光栅结构减反膜在钙钛矿太阳能电池上的应用

钙钛矿太阳能电池作为新型的光伏器件目前获得了广泛的关注,其光电转换效率不断提高.钙钛矿电池的光电转换性能除了和钙钛矿薄膜的光电性能有密切关系之外,还受到器件的结构、界面、光学设计等方面的影响.研究了钙钛矿电池的表面光学特性,在电池表面引入一层减反薄膜,从而降低光线在表面的反射损失,以期提高电池的转换效率.通过研究薄膜微...     

氧化锌纳米线耦合硅金字塔微纳复合结构的制备及其自清洁特性研究

光伏器件粉尘堆积伴随的遮光效应极其严重,可导致太阳能电池的光电转换效率降低一半以上,这是任何其他提高光伏器件性能的高新技术所不能弥补的.本文根据Cassie-Baxter理论构建出一种基于光伏器件应用的超疏水自清洁微纳复合结构,即氧化锌纳米线耦合硅金字塔.通过调控硅金字塔的尺寸和均匀性,使其尺寸效应不被遮盖以符合存在微米构型的疏水要求,同时尽量不破坏硅光伏器件绒面的减反性能.本文采用水热法在金字塔表面生长氧化锌纳米线的方案,通过系统的实验设计,首次成功地制备了符合光伏器件应用的接触角高达154?,且接触角滞后小于10?的超疏水自清洁微纳复合结构.此外,我们不仅发现硅金字塔的刻蚀存在"高温促进硅金字塔刻蚀"的温度效应和硅金字塔顶部有"圆润-方正-圆润"的时间效应,还从物理上对高温促进刻蚀、晶体的各向异性刻蚀导致的硅金字塔和我们所制备的氧化锌纳米线耦合硅金字塔复合结构的陷光效应等进行了比较充分的分析.     

叠层荧光集光太阳能光伏器件的性能模拟和优化

荧光集光太阳能光伏器件可以减少太阳能电池的用量,有效降低光伏发电的成本.相对于单层荧光 集光太阳能光伏器件,叠层荧光集光太阳能光伏器件能分波段充分利用太阳光谱,提高荧光集光太阳能光伏 器件的效率,进一步降低光伏发电的成本.但是,叠层荧光集光太阳能光伏器件涉及较多的参量,难以通过实验 优化.本文分析了从单层到叠层荧光集光太阳能光伏器件的全部物理过程,建立了数学模型,并相应编制了 计算机模拟软件.运用上述软件,系统研究了器件尺寸、太阳能电池的带隙对光电转换效率的影响.     

平面复合金属微纳结构的圆二色性研究

圆二色性效应在圆偏振器、光调制器及光电器件等方面具有广泛的应用.为提高平面金属微纳结构的圆二色性,本文设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构,并应用有限元方法研究了该阵列微纳结构的圆二色性特性.数值计算结果显示,在圆偏振光的激发下,G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子等共振模式.当G形微纳结构与无限长纳米线连接时,各共振波长均发生红移,并且无限长纳米线增加了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度,从而使得平面复合微纳结构的圆二色性信号明显增强.此外,还研究了平面复合微纳结构阵列的几何参数对其圆二色性特性的影响.这些结果为提高平面手性微纳结构的圆二色性信号强度提供一定的指导思路和方法.     

GaAs纳米线及GaAs/In_xGa_(1-x)As/GaAs纳米线径向异质结构的无催化选区生长的实验研究

利用无催化选区金属有机化学气相沉积(SA-MOCVD)法在GaAs(111)B衬底上分别制备了GaAs纳米线和GaAs/InxGa1-xAs/GaAs纳米线径向异质结构.系统地研究了生长条件对GaAs纳米线生长的影响.实验结果显示,GaAs纳米线的形貌和长度依赖于生长温度、AsH3的分压以及SiO2掩膜表面的圆孔直径.因此可以通过调节以上因素来得到高质量的GaAs纳米线.并且发现扩散是影响无催化选区生长GaAs纳米线的主要机理.微区光致发光谱(μ-PL)表明,GaAs/InxGa1-xAs/GaAs纳米线径向异质结构被成功合成,室温(300 K)下它的发光波长为913 nm.这些结果对于GaAs纳米线及其异质结构制备的进一步研究及其在光电子器件中的应用具有很好的参考价值.     

光栅减反层太阳能电池光电转换效率的研究

运用时域有限差分方法,研究了光栅减反层结构对太阳能电池光电转换效率及储能效果的影响.具体从光栅形状、高度以及光栅表面金属薄膜厚度出发.结果表明经光栅减反层优化表面结构的太阳能电池的光电转换效率显著增大,储能效果大大得到提升.尤其是三角形光栅太阳能电池.随着镀层厚度的增加,储能效果增加,但当薄膜厚度过厚时,储能效果反而降低.     

利用纳米球提高红外波长上转换探测器效率

在红外波长上转换探测器氮化硅(SiN_x)钝化层制作单层六角密排的二氧化硅(SiO_2)纳米球阵列,以提高红外波长上转换探测器的整体效率.采用自组装的方法在器件钝化层上制备了直径分别约为300,450,750和1000 nm的SiO_2纳米球,并与无表面微纳结构器件进行对比测试.结果表明:钝化层附着SiO_2纳米球能有效地提高红外波长上转换器的光提取效率;当SiO_2纳米球直径为750 nm时的光提取效率最优,是无表面微纳结构器件的2.6倍,可实现低成本制作高效率红外波长上转换探测器.     

基于新型透明导电电极的有机光伏器件的制备与表征

介绍了一种高功函数的掺杂钛酸镧的氧化铟透明导电阳极并用其制备了有机光伏器件,详细研究了该材料对器件性能的影响,同时对比了ITO为阳极的器件性能。由于ILTO具有较好的掺杂、较高的透过率和高的有效表面功函数等优异的光电特性,与基于ITO的器件相比,ILTO的有机光伏器件的填充因子、短路电流及功率转换效率均得到了优化与提升,填充因子由61.1%提高到63.5%,短路电流由3.26 mA/cm2提高到5.64 mA/cm2,功率转换效率由0.91%提高到1.45%。     

基于纳米孔阵列增透膜的光伏器件特性分析及实验研究

利用严格耦合波理论分析了纳米孔阵列薄膜的光学特性,提出将纳米孔阵列薄膜作为光伏器件 增透膜来提高器件的光吸收和转换效率.理论分析表明:纳米孔阵列薄膜比单层增透膜有更好的增透效果, 能够更好地提高光伏器件的转换效率,在400 nm-600 nm波段尤为显著.纳米孔阵列薄膜的最优结构参数: 周期为500 nm,填充率为0.2,厚度为110 nm.采用微纳加工技术,在Φ 200 μm Si 探测器的增透膜上制作了不同周期的纳米孔阵列,并搭建了相应的测试系统.实验结果表明: 周期为500 nm时器件的性能提高最为明显,短路电流在400 nm-1100 nm波段提高约为6%, 在400 nm-600 nm波段提高约为15%;开路电压提高约为2%.纳米孔阵列薄膜能够很好地提高光伏器件 的转换效率.     

Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展

介绍了近年来低成本Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu_2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu_2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu_2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu_2O吸收层在Cu_2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga_2O_3等)和背表面电场(如p~+-Cu_2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga_2O_3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga_2O_3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu_2O基太阳电池的开路电压V_(oc)(可达到1.2 V)和光电转换效率.p~+-Cu_2O(如Cu_2O:N和Cu_2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu_2O(Cu_2O:Na)作为吸收层和Zn_(1-x)Ge_x-O作为n型缓冲层,Cu_2O异质结太阳电池(器件结构:MgF_2/ZnO:Al/Zn_(0.38)Ge_(0.62)-O/Cu_2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.     

片上制备横向结构ZnO纳米线阵列紫外探测器件

将纳米技术与传统的微电子工艺相结合, 片上制备了横向结构氧化锌(ZnO)纳米线阵列紫外探测器件, 纳米线由水热法直接自组织横向生长于叉指电极之间, 再除去斜向的多余纳米线, 其余工艺步骤与传统工艺相同. 分别尝试了铬(Cr)和金(Au)两种金属电极的器件结构: 由于Cr电极对其上纵向生长的纳米线有抑制作用, 导致横向生长纳米线长度可到达对侧电极, 光电响应方式为受表面氧离子吸附控制的光电导效应, 光电流大但增益低, 响应速度慢, 经二次电极加固, 纳米线根部与电极金属直接形成肖特基接触, 光电响应方式变为光伏效应, 增益和速度得到了极大改善; 由于Au电极对其上纵向生长的纳米线有催化作用, 导致溶质资源的竞争, 相同时间内横向生长的纳米线不能到达对侧, 而是交叉桥接, 但却形成了紫外光诱导的纳米线间势垒结高度调控机理, 得到的器件特性为最优, 在波长为365 nm的20 mW/cm²紫外光照下, 1 V电压时暗电流为10^-9 A, 光增益可达8×10⁵, 响应时间和恢复时间分别为1.1 s和1.3 s.     

利用金属纳米颗粒改善有机光电器件性能

有机发光和有机光伏器件为代表的有机光电器件在显示、照明、能源等领域有着广阔的应用前景。有机发光器件具有发光效率高、发光颜色丰富、响应速度快等优点,而有机光伏器件具有质轻、成本低、可实现柔性器件等优点。金属纳米颗粒的表面等离子体共振耦合效应可以提高有机发光器件的效率和有机光伏器件的光电转换效率,因而得到了研究人员的广泛关注。本文综述了金属纳米颗粒改善有机发光/光伏器件性能方面的研究进展,并对其今后的应用趋势进行了讨论。     

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.     

多孔硅的光生伏特效应

多孔硅(PS)的可见光致发光的发现[1],引起人们对PS的光电特性及其在光电器件上应用可能性的广泛探索.已报道用PS制成发出可见光的电致发光器件[2]及高灵敏的光探测器件[3].本文将报道PS层与金属接触,光照时能出现很强的光生伏特效应,利用这一特性有可能制成高效的光电转换器件.     

晶体硅太阳电池表面纳米线阵列减反射特性研究

为增强晶体硅太阳电池的光利用率, 提高光电转换效率, 研究了硅纳米线阵列的光学散射性质. 运用严格耦合波理论对硅纳米线阵列在310—1127 nm波段的反射率进行了模拟计算, 用田口方法对硅纳米线阵列的表面传输效率进行了优化. 结果表明, 当硅纳米线阵列的周期为50 nm, 占空比为0.6, 高度约1000 nm时减反射效果最佳; 该结构在上述波段的平均反射率约为2%, 且在较大入射角度范围保持不变. 采用金属催化化学腐蚀法, 于室温、室压条件下在单晶硅表面制备周期为60 nm,占空比为0.53, 高度为500 nm的硅纳米线阵列结构, 其反射率的实验测试结果与计算模拟值相符, 在上述波段的平均反射率为4%—5%, 相对于单晶硅35%左右的反射率, 减反射效果明显. 这种减反射微结构能够在降低太阳电池成本的同时有效减小单晶硅表面的光反射损失, 提高光电转换效率.     

若干新型微纳光子学器件研究

光子晶体和纳米光纤是两种重要的微纳光子学材料,各自具有非常独特的控制光子传输状态的功能,是研究微纳尺度下光与物质相互作用的重要平台,也是实现新型微纳光子学器件的重要基础.文章简要介绍了超快速低功率光子晶体全光开关、纳米光纤传感器、干涉器和介质-金属纳米线复合结构器件的研究进展.     

GaAs纳米线阵列太阳能电池的设计与优化

为了得到纳米线阵列太阳能电池的最优转换效率,通过仿真计算对GaAs轴向pin结纳米线阵列进行了结构优化.首先利用三维有限时域差分法分析了GaAs纳米线阵列的光吸收特性,并对其直径、密度等结构参量进行优化,优化后的GaAs纳米线阵列的光吸收率可达87.4%.在此基础上,利用Sentaurus软件包中的电学仿真模块分析了电池的电学性能,并根据光生载流子在纳米线中的分布,对轴向pin结结构进行优化,最终优化过的太阳能电池功率转换效率可达到17.6%.分析结果表明,通过钝化处理以降低GaAs纳米线的表面复合速率,可显著提升电池的功率转换效率,而通过减小纳米线顶端高掺杂区域的体积,可减少载流子复合损耗,从而提高电池效率.该研究可为制作高性能的纳米线太阳能电池提供参考.     

底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列太阳能电池

提出了一种基于底部反射增强的GaAs纳米线径向p-i-n结阵列的太阳能电池,利用有限差分时域法和有限元方法对其光谱吸收和光伏性能进行了研究.结果 表明,将聚合物和衬底之问的SiO2替换为低折射率的MgF2介质层,不仅显著降低了衬底的吸收损耗,还显著提高了纳米线阵列在整个波长范围内对光的吸收率.此外,通过优化i区厚度和纳米线长度,可将太阳能电池的光电转换效率提升至13.9％.该研究为实现低成本、高性能的纳米太阳能电池提供了一条可行途径.     

InAs/GaAs和InAs/InxGa1-xAs/GaAs纳米线异质结构的生长研究

利用金辅助金属有机化学气相沉淀法(MOCVD)在GaAs(111)B衬底上分别制备了InAs/GaAs和InAs/In _{x Ga1-xAs/GaAs(0≤x≤1)纳米线异质结构.实验结果显示,直接生长在GaAs纳米线上的InAs纳米线生长方向杂乱或者沿着GaAs纳米线侧壁向衬底方向生长,生长的含有In x Ga1-xAs组分渐变缓冲段的InAs/In x Ga1-x关键词： 纳米线异质结构 xGa1-xAs')" href="#">InxGa1-xAs 组分渐变缓冲层 金属有机化学气相沉淀法}     

通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备

氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp~3杂化结构向短寿命sp~2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.