金屬納米結(jié)構(gòu)電極的構(gòu)筑及其在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、第一代硅太陽(yáng)能電池是以高能耗、高污染為代價(jià)的生產(chǎn)加工方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然具有高的效率，而在和傳統(tǒng)化石類能源的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。主要原因在于發(fā)電成本太高。在保持效率的同時(shí)降低成本是太陽(yáng)能電池是否取得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。第二代太陽(yáng)能電池致力于大規(guī)模生產(chǎn)，降低成本，薄膜化可以減少吸收層材料的使用量，降低成本的同時(shí)，又有利于光生載流子的分離與收集，提高光電轉(zhuǎn)化效率。但第二代太陽(yáng)能電池存在光吸收不足的問(wèn)題；第三代太陽(yáng)能電池主要是基于納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能

2、電池，通過(guò)引入一些新的物理機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的提高；采用低成本的加工手段或采用低品質(zhì)的吸收層材料，使之納米結(jié)構(gòu)化等。太陽(yáng)能電池由體材料、薄膜或超薄膜材料向納米結(jié)構(gòu)材料過(guò)渡的過(guò)程，正是大規(guī)模生產(chǎn)方式（roll-to-roll）逐漸實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本降低的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，存在許多問(wèn)題需要解決。其中，與roll-to-roll大規(guī)模生產(chǎn)方式相匹配的可彎折透明導(dǎo)電電極的問(wèn)題，新型薄膜材料的光吸收不足的問(wèn)題是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　根據(jù)

3、以上的問(wèn)題，本論文做了以下三個(gè)方面的工作：
　　1.針對(duì)銦錫氧化物（ITO）薄膜在roll-to-roll大規(guī)模生產(chǎn)方式應(yīng)用中存在易碎性、在紫外/藍(lán)色光譜范圍的強(qiáng)吸收等缺點(diǎn)；我們特別研究設(shè)計(jì)了一種納米結(jié)構(gòu)金電極，其具有高透光、良好導(dǎo)電性、高功涵，良好的延展性，易于加工集成，和大批量生產(chǎn)方式的兼容性等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限差分時(shí)域法，我們對(duì)金方形網(wǎng)孔電極的周期、線寬和高度對(duì)光學(xué)透過(guò)率的影響進(jìn)行了全場(chǎng)模擬分析；根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)，采用電子束曝光方

4、法制備了周期500nm，高度50nm，線寬60-100nm的金網(wǎng)孔電極，在300到700nm之間，金網(wǎng)孔電極測(cè)試的光學(xué)透過(guò)率約70％，700-1000nm范圍透過(guò)率超過(guò)80%。測(cè)試的光學(xué)透過(guò)率和計(jì)算結(jié)果一致。金納米結(jié)構(gòu)透明電極的光學(xué)透過(guò)率受到局域化表面等離子體共振吸收，表面等離子激元吸收，金反射等因素影響。測(cè)試的電阻率是商用ITO的兩倍，約為74.5Ω/m2，遠(yuǎn)高于理論值，這主要和一些制備缺陷有關(guān)。本工作為金屬透明電極的設(shè)計(jì)提供一些有益

5、參考。
　　2.面對(duì)新型薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收不足，特別設(shè)計(jì)了一種具有表面等離子體光吸收增強(qiáng)效應(yīng)的銀柵-超薄 ITO復(fù)合上電極，用于超薄硅太陽(yáng)能電池。二維十字型銀柵網(wǎng)格被引入超薄銦錫氧化物中，超薄的銦錫氧化物薄膜主要起到收集光生電荷、減反射膜的作用，二維銀柵扮演著電荷輸運(yùn)和光吸收增強(qiáng)的作用。有限時(shí)域差分模擬結(jié)果表明，優(yōu)化的銀柵-銦錫氧化物復(fù)合上電極太陽(yáng)能電池獲得61%的光吸收增強(qiáng)。超薄硅支持法布里-珀羅共振模，二維銀柵引入了波導(dǎo)模

6、、局域化表面等離子體共振模、表面等離子激元，多種效應(yīng)種協(xié)同促進(jìn)超薄硅的光吸收增強(qiáng)。
　　3.背襯底金屬納米結(jié)構(gòu)能夠耦合垂直入射光進(jìn)入橫向傳播的表面等離子激元模，從而實(shí)現(xiàn)光路徑的增加及光吸收增強(qiáng)。本章設(shè)計(jì)了一種正六邊形凸起金結(jié)構(gòu)，采用電子束曝光的工藝流程制備了金結(jié)構(gòu)陣列，并以此為結(jié)構(gòu)化的背襯底，用以增強(qiáng)薄膜Cu2O-ZnO太陽(yáng)能電池的光吸收。結(jié)果表明，引入凸起結(jié)構(gòu)后造成了Cu2O-ZnO pn結(jié)界面質(zhì)量變差，缺陷復(fù)合增多，增加反向飽

7、和暗電流，導(dǎo)致開路電壓降低；同時(shí)由于Cu2O的有效吸收范圍小于650nm，而納米結(jié)構(gòu)化背電極支持的表面等離子激元模不在此范圍內(nèi)，造成整個(gè)電池的短路電流沒(méi)有提高。金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振吸收增強(qiáng)的過(guò)程存在著歐姆吸收損失的特征，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)光吸收增強(qiáng)及效率提高。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：
　　針對(duì)當(dāng)前新型薄膜太陽(yáng)能電池所面臨的問(wèn)題，一是能夠匹配大規(guī)模生產(chǎn)方式的柔性透明電極的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)，二是新型