复合绒面ZnO:Al光栅增强薄膜硅电池陷光特性

探讨复合绒面ZnO:Al光栅对薄膜硅太阳能电池光俘获效率的影响.织构了由关联长度(lcor)和平均高度(have)表征的绒面,叠加到周期为980nm和槽深为160nm的一维正弦ZnO:Al光栅上,形成复合绒面ZnO:Al光栅.前电极AZO光栅,当lcor较小和have较大时,电池的短路电流较高.若lcor取0.01,则短路电流随have的增大而升高,由have=0.05时的21.93 mA/cm2增加到have=0.80时的23.80mA/cm2.置于背电极且lcor=0.01时,短路电流随have的增加而逐渐减小,由have=0.05时的25.50mA/cm2降到have=0.80时的24.81 mA/cm2.采用直流溅射和化学腐蚀方法分别制备了无绒面ZnO:Al光栅和lcor=0.01,have=0.14的复合绒面ZnO:Al光栅.反射率测试结果表明,复合绒面ZnO:Al光栅总反射率(8.3%)较无绒面ZnO:Al栅(10.2%)降低了1.9%,镜面反射率(4.7%)较无绒面ZnO:Al栅(6.8%)降低了2.1%.以实验制备的两种光栅为模型用严格耦合波方法进行模拟,计算结果表明与无绒面ZnO:Al光栅相比,复合绒面ZnO:Al光栅的总反射率和镜面反射率均显著下降.复合绒面ZnO:Al光栅由于具有较好的减反作用更适合用作薄膜电池前电极,从而得到更高的短路电流;而无绒面ZnO:Al光栅因具有较高的反射适用于背电极,能将到达背电极的光子重新返回硅吸收层而获得更高的陷光效率.     

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).     

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     

氧化锌掺铝绒面薄膜在有机光伏电池中的应用

目前有机光伏电池的吸光活性层电学传输特性和光学吸收特性的不匹配是制约其能量转换效率提升的主要原因之一. 通过陷光结构对入射光进行调控, 提高电池对光的约束和俘获能力从而达到“电学薄”和“光学厚”的等效作用, 是解 决有机光伏电池电学和光学不匹配的有效手段. 本文采用湿法刻蚀技术获得了系列时间梯度的绒面氧化锌掺铝薄膜, 并将其作为有机光伏电池的入射陷光电极, 显著增强了电池的光学吸收. 研究发现, 当使用浓度0.5%的稀HCL腐蚀30 s后的氧化锌掺铝薄膜作为入射电极后, 电池的光电性能和效率显著增强. 基于此绒面电极电池的电流密度比平面结构的电池提高了8.17%, 效率改善了11.29%. 通过对绒面电极表面的修饰处理, 实现了电极与光活性层之间良好的界面接触, 从而减小了对电池的开路电压和填充因子的影响.     

微晶硅锗薄膜作为近红外光吸收层在硅基薄膜太阳电池中的应用

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术,制备了具有一定晶化率不同Ge含量的氢化微晶硅锗(μcSi1-xGex:H)薄膜.通过Ⅹ射线荧光谱、拉曼光谱、X射线衍射谱、傅里叶红外谱、吸收系数谱和电导率的测试,表征了μc-Si_(1-x)Ge_x:H的材料微结构随Ge含量的演变.研究表明:提高Ge含量可以增强μc-Si_(1-x)Ge_x:H薄膜的吸收系数.将其应用到硅基薄膜太阳电池的本征层中可以有效提高电池的短路电流密度(J_(sc)).特别是在电池厚度较薄或陷光不充分的情况下,长波响应的提高会更为显著.应用ZnO衬底后,在Ge含量分别为9%和27%时,μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池的转换效率均超过了7%.最后,将μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池应用在双结叠层太阳电池的底电池中,发现μc-Si_(0.73)Ge_(0.27):H底电池在厚度为800 nm时即可得到比1700 nm厚微晶硅(μc-Si:H)底电池更高的长波响应.以上结果体现μc-Si_(1-x)Ge_x:H太阳电池作为高效近红外光吸收层,在硅基薄膜太阳电池中应用的前景.     

一维和双层二维光子晶体太阳能电池背反射器

利用a-Si∶H和SiO2等介质,设计了一种由一维光子晶体和双层二维光子晶体组成的非晶硅薄膜太阳能电池背反射器.利用时域有限差分法对该背反射器在入射光波长范围为300~1 100nm波段的反射率和透射率进行仿真,计算不同结构参量下非晶硅太阳能电池短路电流密度并进行比较分析,最终得到了最佳背反射器结构.结果表明:设计的太阳能电池背反射器能够有效地延长入射光在太阳能电池吸收层的传播路径,有助于缓解太阳能电池吸收层厚度对电池吸收效率的影响,提高了电池吸收层对入射光的吸收效率.一维光子晶体和双层二维光子晶体结构的背反射器可以大幅度提高电池的光捕获能力,将非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高到31.96mA/cm2,较常用的Ag/ZnO背反射器结构非晶硅薄膜太阳能电池提高了51.0%.     

缓冲夹层影响异质结有机光伏器件性能研究

制备了结构为CuPc/缓冲层/C60异质结的有机光伏器件,分别选用三氧化钼和红荧烯为缓冲层,研究了增加缓冲层对器件性能的影响.结果表明,增加三氧化钼和红荧烯缓冲层后器件的开路电压和光电转换效率都得到提高,器件的短路电流密度和填充因子都有所降低.开路电压从没有缓冲层时的0.39V分别提高到0.58V、0.55V,转换效率从0.36%提高到0.44%,短路电流从1.92mA/cm2分别降低到1.77mA/cm2、1.81mA/cm2,填充因子从0.48分别减少到0.43、0.44.进一步研究表明器件的短路电流密度受缓冲层厚度的影响很大,当缓冲层厚度很小时,器件短路电流密度还有所增加,但随着缓冲层厚度的增加,短路电流密度逐渐减小,当缓冲层厚度为10nm时,器件短路电流密度减少到0.35mA/cm2.开路电压随着厚度的增加逐渐增加,从1nm时的0.43V增加10nm时0.63V.根据整数电荷转移模型和界面能级理论解释有机光伏器件开路电压提高以及短路电流密度减少的原因,为有机太阳能电池性能的改善提供了研究方法.     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.     

二甲基亚砜添加剂对聚合物太阳能电池性能的影响

研究了二甲基亚砜(DMSO)掺杂浓度对基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)和(6,6)-苯基碳60丁酸甲酯(PCBM)为有源层的聚合物太阳能电池性能影响。结果表明,掺杂DMSO可以提高聚合物太阳能电池短路电流密度和填充因子。DMSO掺杂质量比为3%时,电池短路电流密度提高到7.88 mA·cm-2,填充因子为55.5%。能量转换效率达到2.54％,相比没有掺杂DMSO的电池,能量转换效率提高了17%。傅里叶变换红外光谱被用于鉴定和分析掺杂DMSO对材料P3HT∶PCBM化学性质的影响。傅里叶变换红外光谱表明,掺杂后P3HT和PCBM的化学性质都没有改变。为分析掺杂DMSO改善器件能量转换效率的原因,通过紫外-可见光谱和电流密度-电压特性曲线分别表征器件的光吸收能力以及电致发光器件的载流子迁移率。与P3HT∶PCBM薄膜相比,P3HT∶PCBM∶DMSO薄膜在可见光范围内的吸收峰有明显红移且吸收强度增强。可见光吸收的改善是实现短路电流密度提高的有力保障。太阳能电池性能的增强是因为DMSO的掺杂提高了P3HT∶PCBM的载流子迁移率和吸收光谱宽度。     

二甲基亚砜添加剂对聚合物太阳能电池性能的影响（英文）

研究了二甲基亚砜(DMSO)掺杂浓度对基于聚(3-己基噻吩)(P3HT)和(6,6)-苯基碳60丁酸甲酯(PCBM)为有源层的聚合物太阳能电池性能影响。结果表明,掺杂DMSO可以提高聚合物太阳能电池短路电流密度和填充因子。DMSO掺杂质量比为3%时,电池短路电流密度提高到7.88mA·cm-2,填充因子为55.5%。能量转换效率达到2.54%,相比没有掺杂DMSO的电池,能量转换效率提高了17%。傅里叶变换红外光谱被用于鉴定和分析掺杂DMSO对材料P3HT∶PCBM化学性质的影响。傅里叶变换红外光谱表明,掺杂后P3HT和PCBM的化学性质都没有改变。为分析掺杂DMSO改善器件能量转换效率的原因,通过紫外-可见光谱和电流密度-电压特性曲线分别表征器件的光吸收能力以及电致发光器件的载流子迁移率。与P3HT∶PCBM薄膜相比,P3HT∶PCBM∶DMSO薄膜在可见光范围内的吸收峰有明显红移且吸收强度增强。可见光吸收的改善是实现短路电流密度提高的有力保障。太阳能电池性能的增强是因为DMSO的掺杂提高了P3HT∶PCBM的载流子迁移率和吸收光谱宽度。     

Optical absorption enhancement in slanted silicon nanocone hole arrays for solar photovoltaics

We investigate slanted silicon nanocone hole arrays as light absorbing structures for solar photovoltaics via simulation.With only 1-μm equivalent thickness, a maximum short-circuit current density of 34.9 m A/cm~2 is obtained. Moreover, by adding an Ag mirror under the whole structure, a short-circuit current density of 37.9 m A/cm~2 is attained. It is understood that the optical absorption enhancement mainly results from three aspects. First, the silicon nanocone holes provide a highly efficient antireflection effect. Second, after breaking the geometric symmetry, the slanted silicon nanocone hole supports more resonant absorption modes than vertical structures. Third, the Fabry–Perot resonance enhances the light absorption after adding an Ag mirror.     

前后光栅周期对于双光栅结构薄膜太阳能电池光俘获效应的影响

本文用时域有限差分法对硅层等效厚度为100 nm的具有不同前后光栅周期的介质/金属双光栅结构薄膜太阳能电池进行了模拟分析,比较了三角形最佳相同与不同周期光栅结构的吸收光谱特性,分析了光栅高度、填充比、硅吸收层厚度对最佳相同和不同周期光栅结构光吸收特性的影响,以及相应结构中导致光吸收增强的共振模式.结果表明前后光栅周期为1:1的共形双光栅结构中存在光泄漏现象,偏离1:1后的光栅结构可有效地抑制低级次衍射光的泄漏,前光栅周期小于后光栅周期的结构光吸收性能的提高来自于平面波导模式在吸收层中的有效激发和传播,而前光栅周期大于后光栅周期的结构光吸收性能的提高则来自于后光栅界面上所激发的等离子体极化模式.在较厚的硅吸收层厚度,前后光栅周期比为1:2和1:3的电池结构也会出现光泄漏现象,从而使具有最大光吸收效率的结构偏离这些周期比结构的位置.     

三维多孔复合碳层对电极的制备及其光伏性能研究

基于TiO_2光阳极、Pt对电极的染料敏化太阳能电池(DSSC)因其优异的光电转换特性受到了广泛的关注,然而Pt昂贵的价格制约了其发展与应用.针对这一问题,本文设计、制备了一种由相对致密且高导电的石墨膜(PC层,底层)及多孔碳纳米颗粒膜(CC层,顶层)构成的低成本、高性能三维多孔复合碳层对电极.基于该CC/PC对电极的DSSC具有优异的光伏性能:在1.5标准太阳光照射下,其填充因子高达65.28%(较Pt对电极高4.1%)、光电转换效率高达5.9%(为Pt对电极的94.2%). CC/PC对电极的优异光伏性能主要归因于其独特的三维多孔导电结构,该结构有极高的比表面积和丰富的催化反应活性位,有利于电子的快速传输及离子的快速转移,在这些因素的协同作用下,其光电转换性能大大改善.     

Lambertian light trapping in thin crystalline macroporous Si layers

Lambertian light trapping is a benchmark for efficient light trapping. In this Letter we experimentally quantify the degree of Lambertian light trapping in a macroporous silicon layer. The optical absorption of the effective (26.7 ± 5.5) µm thick sample with randomly arranged pores yields a photogeneration corresponding to a maximum current density of (40.8 ± 0.4) mA cm^–2 and thus achieves a fraction of 0.985 ± 0.012 of the current density expected from a Lambertian light trapping scheme. The measured spectrum of the escape reflectance is well described with an analytic model assuming a complete randomization of the directions of light propagation. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

紫外有机发光器件的激子形成区域优化与掺杂调控

采用空穴传输兼发光层CBP和电子传输兼发光层TAZ构建了紫外有机电致发光器件(UVOLED),通过调控功能层厚度可以优化激子形成区域,进而改善器件性能。实验结果表明:CBP厚度的变化对器件性能影响甚微,而TAZ厚度变化则有显著影响。当CBP和TAZ厚度分别为50 nm和30 nm时,获得了最大辐照度为4.4 m W/cm2@270 m A/cm2、外量子效率(EQE)为0.94%@12.5 m A/cm2,发光来自于CBP主发光峰~410nm以及TAZ肩峰~380 nm的UVOLED器件。在此基础上,通过在CBP/TAZ界面引入超薄[CBP∶TAZ]掺杂层可以加速激子复合,降低器件驱动电压,同时还有利于改善载流子平衡性,提高发光效率(最大EQE达到了0.97%@20 m A/cm2)而不影响光谱特性。     

一种高电流密度下效率不降低的绿光有机电致发光器件

为了提高有机电致发光器件(OLED)在高电流密度下的发光效率, 在以C545T掺杂Alq₃为发光层的有机小分子绿光器件中的发光层与电子传输层之间插入超薄LiF绝缘层.结果表明, 器件的外量子效率随着电流密度的增加始终没有降低, 直至600 mA/cm²时达到最大值 4.79%, 是相同电流密度下的参考器件的外量子效率的7倍.     

Device simulation of quasi-two-dimensional perovskite/silicon tandem solar cells towards 30%-efficiency

Perovskite/silicon (Si) tandem solar cells have been recognized as the next-generation photovoltaic technology with efficiency over 30% and low cost. However, the intrinsic instability of traditional three-dimensional (3D) hybrid perovskite seriously hinders the lifetimes of tandem devices. In this work, the quasi-two-dimensional (2D) (BA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n=1, 2, 3, 4, 5) (where MA denotes methylammonium and BA represents butylammonium), with senior stability and wider bandgap, are first used as an absorber of semitransparent top perovskite solar cells (PSCs) to construct a four-terminal (4T) tandem devices with a bottom Si-heterojunction cell. The device model is established by Silvaco Atlas based on experimental parameters. Simulation results show that in the optimized tandem device, the top cell (n=4) obtains a power conversion efficiency (PCE) of 17.39% and the Si bottom cell shows a PCE of 11.44%, thus an overall PCE of 28.83%. Furthermore, by introducing a 90-nm lithium fluoride (LiF) anti-reflection layer to reduce the surface reflection loss, the current density (J_sc) of the top cell is enhanced from 15.56 mA/cm² to 17.09 mA/cm², the corresponding PCE reaches 19.05%, and the tandem PCE increases to 30.58%. Simultaneously, in the cases of n=3, 4, and 5, all the tandem PCEs exceed the limiting theoretical efficiency of Si cells. Therefore, the 4T quasi-2D perovskite/Si devices provide a more cost-effective tandem strategy and long-term stability solutions.     

Plasmon enhancement of optical absorption in ultra-thin film solar cells by rear located aluminum nanodisk arrays

In this work, in order to enhance the light absorption in one micron thick crystalline silicon solar cells, a back reflecting and rear located plasmonic nanodisk scheme is proposed. We investigate the scattering properties of aluminum nanostructures located at the back side and optimize them for enhancing absorption in the silicon layer by using finite difference time domain simulations. The results indicate that the period and diameters of nanodisks, thickness of spacer layer have a strong impact on short circuit current enhancements. The optimized Al nanoparticle arrays embedded in rear located SiO₂ layer enhance J _sc with an increase of 47% from the non-plasmonic case of 18.9 to 27.8 mA/cm² when comparing with a typical stack with a planar aluminum back reflector and a back reflector with plasmonic nanoparticles. This finding could lead to improved light trapping within a thin silicon solar cell device.     

用一维光子带隙结构增强硫化镉双光子吸收研究

用真空镀膜方法制备了含有单个CdS缺陷层的具有不同周期和结构参量的TiO2／SiO2一维光子晶体。用抽运一探测技术研究了CdS缺陷层的双光子吸收（TPA）现象。实验结果表明：一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收显著增强。不同周期和结构参量的一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收系数不同。双光子吸收的增强来源于由光局域化导致的缺陷层的电场强度的增加。缺陷层电场强度与一维光子晶体的结构有关,如周期,光子带隙的位置与宽度及缺陷模式等因素都会影响缺陷层电场强度。采用四分之一波长的高低折射率介质层和与入射波长匹配的缺陷模可以得到最大的缺陷层电场强度。