一维纳米材料与光伏器件研究

【摘要】：晶体硅光伏电池是一类重要的太阳能光电转换器件,其关键的研究课题是如何提高电池的转换效率。近年来随着纳米科技的发展,发现具有特殊理化性质的纳米材料或技术可大幅提高晶硅光伏电池的性能。本论文研究了几种纳米结构技术在改善晶硅电池性能中的作用,采取的主要方法为减少反射、降低串并联电阻、改善表面/体钝化、减少表面复合等,提高了电池的转换效率。另外,为了利用碳原子链和石墨烯片改进光伏电池的结构,从理论上研究了其性质。研究工作取得了如下具体进展:首先,用电弧放电法制备了单壁碳纳米管并对其性能进行了表征。用旋涂技术将表面处理后的碳纳米管均匀涂覆在晶硅电池表面形成网状结构层。结果发现此网状结构层可大幅提高电池的各种性能,具体与碳纳米管的浓度和分散性有关。当碳管浓度为360tube/μm2时,电池的相对效率可提高3.92%,短路电流提高1.71%。主要原因是单壁碳纳米管具有高导电性和光吸收特性,网状结构具有陷光作用减少了光的反射,高导电性提高了载流子的表面传输性能提高(即降低了表面电阻),另外具有一维纳米结构的碳管在电池表面可产生激子效应,提高了光的利用率。由于Ni纳米线具有高导电性和稳定性,本论文用肼还原法在磁场诱导下制备了ni纳米线并进行了性能表征。用旋涂技术将表面处理后的ni线涂覆在晶硅电池表面,形成ni纳米线网状结构层。结果发现ni网状结构也可以提高电池性能,当浓度为200mg/m2时,电池的绝对效率提高0.75%,表面电阻下降5Ω/sq。可见,ni纳米线网状结构层在一定程度上降低表面电阻从而提高电池性能,但与碳管相比,因直径较大,表面有很多缺陷,以及分布均匀性的影响等,使得性能提高的幅度不大。采用射频溅射法在晶硅电池表面制备了掺杂al的zno(azo)纳米薄膜并进行了性能表征。发现azo纳米薄膜可提高晶硅电池的综合性能,当azo薄膜厚度约为100nm时,电池的绝对效率可提高0.67%,填充因子提高3.16%。这是由于azo薄膜与电池表面的sinx层形成了新型减反层,减少了光反射,同时其良好的导电性也提高了载流子的传输性能,降低了串联电阻,使得电池性能有所改善。采用第一性原理计算研究了石墨烯二维碳基纳米材料的性质与尺寸的关系,结果表明石墨烯纳米片的能隙随着尺寸的增加逐渐减小,室温下比热容也随尺寸的增加而减小。引入缺陷后,石墨烯纳米片的性质依赖于尺寸,缺陷比越高,影响越大。本文也模拟计算了碳原子链的电学、力学和热学性能。发现具有polyyne形态的一维碳原子链有极高的轴向强度(1304.19gpa),且表现为金属特性;另一种cumulene形态的碳原子链则具有半导体性质(eg=1.859ev)。掺杂硫原子的碳原子链的计算结果表明掺杂后的碳原子链也具有优异的物理特性,而且掺杂量会影响碳原子链的性质。这些理论计算结果表明,石墨烯纳米片和碳原子链都具有优异的物理特性,用于光伏电池后有望提高电池性能。

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