得优化的电池结构及给出该类型电池潜在的电池效率。发现当钙钛矿与c-Ge的厚度都是750 nm的时候,叠层电池的上下结的电流密度实现优化匹配,其中钙钛矿顶电池的电流密度为23.7mA/cm2,底电池的电流密度为24.0mA/cm2,叠层电池的总电流密度为47.7 mA/cm2;通过分析该优化叠层电池里的光学损耗,发现ZnO:Al是主要的光学损耗;同时发现由于叠层电池反射而导致较大的光学损失,电流损失达到5.6mA/cm2;最后获得优化的钙钛矿/c-Ge叠层电池的潜在效率可达到28.4%,此时对应叠层电池的开压为1.50 V,FF为80%,电流密度为 23.7 mA/cm2。
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1 訾威;柔性电池的陷光及理论模拟研究[D];陕西师范大学;2016年
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