不同形貌的金字塔结构对硅片表面钝化和异质结太阳电池的影响

在晶体硅表面沉积本征非晶硅层的异质结（SHJ）太阳电池以其高效率、高稳定性、低成本和低温制备等诸多优势被人们广泛关注. 在晶体硅衬底表面制绒,是提高太阳电池效率的有效途径之一. 本文采用四甲基氢氧化铵（TMAH）在硅片表面制备了不同形貌的金字塔结构的硅异质结电池衬底,并应用到电池中. 通过研究不同金字塔的形貌,光学特性以及电学特性,找出提高硅片钝化效果,改善异质结电池的性能的优化的金字塔结构. 结果表明：2%（w）TMAH,10%（w）异丙醇（IPA）可以在硅片表面制得标准四面体金字塔结构. 和其它两种金字塔结构相比较,标准四面体金字塔结构绒面衬底反射率最低,可以提高太阳电池的短路电流密度（J_sc）. 同时,这种结构金字塔形貌可以提高钝化效果,改善电池各项性能参数.     

nc-Si:H/c-Si硅异质结太阳电池中本征硅薄膜钝化层的优化

采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)法在低温、低功率的条件下制备了一系列本征硅薄膜, 研究了硅烷浓度(C_S)对薄膜微结构、光电特性及表面钝化性能的影响. 将本征硅薄膜作为钝化层应用到氢化纳米晶硅/晶硅(nc-Si:H/c-Si)硅异质结(SHJ)太阳电池中, 研究了硅烷浓度和薄膜厚度对电池性能的影响. 实验发现: 随着硅烷浓度的降低, 本征硅薄膜的晶化率、氢含量、结构因子、光学带隙和光敏性等都在过渡区急剧变化; 本征硅薄膜的钝化性能由薄膜的氢含量及氢的成键方式决定. 靠近过渡区的薄膜具有较好的致密性和光敏性, 氢含量最高, 带隙态密度低, 且主要以SiH 形式成键, 对硅片表现出优异的钝化性能, 使电池的开路电压大幅提高. 但是, 当薄膜的厚度过小时, 会严重影响其钝化质量. 本实验中, 沉积本征硅薄膜的最优硅烷浓度为6% (摩尔分数), 且当薄膜厚度为~8 nm时, 所制备电池的性能最好. 实验最终获得了开路电压为672 mV, 短路电流密度为35.1 mA·cm^-2, 填充因子为0.73, 效率为17.3%的nc-Si:H/c-Si SHJ太阳电池     

沉积温度对等离子增强化学气相沉积法制备的SiNx:H薄膜特性的影响

利用Centrotherm公司生产的管式等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备在p型抛光硅片表面沉积SiN_x:H薄膜, 研究沉积温度对SiN_x:H薄膜的组成及光学特性、结构及表面钝化特性的影响. 然后采用工业化的单晶硅太阳电池制作设备和工艺制作太阳电池, 研究不同温度制备的薄膜对电池电性能的影响. 测试结果表明: SiN_x:H薄膜的折射率随着沉积温度的升高而变大, 分布在1.926-2.231之间, 这表明Si/N摩尔比随着沉积温度的增加而增加; 当沉积温度增加时, 薄膜中Si－H键和N－H键浓度呈现减小趋势, 而Si－N键浓度逐渐升高, 薄膜致密度增加; 随着沉积温度的升高, SiN_x:H薄膜中的氢析出导致了钝化硅片的有效少子寿命先升高后降低, 并且有效少子寿命出现明显的时间衰减特性. 当沉积温度为450 °C时, 薄膜具有最优的减反射和表面钝化效果. 采用不同温度PECVD制备的5组电池的电性能测试结果也验证了这一结果.     

钙钛矿同质结太阳电池研究进展

钙钛矿太阳电池制备工艺简单,效率提升迅速,被认为是最具应用潜力的新一代光伏技术之一。近年来,大量研究表明,钙钛矿光电材料可以通过自掺杂或外源掺杂的方式实现薄膜导电类型(p型或n型)的定向调控;而具有双层薄膜结构的钙钛矿p-n同质结可以通过薄膜双沉积技术制备,这为钙钛矿同质结太阳电池的设计与制备提供了技术基础。新型钙钛矿同质结太阳电池摒弃传统的电子传输层和空穴传输层,可简化电池结构,不仅有利于提升电池工作稳定性,降低成本,更能进一步释放钙钛矿太阳电池在柔性和半透明应用中的潜力,推动钙钛矿电池的实用化进程。本文围绕钙钛矿同质结太阳电池,综述了钙钛矿光电材料p/n特性掺杂和钙钛矿同质结的研究进展,讨论了钙钛矿同质结太阳电池的基本结构和工作原理,并对其当前存在的技术问题和应用前景进行了总结与展望。     

CuS/TiO2纳米管异质结阵列的制备及光电性能

利用水热反应制备了CuS/TiO2纳米管异质结阵列,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射谱(XRD)等手段表征了异质结阵列的表面形貌和晶体结构.电流-电压曲线结果表明,CuS/TiO2纳米管异质结阵列具有明显的整流效应.根据表面光电压谱和相位谱,在376～600 nm之间,CuS/TiO2纳米管异质结阵列表现为p型半导体特征,电子在表面聚集;在300～376 nm之间表现为n型半导体特征,空穴在表面聚集;在376 nm处异质结阵列的表面光伏响应为零.CuS/TiO2和CuS/ITO之间界面电场的不同导致异质结在不同波长范围内表面电荷聚集的差异.光电化学性能测试发现,以CuS/TiO2纳米管异质结阵列为光阳极组成的光化学太阳电池,在大气质量AM 1.5G,100 mW/cm2标准光强作用下具有0.4%的光电转换能力.     

钙钛矿太阳电池的工作机理及性能的主要影响因素

本文综合评述了钙钛矿太阳电池的重要研究成果, 解释了其工作机理并总结了影响电池性能的关键因素: 钙钛矿化学组成、 结晶与形貌、 传输层、 电极和体异质结等. 对钙钛矿太阳电池的未来发展进行了展望.     

共混型聚合物太阳电池原理及研究进展

共混聚合物太阳电池是一种将电子给体材料与电子受体材料混合的新型异质结光伏电池,这种新型太阳电池由于增大了异质结的表面积,减少了光生激子的复合,互穿网络结构有利于电荷的传输,再加上其成本低、工艺简单、能大面积制备等优点,近年来已成为国内外研究的热点.本文综述了聚合物太阳电池的研究进展,讨论了聚合物太阳电池的基本原理,解释了表征太阳电池的物理量开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充因子(FF)和能量转换效率(η),分析了制作工艺、材料、电极等因素对器件性能的影响,阐述了国内外聚合物太阳电池研究的现状及存在问题.     

合成ZnO纳米阵列及刺突状CuO/ZnO异质结

采用低温水热法在掺氟SnO₂ (FTO)导电玻璃表面制备ZnO纳米阵列, 研究了前驱体溶液浓度摩尔配比对ZnO纳米阵列形貌、光学性能及其生长机理的影响. 研究发现, 随着前驱体溶液浓度摩尔配比的增加, ZnO纳米阵列形貌及光学性能也随之变化. ZnO纳米阵列高度逐渐降低, ZnO纳米阵列直径和光学带隙值大体上出现先增大后降低的趋势. 而当前驱体溶液(Zn(NO₃)₂:环六亚甲基四胺(HMT, C₆H₁₂N₄))浓度摩尔配比为5:5时, 其光学禁带值(3.2 eV)接近于理论值. 结果显示制备ZnO纳米阵列的最优浓度摩尔配比为5:5. 随后选用最优浓度摩尔配比下制备的ZnO纳米阵列为基底, 通过一种两步溶液法成功在其表面制备刺突状CuO/ZnO异质结.从场发射扫描电镜(FE-SEM)结果中可以清楚看见, 大量的CuO纳米粒子沉积在ZnO纳米阵列表面形成刺突状异质结结构.研究发现该CuO/ZnO纳米异质结相对于纯ZnO纳米阵列在紫外光下光催化性能明显增加. 最后, 讨论了CuO/ZnO纳米异质结光催化机理.     

取向纳米ZnO/Cu_2O异质结阵列的制备及光电特性

以水热合成法制备的一维取向n型ZnO纳米线阵列为衬底,采用电化学沉积法在其上沉积生长一层p型Cu2O半导体包覆层,制备出了新型ZnO/Cu2O异质结纳米线阵列光敏器件.利用XRD、SEM、TEM、XPS、PL及光响应特性等测试方法对样品的形貌、晶体结构、化学成分及光电特性进行了分析表征.研究了生长条件对ZnO/Cu2O异质结纳米线阵列各种特性的影响.研究发现,适宜的沉积电压和沉积时间是保证ZnO/Cu2O异质结光敏器件具有适宜厚度核壳包覆层及较好光响应特性的关键因素.研究结果为ZnO及Cu2O半导体材料在光敏器件中的应用提供了实验基础.     

非晶SiO2纳米灯笼的制备和表征

在1000 ℃用活性炭把二氧化锡粉末还原成单质锡, 锡作为催化剂, 硅片作为硅源同时作为收集衬底, 在硅片上制备出了非晶SiO2纳米灯笼. 灯笼的一端连在硅片上, 另一端为一个锡球, 中间是一些圆弧状的SiO2纳米线把两端相连. 纳米灯笼具有良好的对称性. 利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、选区电子衍射(SAED) 和HRTEM自带的能谱分析仪(EDS)对样品的表面形貌、微观结构和成分进行了分析研究. 结果表明, 灯笼中SiO2纳米线为非晶态, 结点是晶态锡, 结点表面覆盖一层非晶态的硅的氧化物. 结合实验条件对纳米灯笼的生长机理进行了讨论, 提出了纳米灯笼生长的一个模型.     

倒锥形抗反射表面微结构的构筑

利用Langmuir-Blodgett(LB) 技术在单晶硅表面转移岛状硬脂酸单层膜图案, 通过各向异性的湿法刻蚀构筑倒锥形表面微结构. 倒锥形结构的深度及表面抗反射性能主要与刻蚀的时间有关. 这种方法结合了自组装面积大和湿法刻蚀成本低的优点, 是一种廉价、高效的制备大面积抗反射微结构的方法, 在降低光学器件和太阳能电池的成本方面具有潜在应用价值.     

基于浓硼扩散层的硅纳米线谐振子制备

纳机电系统(NMES)由于具有体积小、智能化、可靠性高等优点而被广泛研究。其中纳米线谐振子的本征频率能够达到MHz甚至GHz,可应用于各种高性能的质量传感器、谐振器、滤波器等。但是,要制备形貌规则可控的纳米线谐振子,对加工技术要求很高。目前急需一种工艺简单、重复性好、三维尺度可控的硅纳米线制备方法。本文重点研究了基于浓硼扩散层的可集成硅纳米线谐振子的制备方法。该方法采用电子束光刻定义可控尺度硅纳米线,并利用TMAH腐蚀自停止效应实现谐振子的释放。文中还采用SEM对所制备的纳米线谐振子进行了表征。实验结果表明,基于浓硼扩散层制备的硅纳米线谐振子形貌规则,结构可控可调。该方法能够实现可控制的大面积、高产率、低成本、可集成的硅纳米线谐振子制备。     

Study on the applications of SiC thin films to MEMS techniques through a fabrication process of cantilevers

We have tried to find the most suitable conditions for the deposition process of silicon carbide thin films as a material for MEMS techniques. We have also studied its application to semiconductor processes. To do this, we have tried to fabricate several dimensions of cantilevers with these silicon carbide thin films. High quality silicon carbide thin films are grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). This process employs single molecular precursors such as diethylmethylsilane (DEMS), 1,3-disilabutane (DSB) at a pressure of 1 × 10⁻³ Pa and a growth temperature in the range of 700–1000 °C. Two fabrication methods are tested for initial fabrication of cantilevers. First, deposit SiC thin films on Si based atomic force microscopy (AFM) cantilevers. Second, used the lift-off process. To get three-dimensional cantilever-shaped SiC thin films, moreover, we chemically etched silicon substrate with strong alkaline solution such as TMAH at 80 °C. In addition, a high resolution of probe tips on the cantilevers was achieved using electron-beam deposition in a carbon atmosphere.     

Nanostructured pyramidal black silicon with ultra-low reflectance and high passivation

In this study, nanostructured pyramidal black silicon is prepared by metal assisted chemical etching method, in which the silver nitrate (AgNO₃) is used as the metal catalyst. Effects of the concentration of AgNO₃ on passivation and optical properties of the black silicon are investigated. The experimental results show that at the AgNO₃ concentration of 0.03 M, the nanostructure length is about 300 nm, and the reflectance of the black silicon with a stack of silicon nitride (SiN_x) and aluminum oxide (Al₂O₃) is 0.8%, which is comparable to that of the conventional black silicon with micrometer-long nanowires. In addition, an acceptably low surface recombination rate of 42 cm/s can be obtained. Plasma chemical vapor deposited SiN_x is deposited well on the top of nanostructures of black silicon, but shows poor coverage at the bottom region. Spatial atomic layer deposited Al₂O₃ can conformally cover the nanostructures with high passivation quality. Simulation result indicates an improvement of 5.5% of conversion efficiency for the nanostructured pyramidal black silicon solar cell compared to industrial silicon solar cell. The short nanostructured pyramidal surface with low reflectance and high passivation is expected to be helpful for black silicon technology applied to photovoltaic applications.     

One-step Fabrication of Nanoporous Black Silicon Surfaces for Solar Cells using Modified Etching Solution

Currently, a conventional two-step method has been used to generate black silicon (BS) surfaces on silicon substrates for solar cell manufacturing. However, the performances of the solar cell made with such surface generation method are poor, because of the high surface recombination caused by deep etching in the conventional surface generation method for BS. In this work, a modified wet chemical etching solution with additives was developed. A homogeneous BS layer with random porous structure was obtained from the modified solution in only one step at room temperature. The BS layer had low reflectivity and shallow etching depth. The additive in the etch solution performs the function of pH-modulation. After 16-min etching, the etching depth in the samples was approximately 200 nm, and the spectrum-weighted-reflectivity in the range from 300 nm to 1200 nm was below 5%. BS solar cells were fabricated in the production line. The decreased etching depth can improve the electrical performance of solar cells because of the decrease in surface recombination. An efficiency of 15.63% for the modified etching BS solar cells was achieved on a large area, p-type single crystalline silicon substrate with a 624.32-mV open circuit voltage and a 77.88% fill factor.     

基于银纳米线复合透明电极的可弯折柔性聚合物太阳能电池

本文设计了一种可以通过刮涂方法制备的基于银纳米线(AgNWs)的柔性复合透明电极,并以此为基础实现了高性能柔性聚合物太阳能电池的制备。 基于银纳米线的柔性复合薄膜(APA)由银纳米线(AgNWs),聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和铝掺杂氧化锌(AZO)纳米粒子在低温下通过多层刮涂的方法制备。 APA透明复合薄膜在550 nm处透光率达到90.90%,面电阻低至13.01 Ω/sq,在柔性基底上具有很高的粘附性。 在透明的APA/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上制备的柔性聚合物太阳能电池(PSCs),能量转换效率达到5.47%。 而且以5 mm为曲率半径,经过1000次循环弯曲实验,电池的能量转换效率仅下降了14%。     

新型太阳电池光电转换效率测量技术研究进展

不同于传统晶硅太阳电池,新型太阳电池的材料组成多样,光谱响应、容性及稳定性等各异,给其光电转换效率等关键性能指标的准确测量带来了巨大挑战。本文结合国内外现状,综述了近几年作者课题组在新型太阳电池效率准确测量技术方面的一些进展,并重点阐述了效率测量方法、标准量值的溯源和确定、光谱失配因子（Spectral Mismatch Factor,MMF）计算及其它影响因素分析等方面的研究成果,希望能够为各类新型太阳电池光电性能的准确表征提供参考。     

钙钛矿太阳电池吸光层材料研究进展

近年来,有机-无机卤化铅钙钛矿太阳电池的研究取得了突破性进展,公证记录电池效率22.1%,与CdTe薄膜电池（认证记录电池效率22.1%）和CuInGaSn（CIGS）（认证记录电池效率22.3%）薄膜电池技术相媲美,已经接近于市场上主导地位的晶体硅太阳电池（约25%）。有机卤化铅钙钛矿太阳电池器件的长期效率输出稳定性和含毒性Pb严重制约其实际应用。本文将讨论有机卤化铅钙钛矿太阳电池不稳定性因素和相应的解决方案,并对钙钛矿材料中Pb元素的取代工作和无机非铅钙钛矿材料及其太阳电池的研究进行了阐述与展望。