论文部分内容阅读
随着全球能源短缺与环境污染问题的日益加剧,越来越多的人开始致力于太阳能电池的发展。晶硅电池是光伏市场最重要的组成部分。传统晶硅电池吸收层较厚导致了电池的成本较高。为了降低生产成本、节约资源人们开始设计并研发超薄晶硅电池、纳米结构晶硅电池以及钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。因此如何降低电池各层的光学吸收损耗,提高光吸收进而提高光电流密度和实现较高的光电转换效率是太阳能电池领域发展亟待解决的问题。针对以上的问题,本论文在以下几个方面展开研究:首先,本文模拟了单面金字塔织构和双面金字塔织构超薄晶硅电池的光电流密度和光电转换效率,并研究了周期性织构与随机织构对吸收光谱的影响,讨论了陷光结构对入射光角度依赖性的问题。通过对金字塔结构特征角度（从25°到70°）和底面直径（从2μm到6μm）参数的扫描,同时保证晶体硅吸收层的等效平面厚度为20μm,我们得到了单面金字塔织构（前表面）和双面金字塔织构电池的最大光电流密度,分别为36.23 mA/cm2和37.71 mA/cm2。分析吸收和反射光谱得到,双面金字塔织构中前表面金字塔织构的主要作用是降低电池前表面的反射率,后表面金字塔织构的主要作用是抑制入射光的逃逸。双面金字塔织构增强了超薄晶硅电池在长波段（850-1150nm）的吸收,使光吸收接近了Yablonovitch极限。模拟数据显示出,平面参考电池、单面金字塔织构电池和双面金字塔织构电池的转换效率分别为16.94%,19.65%和20.45%。此外我们还研究了周期性织构与随机织构对吸收光谱的影响。结果显示:对单面金字塔织构电池而言,在长波长900nm-1200nm范围内,随机金字塔织构的吸收率高于周期性金字塔织构;而对双面金字塔织构来说,随机结构与周期结构的吸收曲线几乎是完全一致的。对太阳光入射角度依赖性的研究发现较单面金字塔织构而言,双面金字塔织构电池始终保持着较高的吸收效率和较低的逃逸效率,对入射光角度的敏感性也很低,这对太阳能电池的实际应用非常有帮助。其次,本文设计了在纳米圆柱织构基础上进行二次织构的超薄晶硅太阳能电池,并利用时域有限差分法模拟了电池的光电流密度和电场分布。首先优化表面纳米圆柱织构,得到最佳结构参数,其电池光电流密度相较与平面参考电池提高了72.8%。接下来,在纳米柱结构上挖圆柱形孔洞和圆锥形孔洞,形成复合织构。通过计算发现,纳米柱与圆锥形孔洞结合的复合织构更能提高电池的光电流密度,相较于纳米柱织构而言,复合织构能在300nm-700nm的波长范围内增强电池的光学吸收,比平面参考电池光电流密度提高了86.8%,证明这种复合纳米织构在一定的参数范围内可以提高超薄晶硅电池的光学吸收。并且通过对电池中的电场分布可以知道复合织构更有利于长波长的入射光向电池的底部传播。然后,本文模拟了具有纳米圆锥和金字塔两种抗反射涂层织构的钙钛矿太阳能电池,通过光子管理增强电池的光电流密度。结果显示:抗反射层为SiO2时,纳米金字塔和圆锥织构电池的最大光电流密度分别为24.95 mA/cm2和24.52mA/cm2,分别比平面参考电池提高9.3%和7.5%;抗反射层为Si3N4,纳米金字塔和圆锥纳米结构电池的光电流密度相较于参考电池分别提高了12.2%和12.5%。进一步发现,具有抗反射纳米涂层织构的钙钛矿电池可降低入射光的角度依赖性。最后,在前面晶硅电池和钙钛矿电池研究的基础上,构造了钙钛矿/晶硅叠层电池,研究陷光结构对叠层电池的影响。通过对叠层电池结构的优化,发现当钙钛矿吸收层的厚度为55nm时,顶层电池和底层电池可以达到相匹配的光电流密度,光电流密度分别为16.55 mA/cm2和16.36 mA/cm2。由吸收光谱可以看出,顶层钙钛矿层主要吸收了300nm-800nm短波段的太阳光,底层晶硅电池主要吸收了800nm-1200nm长波段的太阳光。我们所设计的叠层电池由超薄钙钛矿吸收层和超薄晶体硅吸收层构成,不仅降低了电池的制造成本也减少了钙钛矿吸收层有毒元素的含量。