硅纳米晶体的合成及其在太阳电池中的应用

论文摘要

硅纳米晶体由于量子限域效应和多激子效应等特性吸引了研究者的广泛兴趣。将硅纳米晶体应用于太阳电池已经成为当今研究的热点,这其中包括两种方案,一种是利用硅纳米晶体制作新结构太阳电池（硅量子点太阳电池）,另一种是将硅纳米晶体与传统硅太阳电池结合以提高其效率。本文的工作属于后者。我们自主设计、组装和调试了一套冷等离子体硅纳米晶体合成系统。利用该系统成功合成了硅纳米晶体,并通过调节硅纳米晶体的尺寸,实现其光致发光的峰位可调。将约3 nm的硅纳米晶体分散于异丙醇中配成1 mg/mL的硅墨水。通过旋涂的方法实现了硅纳米晶体薄膜在酸织构单晶硅太阳电池片上的有效沉积。太阳电池效率的提高值（相对百分比）可达3.7%。在空气中暴露11天后,太阳电池效率的提高值（相对百分比）下降至1.4%,并趋于稳定。通过建立精确的光学模型,研究在太阳电池结构中,硅纳米晶体薄膜的孔隙率（p）和厚度（t）对300-1100 nm范围内光的透过率及下转换的影响。该模型的建立基于硅纳米晶体的光致发光效率为100%,且硅纳米晶体薄膜的p和t互不干涉这两个前提。假定入射光角度从0°变化到75°,对未封装和封装的太阳电池进行模拟,其结果显示：对未封装的太阳电池,ρ=75%和t=30 nm的硅纳米晶体薄膜最有利于太阳电池效率的提高；而对封装的太阳电池,则是ρ=65%和t=30 nm的硅纳米晶体薄膜最有利于太阳电池效率的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 2.1 硅纳米晶体的存在形式
• 2.1.1 多孔硅中的硅纳米晶体
• 2.1.2 嵌在氧化硅结构中的硅纳米晶体
• 2.1.3 嵌在氮化硅结构中的硅纳米晶体
• 2.1.4 独立存在的硅纳米晶体
• 2.2 硅纳米晶体的性质
• 2.2.1 硅纳米晶的光学性质
• 2.2.2 硅纳米晶体的电输运机制
• 2.2.3 硅纳米结构的热性能和热输运
• 2.3 硅纳米晶体的应用
• 2.3.1 硅纳米晶体在存储器中的应用
• 2.3.2 硅纳米晶体在光子学中的应用
• 2.3.3 硅纳米晶体在生物医学和传感器中的应用
• 2.3.4 硅纳米晶体在锂离子电池中的应用
• 2.3.5 硅纳米晶体在太阳电池中的应用
• 2.4 本论文的研究目的和研究内容
• 第三章 实验内容和测试仪器
• 3.1 实验方案
• 3.1.1 硅纳米晶体的合成和表征
• 3.1.2 硅纳米晶体在太阳电池中的应用
• 3.1.3 硅纳米晶体薄膜对太阳电池的减反射和下转换作用的数值模拟
• 3.2 结构表征设备
• 3.2.1 X射线衍射
• 3.2.2 场发射扫描电子显微镜
• 3.2.3 透射电子显微镜
• 3.3 光学性能测试设备
• 3.3.1 光致荧光谱仪
• 3.3.2 紫外可见吸收光谱
• 3.3.3 椭圆偏振光谱测试仪
• 3.4 电学性能测试设备
• 3.4.1 外量子效率测试
• 3.4.2 太阳电池效率测试仪
• 3.5 成膜相关设备
• 3.5.1 等离子体增强化学气相沉积
• 3.5.2 旋涂仪
• 3.5.3 真空手套、超声仪、甩干机
• 第四章 硅纳米晶体的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 冷等离子体相关知识
• 4.2.1 等离子体原理
• 4.2.2 等离子体中电子和离子的温度
• 4.2.3 等离子体的准电中性
• 4.2.4 等离子体的分类
• 4.3 冷等离子体法合成硅纳米颗粒的特点
• 4.4 冷等离子体硅纳米晶体合成系统
• 4.5 硅纳米晶体的表征
• 4.6 本章小结
• 第五章 印刷硅纳米晶体墨水提高太阳电池效率
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 太阳电池片的选取
• 5.2.2 硅纳米晶体墨水的配制
• 5.2.3 硅纳米晶体在太阳电池表面的沉积
• 5.3 数据分析与讨论
• 5.3.1 硅纳米晶体薄膜的SEM和椭偏表征
• 5.3.2 硅纳米晶体薄膜对太阳电池效率提升的作用
• 5.3.3 硅纳米晶体薄膜提高电池效率的时效分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 硅纳米晶体对太阳电池的减反射和下转换作用
• 6.1 引言
• 6.2 模型图
• 6.3 模拟计算方法
• 6.3.1 模型
• 6.3.2 光穿越单层介质时的透射和反射
• 6.3.3 光穿越两层介质时的透射和反射
• 6.3.4 光穿越三层介质时的透射和反射和吸收
• 6.4 参数确定
• 6.5 结果和讨论
• 6.5.1 光经透射进入太阳电池的光电转换层
• 6.5.2 短波长光经硅纳米晶体的下转换作用后的透过率模拟计算
• 6.6 实验与模拟结果对比
• 6.7 本章小结
• 第七章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 攻读硕士期间发表的论文及专利