金屬微納結構α-Si:H/μc-Si:H雙結薄膜太陽能電池研究

《金屬微納結構α-Si:H/μc-Si:H雙結薄膜太陽能電池研究》是依託蘇州大學，由李孝峰擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：金屬微納結構α-Si:H/μc-Si:H雙結薄膜太陽能電池研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：李孝峰
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

表面等離子太陽能套用是微納光學和光伏領域的最新熱點。研究表明，藉助表面等離子技術有望實現太陽能的高效低成本利用。現有研究主要針對單結太陽能電池展開，對於新型多結系統還鮮有報導。本項目選取具備重要套用前景的非晶矽/微晶矽（α-Si:H/μc-Si:H）雙結薄膜光伏系統作為研究對象，詳細探討如何設計金屬微納結構來提高此類器件光電轉換效率。我們將廣泛採用Mie理論、嚴格耦合波、時域有限差分和有限元等光學方法詳細研究多種金屬微納結構下α-Si:H/μc-Si:H雙結系統的散射、近場限制、導波、光學捕獲與吸收等光學現象，並嚴格模擬三維空間下載流子（電子、空穴）的生成、輸運、複合和收集等電學過程，得到器件完整的光學/電學性能指標，準確預測器件性能。實驗上，將利用多種微納工藝進行金屬微納系統和太陽能電池的製作以及相關結構/器件的光學電學表征。本課題的成功實施將為光伏領域提供新穎的器件設計方案。

結題摘要

引入多層結構提升太陽電池光電轉換效率是光伏領域新趨勢。一個重要課題是基於α-Si:H/μc-Si:H 的雙結薄膜太陽能電池。這類電池的優勢：（1）μc-Si:H 層的引入可減小α-Si:H 層厚度，從而有效抑制因α-Si:H 材料引起的 Staebler-Wronski效應；（2）μc-Si:H 可將器件吸收頻寬拓展到 1200 nm 附近，有助於充分吸收太陽光能量；（3）電池輸出電壓更高。提高該類電池性能的有效方法包括：（1）引入金屬微納結構修飾以激發表面電漿共振、（2）納米結構化光吸收層、（3）在α-Si:H層與μc-Si:H層之間引入選擇性反射/透射層。 本課題對α-Si:H/μc-Si:H雙結太陽能電池展開了系統分析，建立出詳實和準確的電磁波耦合、光電轉換計算模型，其中涉及Mie 理論、嚴格耦合波和有限元等光學方法，對多尺度、多物理場中的載流子生成、輸運、複合和收集等電學性能進行了原創性的模型建立和嚴格仿真。研究結果揭示金屬微納結構在α-Si:H和μc-Si:H材料中的光學散射和近場光學限制可有效抑制器件的光反射和增強α-Si:H薄膜（~200 nm）的單位體積光吸收率；金屬微納結構的寄生吸收可通過調製金屬材質、形狀和分布得以緩解；金屬-半導體界面處對載流子的捕獲/複合可通過引入超薄隔離層來降低。進一步發現，在匹配頂、底電池的光電流密度時，通常μc-Si:H底電池的光電流密度要大於α-Si:H頂電池。通過對α-Si:H層的納米結構化處理，可進一步降低電池的光反射率，明顯增加頂電池的光吸收和光電流密度。我們設計了新型分散式布拉格反射鏡為中間選擇性反射層，使其在550~750nm波段具有高反射率，以提高α-Si:H層吸收，同時要求在750~1200nm波段具有高透光率，以保障μc-Si:H層光電流不受明顯影響。相對於傳統的α-Si:H/μc-Si:H電池，引入納米結構化處理和中間選擇性反射層後，串聯電池的輸出電流密度可提高37.56%。 本項目還進行了一系列擴展性研究，包括：金屬微納結構光學理論和調製、熱電子的光電轉換與探測、α-Si:H/μc-Si:H單納米線光電轉換仿真、矽基微/納米線或孔陣列的光電仿真和實驗研究、金屬納米線格線透明電極的製備及套用。這些研究揭示了金屬/半導體微納結構的光、電性能，豐富了矽基太陽能電池種類，完善了微納結構太陽能電池理論和實驗基礎。