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光伏能源是解决人类二十一世纪能源危机的重要途径之一,有关晶硅太阳能电池的研究也是当今国际研究领域的前沿和热点。其中,如何在低成本条件下有效提高晶硅太阳能电池的效率尤为研究重点,得到了很大的关注。本论文旨在研究提升太阳能电池的转换效率,并将纳米科技等新兴技术引入太阳能电池的研发与生产中,探索新技术与常规生产工艺的结合,用以克服目前晶硅太阳能电池中存在的光管理、光吸收和载流子的有效分离等技术难题,在低成本条件下实现太阳能电池转换效率的提升。
总的来说,本论文的研究重点以及创新成果主要有如下几个方面:
1)对纳米线太阳能电池进行了数值分析与模拟计算,得到了理论结果,很好地指导了后续试验的进行:根据纳米线太阳能电池的内部输运机理,考虑到其反射率较低,n区长度大的特点,建立了相应的数学模型,利用MATLAB实现了仿真计算,得到了纳米线太阳能电池虽然反射率较低,但还需控制好电池的扩散,表面钝化等制作过程。如果这些制作过程,特别是表面钝化处理不好,纳米线电池的各项性能指标就不会得到明显地提升;
2)将半导体中的纳米线制备技术引入太阳能电池制绒环节:利用银盐无电化学催化湿法腐蚀法制备了较为均匀的硅纳米线阵列,硅纳米线的长度可以由腐蚀时问控制,直径在300～500nm,经过测试,在不沉积减反膜的情况下,制备完成的硅纳米线阵列在全波长范围内的反射率低于5%,同时在仿真分析的指导下,制备了纳米线长度不同的太阳能电池,研究了纳米线长度对太阳能电池的影响,得到的结果与理论分析的结论基本一致;
3)采用叠层钝化方案,并利用氮化硅保护了太阳能电池的背面:针对纳米线超小绒面太阳能电池中出现的表面复合严重,铝背场脱落的问题,在保证成本较低,制备工艺简单的条件下,挖掘现有设备工艺条件,采用扩散炉制备氧化硅和PECVD沉积氮化硅作为钝化层,经过少子寿命测试表明,叠成钝化提高了少子寿命,另外,采用PECVD沉积氮化硅保护电池背面,防止被银盐溶液腐蚀,经过试验表明一定厚度的氮化硅可以保护电池背面不被腐蚀;
4)在多晶硅片上制各了纳米线超小绒面:针对常规多晶太阳能电池的反射率远高于单晶太阳能电池的问题,创新性地在多晶硅片上制各了超小绒面,反射率比传统多晶硅绒面低了10%左右,并结合单晶纳米线超小绒面存在的问题,在多晶纳米线太阳能电池上采用叠成钝化,提高表面少子寿命,同时保护多晶硅太阳能电池的背面防止被腐蚀,另外针对原有的银盐腐蚀法的成本较高的问题,通过工艺摸索,选用了低成本的镍盐代替银盐,初步实现了在多晶硅片上制备超小绒面的工艺,该工艺制备方法与原有工艺相比,具有成本低,过程容易控制的特点,更易于产业化;
5)成功制备了转换效率最高可达13.15%的径向结太阳能电池:利用光刻图形,ICP刻蚀技术制备了陡直度高,微米级的硅柱阵列,对该结构的反射率进行了研究并与相关理论结果进行了比对,然后与常规太阳能电池工艺结合,制备完成了径向结太阳能电池,同时针对径向结太阳能电池的电极接触问题,创新性地采用光诱导电镀技术,成功地实现了对电极接触性能的改善,经过光诱导处理后的径向结太阳能电池,其填充因子,转换效率等关键指标均有大幅地提升。