等离子体干法制绒的n-Si与P3HT组成杂化太阳能电池的性能研究

【摘要】：低廉的制造成本以及简便的制备工艺促使了基于晶硅衬底制备有机/无机杂化太阳能电池的研究正受到人们的日益关注。有研究表明,有机/无机杂化太阳能电池的内部激子分离能力有限,另外活性层对光的吸收能力也相对较弱。为增强电子-空穴对的有效分离,人们通常引入纳米材料构建“核-壳”结构的方法来改善杂化太阳能电池的内建激子分离电场。而在提高活性层光吸收能力方面的主要解决方法是在晶硅表面上引入纳米线阵结构,在宽光谱范围内有效地抑制光的反射,提高光的吸收。而晶硅表面纳米结构的制备人们一般采用湿法化学腐蚀的方法,有必要提出的是,这种湿法化学腐蚀的方法在大面积太阳能电池的制备过程中受到可控性、重复性和均匀性等多方面的制约。鉴于此,本实验引入等离子体干法制绒的方法以实现晶硅表面的纳米结构的构筑,并采用旋涂的方法结合有机物P3HT制得有机/无机杂化太阳能电池,研究了实验过程中的宏观参量对所制得电池片性能的影响。针对等离子体激发频率引起的晶硅纳米结构调制以及P3HT溶液浓度对杂化太阳能电池的影响进行了研究。实验结果表明:随着等离子体激发频率的增加,晶硅表面的锥形纳米结构的面密度加大,制备得到的有机/无机杂化太阳能电池的表面反射率变低,而短路电流(JSC)、填充因子(FF)和光电转换效率(η)随之增大;当P3HT溶液浓度为15mg/ml、等离子体激发频率为40.68MHz时杂化太阳能电池的性能在所有的样品测试中为最佳。退火温度有利于杂化太阳能电池片中晶硅和P3HT的界面融合,显然,退火温度对所制备的杂化太阳能电池片的性能带来了影响。实验在不同温度下对所制得的杂化太阳能电池片进行了退火处理,时间均为120min。结果表明:电池片在退火温度为150℃时表面反射率最小,并且杂化太阳能电池片的VOC、JSC、FF以及η均达到最大值,光电转换效率最高达到了1.41%。最后,我们研究了不同激发频率下的等离子体干法制绒所制备的具有纳米结构的n-Si/P3HT杂化太阳能电池性能随大气中存放时间的变化规律。实验结果表明:对于未经等离子体干法制绒和使用13.56MHz射频频率下干法制绒的n-Si制成的电池片而言,无论退火与否,J-V曲线、JSC、VOC、FF和η在2天后均急剧降低到几乎零点;对于使用27.12MHz和40.68MHz射频频率下的干法制绒的具有纳米结构的n-Si制成的电池片,J-V曲线以及JSC、VOC、FF和η在存放2个月的时间内,未退火的样品呈现为先增后减的趋势,而退过火的样品则呈现出缓慢减小的变化规律,其中40.68MHz的电池片在2个月之后仍能维持70%的效率,而27.12MHz的电池片仅能维持40%的效率。以上研究表明,等离子体激发射频频率越高,所制得电池片的性能和稳定性越高。一方面,对于高激发频率下的等离子体对晶硅表面的纳米结构造成的损伤小,另一方面,高激发频率下所形成的纳米结构具有更好的陷光效率。除此之外,退火处理也进一步优化了界面融合。这些研究结果对n-Si/P3HT杂化太阳能电池的优化改善和实际应用均具有一定的实验指导意义。 【关键词】：n-Si/P3HT杂化太阳能电池 等离子体干法制绒 纳米结构 时效性
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 序言10-22
• 1.1 太阳能电池的发展现状10-17
• 1.1.1 晶硅太阳能电池10-12
• 1.1.2 薄膜太阳能电池12
• 1.1.3 光电化学太阳能电池12-13
• 1.1.4 有机/无机杂化太阳能电池13-17
• 1.2 低温等离子体概述17-21
• 1.2.1 低温等离子体的生成方法17-19
• 1.2.2 低温等离子体制绒工艺19-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-22
• 第二章 等离子体制绒实验装置和杂化太阳能电池片制备方法22-32
• 2.1 等离子体制绒实验装置22-23
• 2.2 杂化太阳能电池的制备方法23-32
• 2.2.1 P3HT溶液浓度的选择25-26
• 2.2.2 杂化太阳能电池退火温度的选择26-32
• 第三章 不同驱动频率对制备的杂化太阳能电池片性能的影响32-40
• 3.1 不同驱动频率产生的等离子体对单晶硅表面形貌的影响32-35
• 3.2 不同驱动频率产生的等离子体对电池片表面反射率的影响35-36
• 3.3 不同驱动频率产生的等离子体对电池片性能的影响36-40
• 第四章 空气中存放时间对制备的杂化太阳能电池片性能的影响40-57
• 4.1 未制绒单晶硅片制备的杂化太阳能电池片的时效性研究41-45
• 4.2 13.56MHz制绒单晶硅片制备的杂化太阳能电池片的时效性研究45-48
• 4.3 27.12MHz制绒单晶硅片制备的杂化太阳能电池片的时效性研究48-52
• 4.4 40.68MHz制绒单晶硅片制备的杂化太阳能电池片的时效性研究52-56
• 4.5 空气中存放时间对制备的杂化太阳能电池片性能的影响小结56-57
• 第五章 结论57-59
• 参考文献59-65
• 攻读硕士期间公开发表的论文和专利65-66
• 致谢66-67

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