随着人类社会对能源需求日益增长与常规化石能源储量有限之间矛盾的加剧和人们环保意识的增强,太阳电池作为一种清洁、安全和可持续的能源利用手段,越来越受人们的青睐。太阳电池是一种由光转换成电的光电器件,其大规模应用的关键点在于高效率而低成本。虽然太阳电池种类很多,但硅太阳电池因其原料来源广阔,工艺成熟,效率高、成本低廉而占据着光伏主流市场。现在业界热衷于研发效率超越22%的硅基太阳电池。纳米材料因其独特的光学和电学性质有望在下一代高效光伏器件中扮演重要角色,如硅纳米结构表面织构(即硅纳米绒面),因其优越的光学特性而备受关注。通过合理设计,硅纳米结构阵列可以实现宽波段广角度接近于0的反射率,因此是一种理想的减反技术,然而在与电池器件相结合时,其优越的减反效果并没有带来电池性能的提高,与常规电池相比甚至下降了。这主要是归因于这些纳米结构绒面具有非常大的表面积,导致表面复合和俄歇复合非常严重。因此本论文聚焦于维持优越光学特性的基础上,降低纳米绒面电池的载流子复合,改善其电学特性,并结合新型器件结构,实现高转换效率。首先,我们通过理论与实验相结合的方法对介质层掩埋硅纳米结构阵列形成的掩埋Mie共振体结构进行研究,获得其新颖的光学减反机理的认识,即Mie共振效应减反和干涉效应减反随介质膜厚度变化是一种相互竞争的过程,这为实现优越的宽波段减反效果提供理论指导。我们还发现掩埋mie共振体阵列是一种准透明减反层,硅纳米结构层本身的光吸收很少,而且当纳米结构高度大于150nm后,减反效果对高度变得不再敏感。这些特性对光伏电池应用来说是极其重要的,意味着可以在保持优越光学特性的基础上减少光生载流子的复合损失。然后,我们采用各种手段对纳米绒面太阳电池进行综合优化以减少载流子复合损失。我们采用了表面多重织构技术并着重优化了纳米结构阵列的排布,减小表面积,实现低反射和低复合。通过调控纳米结构高度(仅100nm),有效减少了光生载流子在表面和发射区体内的复合。进一步调控方块电阻(优化方阻为80Ω/□),减小发射区俄歇复合。我们采用sinx薄膜保型性地覆盖在硅纳米结构表面,实现优越的表面钝化效果,而且在光学上这也构成一种掩埋mie共振体结构,通过调节其厚度,获得低的宽波段减反效果(其在400-1100纳米波段的太阳光谱平均反射率仅2.43%)。由于这些综合手段的采用,同时实现了优越的光电性能,我们在大尺寸硅片上制备出了转换效率为18.5%的纳米绒面太阳电池。接着,我们提出自掩膜法制备纳米金子塔绒面以进一步减小纳米结构的表面增加率,减小载流子复合。我们对纳米金字塔绒面的形成机理进行了研究,指出其主要是基于ag纳米颗粒的自掩膜效应和碱溶液的各向异性腐蚀。因此,这种方法无需另外制备掩膜层,无需光刻、电子束或离子刻蚀,工艺简单、成本低,而且有较宽的工艺窗口,这些对产业化制备纳米金字塔绒面是至关重要的。我们把纳米金字塔绒面应用于扩散结电池和异质结电池,发现其具有极低的表面增加率,因而具有非常优越的电学性能,最终成功地获得了19.2%的光电转换效率,创造了纳米绒面太阳电池的最高纪录。纳米绒面对薄膜硅片更是具有非常重要的意义,可以有效实现减反和陷光,增强光吸收,实现高短路电流密度。最后,我们提出了纳米绒面同质-异质结太阳电池概念。为了更好理解同质-异质结这种新型光伏器件,我们模拟了理想的平面太阳电池,发现同质结层在其中扮演优越场效应钝化的角色,也因此使得同质-异质结电池相比HIT电池具有更好的界面杂质容忍度。此外因其不存在本征非晶硅层,故串联电阻较低,填充因子更高。当然前表面同质结层的设计是至关重要的,其掺杂浓度应尽量高(如5×1018cm-3)而厚度尽量薄(如10nm)。当同质-异质结与纳米绒面相结合时,我们进一步研究了背表面同质结层的场效应钝化效果和对电池性能的影响,指出其设计不同于前表面,其掺杂浓度和厚度都应该是尽量大(如浓度5×1018cm-3,厚度200nm)。通过整体的优化,最后我们指出借助同质-异质结优越的场效应钝化和低串联电阻特性,硅基纳米绒面太阳电池的效率可以实现突破22%,甚至达到25%。