Ⅲ-Ⅴ族化合物高效太阳能电池工艺技术研究

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太阳能作为一种可再生能源,具有资源丰富、是洁净能源以及使用方便等优点,是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一。利用半导体的光伏效应研制太阳能电池将太阳光能转化为电能是有效利用太阳能的途径之一。在多种不同材料的太阳能电池种类中,以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池因其较高的转化效率并且可以制成效率更高的多结叠层电池而受到广泛的关注。  本论文首先完成了GaAs单结和三结太阳能电池的整个工艺流程,掌握了其中的关键技术;并在此基础上针对近几年的研究热点表面等离子体激元(SPPs)增加太阳能电池陷光在GaAs薄膜电池上的应用进行了系统的研究。具体的内容如下:  1.GaAs单结及三结太阳能电池工艺技术研究:采用所外购进的GaAs基太阳能电池外延片,完成了电池后工艺制备的整个流程。对其中的几步关键工艺:台面刻蚀、帽层的选择性腐蚀和正背面电极的欧姆接触进行了具体的研究。最后GaAs三结电池的效率达25.6%,填充因子大于84%。  2.太阳能电池正面电极的优化设计:针对两种不同的电极结构,依据电极的尺寸以及与正面电极相关的四种不同损耗,进行了系统的理论模拟分析。对不同聚光条件下的电极优化以及转化效率进行了模拟,得出了最大转化效率下的聚光因子,更加完善了聚光电池正面电极的优化。  3.SPPs增强GaAs薄膜电池陷光:采用电子束蒸发金属Ag膜结合退火的方式分别在Si、玻璃和GaAs薄膜电池的表面制备了不同大小的Ag纳米颗粒。通过观察颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图片,统计分析了不同厚度Ag膜退火后的Ag颗粒分布;测试玻璃衬底上制备不同尺寸的Ag纳米颗粒后的透射曲线,分析了表面等离子体共振波长(SPRW)的变化;最后通过相应GaAs薄膜电池的外量子效率(EQE)曲线和I-V曲线,得出最优的Ag膜厚度为6nm。利用所测得的EQE曲线,根据理论计算得出表面制备有6nm的Ag膜并且退火后的GaAs薄膜电池相比未蒸发Ag膜的电池的短路电流密度提高了14.2%,这也是目前所报道的最优结果。  4.为了更进一步研究SPPs在太阳能电池上的陷光作用,我们采用原位制备的多孔阳极氧化铝(PAA)模板分别在Si和GaAs衬底上制备了有序排列的Ag纳米颗粒。对比了GaAs衬底上原位制备PAA模板同在Si衬底上原位制备PAA模板的差别;并且通过改变GaAs衬底表面上作为保护层的SiO2层厚度,在制备有序排列的Ag纳米颗粒后,测试了反射曲线,分析不同的介质层厚度对SPPs效应的影响,为将来将减反射膜同SPPs结构相结合奠定了很好的基础。  总之,我们在完成了Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池整个后工艺制备流程的基础上,系统研究了SPPs对GaAs薄膜电池的影响,并且采用在GaAs衬底上原位制备的PAA模板制备了有序排列的金属纳米颗粒,这些成果为以后更加深入的研究将光学增透膜同SPPs结构相结合的GaAs太阳能电池宽波段陷光结构奠定了坚实的基础。
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