异质结太阳电池硅衬底绒面陷光结构的优化

硅异质结(SHJ)太阳电池作为备受关注的新型高效太阳电池,是在单晶硅表面沉积非晶硅薄膜制备而成的。将绒面结构的单晶硅衬底应用于异质结太阳电池,可以减少光的反射,增强光吸收的效率,从而提高太阳电池短路电流密度。利用湿法化学腐蚀对单晶硅衬底表面进行制绒,通过优化影响绒面形貌的几个关键参数,包括异丙醇浓度、时间、衬底类型和硅酸钠的含量,最终通过在n型单晶硅衬底上制绒,使波长为1011 nm处最低反射率从制绒前的34.7%降低到了9.14%,将制绒衬底应用到异质结太阳电池上,短路电流由32.06 m A/cm-2提升到36.16 m A/cm-2,有效地改善了SHJ太阳电池的性能。     

钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高

最近,旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注,主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池,其制备工艺简单、制备成本低且效率高.对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键,进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能.本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究,通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控,获得了相应的优化工艺参数.对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响,其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态,又可以增强P型发射层的暗电导率,提高了前表面场效应钝化效果.通过上述优化,制备出最佳的P-type emitter layer/aSi:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855μs和709 mV,表现出良好的钝化效果.应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池,转换效率达到18.76%,其中开路电压达到681.5 mV,相对于未优化的电池提升了34.3 mV.将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池,对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV,转换效率达到21.24%,证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.     

硅异质结太阳电池中钝化层和发射层的优化设计

本征钝化层及p型发射层对硅异质结太阳电池的性能具有重要的影响.本文在常规钝化层与晶硅衬底(c-Si)之间插入一层低功率、高氢稀释比沉积的超薄缓冲层,以此来提高钝化效果,并拓宽钝化层工艺窗口.此外,设计并制备了具有宽带隙、高电导特性的重掺杂纳米晶硅/轻掺杂p型双层复合发射极.实验结果表明,双层钝化层具有更加稳定与优异的钝化效果,钝化样品的少子寿命达到4.197 ms,隐含开路电压(implied-V_(OC),iV_(OC))达到726 mV.同时双层复合发射层中,轻掺杂的掺杂层可以减弱掺杂剂向本征钝化层的扩散,保证良好的钝化效果,而重掺杂的掺杂层不仅能够提供足够的内建电场,而且可以改善掺杂层与氧化铟锡薄膜的接触特性,进而提升电池的输出特性.并且高氢稀释比的前掺杂层还可以对钝化层起到氢处理的作用,减少钝化层表面的悬挂键,从而增强化学钝化效果,进而提高电池的开路电压.最终,基于商业化制绒的硅片,获得了效率达到20.96%的硅异质结太阳电池,其中开路电压为710 mV,短路电流密度为39.88 mA/cm~2,填充因子为74.02%.     

高绒度掺硼氧化锌透明导电薄膜用作非晶硅太阳电池前电极的研究

将自行研制的具有优异陷光能力的掺硼氧化锌用作p-i-n型非晶硅太阳电池的前电极,并且将传统商业用U型掺氟二氧化锡作为对比电极.相比表面较为平滑的掺氟二氧化锡,掺硼氧化锌表面大类金字塔的绒面结构会在本征层生长过程中触发阴影效应,形成大量的高缺陷材料区和漏电沟道,进而恶化电池的开路电压和填充因子.在不修饰掺硼氧化锌表面形貌的情况下,通过调节非晶硅本征层的沉积温度来消弱高绒度表面形貌引起的这种不利影响,对应的电池开路电压和填充因子均出现提升.在仅有铝背电极的情况下,在本征层厚度为200 nm的情况下,以掺硼氧化锌为前电极的非晶硅太阳电池转换效率达7.34%(开路电压为0.9 V,填充因子为70.1%,短路电流密度11.7 mA/cm2).     

非晶硅锗电池性能的调控研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了非晶硅锗薄膜太阳电池. 针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性, 通过调控硅锗合金中硅锗的比例, 实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制. 借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计, 获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池. 关键词： 非晶硅锗薄膜太阳电池 短路电流密度 开路电压 带隙梯度     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

PIN型和NIP型硅薄膜太阳电池中绒面陷光结构和陷光性能研究

对于硅薄膜太阳电池来说, 无论是PIN型还是NIP型太阳电池, 采用绒面陷光结构来提高入射光的有效利用率是提高太阳电池效率的重要方法之一.本文采用标度相干理论对PIN和NIP型电池的绒面结构的陷光性能进行了数值模拟. 结果表明: PIN电池中前电极和NIP电池中背电极衬底粗糙度分别为160和40 nm时可获得理想的陷光效果; 在不同粗糙度背电极衬底上制备a-SiGe:H电池发现, 使用40和61.5 nm 背电极可获得相当的短路电流密度, 理论分析和实验得到了一致的结果. 关键词： 陷光结构 光散射能力 标量相干理论 硅基薄膜太阳电池     

太阳电池中新腐蚀液实现纳米黑硅表面的一步腐蚀制备

通过引入添加剂,调节腐蚀溶液的pH值,实现了一步法制备黑硅表面. 在取得低表面反射率的同时,减小了黑硅层的腐蚀深度,对于16 min腐蚀的黑硅层,其表面加权平均反射率可达5%(300～1200 nm),但腐蚀深仅约为200 nm. 减小腐蚀深度能够降低黑硅太阳电池的表面复合速率,从而提高太阳电池性能,尤其是开路电压及填充因子. 以新腐蚀液制备的黑硅为衬底,在常规太阳电池产线上制备大面积p-Si黑硅太阳电池,实现了15.63%的转换效率,具有高的开路电压(624.32 mV)和填充因子(77.88%),改进了大面积黑硅太阳电池的性能.     

不同环境下硫化镉/铜基薄膜异质结退火对太阳电池性能调控

高效铜基薄膜太阳电池通常采用无机n型半导体材料CdS作为缓冲层,因此,缓冲层与吸收层之间的界面质量和能带匹配对载流子的收集利用至关重要.在优化CdS基础工艺的基础上,在含硫气氛下对硫化镉/铜基薄膜异质结进行退火的策略进一步提高CdS薄膜质量,并将其应用到铜基太阳电池,调控铜基薄膜电池p-n异质结能带匹配.研究表明, CdS薄膜在含硫的惰性气氛中退火可以有效提高CdS薄膜的结晶质量并抑制CZTS/CdS异质结界面的非辐射复合,器件的开路电压得到大幅提升,最高可达718 mV.在器件效率方面,基于溅射法的CZTS太阳电池效率从3.47%提升到5.68%,约为不退火处理的2倍.该研究为铜基薄膜太阳电池器件实现高开路电压提供了可靠的工艺窗口.同时,有力地说明了退火气氛选择对于CdS质量以及CZTS/CdS异质结能带匹配的重要性,除了界面互扩散以外,对薄膜材料组分及其结晶性等均实现了调控.     

界面缺陷态密度与衬底电阻率取值对硅异质结光伏电池性能的影响

在异质结前界面缺陷态密度Dit1和异质结背界面缺陷态密度Dit2均取不同值时,对p型单晶硅(c-Si(p))为衬底的硅异质结太阳电池的衬底电阻率ρ与电池性能的关系进行了数值研究.结果表明:衬底电阻率的最优值ρop取决于前界面缺陷态密度Dit1,且ρop随着Dit1的增大而增大;当ρρop时,背界面缺陷态密度Dit2对衬底电阻率的可取值范围具有较大影响,Dit2越大衬底电阻率的可取值范围越小.     

电化学染料增感对聚苯胺/硅异质结电池的影响

采用电化学氧化聚合染料增感方法，利用有机染料直接耐晒翠兰对太阳电池顶区材料聚苯胺进行了有机染料增感研究，制备出了Al栅/DS-PAn/n-Si/Al结构的染料增感聚苯胺/硅异质结太阳电池.研究表明，染料增感可使聚苯胺在光照射下光生载流子明显增强，较大幅度地改善聚苯胺的可见光谱响应；J-V特性表明，电池二极管的曲线因子约为6.3，p-n结的潜在势垒高度为0.89 eV；与未增感的PAn/n-Si异质结太阳电池相比，染料增感的DS-PAn/n-Si异质结太阳电池的短路电流和转换效率得到了较大提高，在37.2 W/m2的光照射下，经染料增感的电池短路电流较增感前提高了约6倍，填充因子可达57%，转换效率达1.42%.     

结构参数对p-i-n结构InGaN太阳能电池性能的影响及机理

研究了器件结构参数对p-i-n结构InGaN单结太阳能电池性能的影响及物理机制. 模拟结果发现: 随着InGaN禁带宽度的增加, InGaN电池的短路电流减小, 但同时开路电压增加, 当InGaN层的禁带宽度为1.5 eV左右时, 同质p-i-n结InGaN电池的效率最高, 并计算了不同厚度的i层对InGaN电池效率的影响. 进一步的计算表明, 适当采用带宽更大的p-InGaN层形成异质p-i-n结InGaN电池可以获得更高效率, 但是p-InGaN层带宽过大也会导致电池的效率急剧下降. 研究还发现, 采用禁带宽度更大的n-InGaN层可以形成背电场, 从而增加p-i-n结InGaN太阳电池的效率. 研究结果表明, 适当选择p-InGaN和n-InGaN禁带宽度形成异质p-i-n结可以提高InGaN太阳能电池效率.     

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.     

基于氧化镍背接触缓冲层碲化镉薄膜太阳电池的研究

采用电子束蒸发法制备了NiO薄膜,并对其作为碲化镉薄膜太阳电池背接触缓冲层材料进行了相关研究.NiO缓冲层的加入使得碲化镉太阳电池开路电压显著增大.通过X射线光电子能谱测试得到的NiO/CdTe界面能带图表明NiO和CdTe的能带匹配度很好.NiO是宽禁带P型半导体材料,在电池背接触处形成背场,减少了电子在背表面处的复合,从而提高电池开路电压.通过优化NiO薄膜厚度,制备得到转换效率为12.2%、开路电压为789 mV的碲化镉太阳电池.研究证实NiO是用来制备高转换效率、高稳定性碲化镉薄膜太阳电池的一种极有前景的缓冲层材料.     

基于BiFeO_3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究

采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO_3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180—320 nm,在300—1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO_3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO_3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm~2提升至0.68 V和34.57 mA/cm~2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO_3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO_3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.     

直接键合的三结太阳能电池研究

本文研制了直接键合的三结GaInP/GaAs/InGaAsP太阳电池.直接键合技术可以减少晶格不匹配的材料在外延生长过程中产生的线位错和面缺陷,将缺陷限制在界面几十纳米的薄层而不向内扩散,是未来实现高效多结电池的发展趋势之一.此类电池国内鲜有报道.本文键合三结电池的键合界面采用p+GaAs/n+InP结构,得到电池开路电压3.0 V,在电池结构没有优化的情况下获得效率24%,表面未做减反膜.开路电压表明三结电池实现了串联,为单片集成的高效多结电池提供了新的途径.对实验结果进行了分析并给出了改进措施.     

基于杂质光伏效应的镍掺杂对砷化镓太阳电池性能的影响

利用杂质光伏效应能够使太阳电池充分利用那些能量小于禁带宽度的太阳光子,从而提高电池的转换效率.为了更好地利用杂质光伏效应提高砷化镓太阳电池的转换效率,本文利用数值方法研究在砷化镓太阳电池中掺入镍杂质以形成杂质光伏太阳电池,分析掺镍对电池的短路电流密度、开路电压以及转换效率的影响;同时,探讨电池的陷光结构对杂质光伏太阳电池器件性能的影响.结果表明:利用杂质光伏效应掺入镍杂质能够增加子带光子的吸收,使得电池转换效率提高3.32%;转换效率的提高在于杂质光伏效应使电池的红外光谱响应得到扩展;另外,拥有良好的陷光结构是取得好的杂质光伏效应的关键.由此得出:在砷化镓太阳电池中掺镍形成杂质光伏太阳电池是一种能够提高砷化镓太阳电池转换效率的新方法.     

高效钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池

制备了一种有机铅卤钙钛矿-有机本体异质结杂化串联太阳能电池。采用紫外可见吸收光谱、原子力显微镜对薄膜形貌进行了表征。结果表明:有机本体异质结层可以有效改善钙钛矿的表面形貌, 增强了可见光的吸收。优化后的串联结构电池的短路电流可达19.14mA/cm², 开路电压为0.76V, 光电转换效率达到了6.54%。钙钛矿电池和有机本体异质结电池串联结构可以同时提高短路电流及填充因子, 二者具有较好的相容性和协同作用。     

硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计

陷光结构的优化是增加硅薄膜太阳电池光吸收进而提高其效率的关键技术之一. 以硅纳米线阵列为代表的光子晶体微纳陷光结构具有突破传统陷光结构Yablonovith极限的巨大潜力. 通常硅纳米线阵列可以用作太阳电池的增透减反层、轴向p-n结、径向p-n结. 针对以上三种应用, 本文运用有限时域差分(FDTD)法系统研究了硅纳米线阵列在 300-1100 nm 波段的光学特性. 结果表明, 当硅纳米线作为太阳电池的减反层时, 周期P=300 nm, 高度H=1.5 μm, 填充率(FR)为0.282条件下时, 反射率最低为7.9%. 当硅纳米线作为轴向p-n结电池时, P=500 nm, H=1.5 μm, FR=0.55条件下纳米线阵列的吸收效率高达22.3%. 硅纳米线作为径向p-n结电池时, 其光吸收主要依靠纳米线, 硅纳米线P=300 nm, H=6 μm, FR= 0.349 条件下其吸收效率高达32.4%, 进一步提高其高度吸收效率变化不再明显. 此外, 本文还分析了非周期性硅纳米线阵列的光学性质, 与周期性硅纳米线阵列相比, 直径随机分布和位置随机分布的硅纳米线阵列都可以使吸收效率进一步提高, 相比于周期性硅纳米线阵列, 优化后直径随机分布的硅纳米线阵列吸收效率提高了39%, 吸收效率为27.8%. 本文运用FDTD法对硅纳米线阵列的光学特性进行设计与优化, 为硅纳米线阵列在太阳电池中的应用提供了理论支持.     

MPS结构中的光生伏特现象

报道了金属／多孔硅／单晶硅结构（ＭＰＳ）中光生伏特效应研究的最新结果，给出了该结构的光谱响应曲线，发现该结构在１１００—３５０ｎｍ波长范围具有明显的光谱响应．还测量了开路电压随温度、光照波长及光照强度的变化关系，发现开路电压随温度的降低近似线性增加，其温度系数对于金／多孔硅结构约为２.０ｍＶ／Ｋ，对于铝／多孔硅结构约为２.８ｍＶ／Ｋ，与单晶硅及非晶硅太阳电池的温度系数相近，但ＭＰＳ结构的开路电压随光强的增加不满足对数关系．结果表明，在ＭＰＳ结构中金属／多孔硅肖特基结对光生伏特效应起了主要作用，而多孔硅／单晶硅异质结的作用是与此相反的 关键词：