【摘 要】
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目前环境问题日益突出,发展新能源迫在眉睫,在所有新能源中,太阳能电池具有清洁性和可再生性等特点备受青睐。太阳能电池未来发展的趋势之一是薄膜化和柔性化,薄膜太阳能电池可制备在金属箔和有机衬底上,形成柔性太阳能电池。硅纳米线由于其出色的陷光特性,常常被用于晶硅太阳能电池的表面并作为抗反射层的替代,抑制晶硅电池的表面反射并降低制造成本。实际上,硅纳米线阵列除了具有优异的陷光性能之外,还具有远高于晶硅的光
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目前环境问题日益突出,发展新能源迫在眉睫,在所有新能源中,太阳能电池具有清洁性和可再生性等特点备受青睐。太阳能电池未来发展的趋势之一是薄膜化和柔性化,薄膜太阳能电池可制备在金属箔和有机衬底上,形成柔性太阳能电池。硅纳米线由于其出色的陷光特性,常常被用于晶硅太阳能电池的表面并作为抗反射层的替代,抑制晶硅电池的表面反射并降低制造成本。实际上,硅纳米线阵列除了具有优异的陷光性能之外,还具有远高于晶硅的光吸收系数,可作为薄膜太阳能电池的材料。将硅纳米线制成柔性硅纳米线电池的主要难点在于硅上刻蚀的纳米线阵列的大面积有效完整转移和电池器件的结构设计等,目前尚未有成功的柔性硅纳米线太阳能电池的报导。针对上述问题,本论文开发了一种硅上纳米线阵列的大面积转移方法,并制备了柔性纳米线电池,主要研究内容及结果如下:1.开发了一种将硅纳米线阵列从硅基底剥离并转移至柔性衬底形成硅纳米线薄膜方法。纳米线阵列的转移主要面临面积小、产率低、重复性差等难题,我们发现其转移的关键是能够在硅纳米线阵列的刻蚀过程中产生一个水平裂痕。通过二次刻蚀法,研究不同处理方式得到水平裂痕的程度,并对水平裂痕产生的机理进行探讨。最后发现,通过提高二次刻蚀液中H2O2的浓度至一次刻蚀液的10倍,且一次刻蚀的样品经过常温水浴24小时后,纳米线阵列中产生了完全的水平裂痕使其半脱离于基底,可用胶带(或各类柔性衬底)轻松剥离。采用该方法能够制备较大面积的柔性硅纳米线薄膜,微观下显示硅纳米线阵列在柔性衬底上呈现垂直排列的完整形貌,转移率超过95%,10μm厚的柔性纳米线薄膜在可见光区的吸收率达到97%以上,远高于同样厚度的平面硅薄膜。2.利用PEDOT和硅纳米线构成硅纳米线异质结电池,并研究了纳米线长度对器件性能的影响。由于异质结制备在纳米线阵列顶端,载流子沿着纳米线输运较长的距离才能到达异质结的界面,随着Si NWs长度的增加,纳米线阵列吸光变强,Jsc呈现一个上升的趋势,但其Voc却呈现一个下降的趋势,在其长度为20μm时,Voc下降减缓,Jsc达到电池最高值,电池效率最高。在此基础上,将纳米线阵列从硅基底上剥离,转移至柔性衬底,制备了20μm厚的柔性硅纳米线太阳能电池,电池在光照下显示出典型的光伏特性,短路电流6.89 mA/cm~2,开路电压为168 mV,该工作证明了利用硅纳米线制备柔性太阳能电池的可行性,为低成本柔性硅太阳能电池在光伏领域的应用提供可能。
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