AAO纳米结构光栅对薄膜硅太阳能电池光吸收及转换效率的提高研究

The AAO templates as nanostructure gratings have been introduced on both top and bottom of the thin-film silicon solar cells to enhance the light absorption. Further, light absorption enhancement is also improved by the light absorption of the silicon nanowires embedded in the pores of AAO template. The design is to resolve the problems, such as low energy conversion of thin-film solar cell, high cost of preparation of texture grating..The physical modeling of thin-film silicon solar is designed. Then the effects such as light absorption enhancement, short circuit current and open circuit voltage of silicon solar cell with different AAO nanostructure gratings are studied by Finite-Difference Time-Domain (FDTD) and Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA). .The experiments are carried out based on the study of numerical simulation. The thin-film silicon solar cells with different AAO nanostructure gratings are fabricated by using RF-PECVD and two-step anodization process. Then, the enhancement of light absorption of silicon nanowires in the pores of AAO is analyzed. Meantime, the parameters of AAO nanostructure gratings both on top and bottom of the thin-film silicon solar cells are optimized by performance testing of the as-prepared solar cells..The organic combination of nanotechnology and thin-film silicon solar cell technology is hoped to improve the energy conversation efficiency and lower the cost of preparation of texture grating. These applications of AAO nanostructure grating in solar cells are expected to have a bright prospect of industrialization.

本课题通过将AAO模板作为纳米结构光栅引入到薄膜硅太阳能电池表面和底部，同时利用底部AAO孔径中的Si纳米线对光的吸收增强效应，来解决当前薄膜硅太阳能电池转换效率低、叠层光栅制备设备昂贵、成本较高的难题。课题通过对薄膜硅太阳能电池物理建模，采用时域有限差分法和严格耦合波分析法，数值模拟不同AAO纳米结构光栅对光吸收、短路电流、开路电压及转换效率的影响。并在数值模拟基础上开展实验研究，通过RF-PECVD技术和二次阳极氧化技术，制备带有不同AAO纳米结构光栅的非晶硅薄膜太阳能电池，研究Si纳米线结构阵列对光的吸收增强效应，开展电池性能测试，确定作为薄膜硅太阳能电池表面和底部AAO纳米结构光栅的最佳参数。课题将纳米技术与薄膜硅太阳能电池技术有机结合，课题的完成有望显著提高薄膜硅太阳能电池的转换效率，同时大幅降低叠层光栅制备成本，具有非常好的工业化应用前景。

近年来，利用各种纳米陷光结构提高硅基太阳能电池转换效率受到了人们的广泛研究和重视。利用光栅提高薄膜硅太阳能电池的陷光能力是关键技术之一，但传统叠层光栅制备工艺复杂、成本高，不利于产业化。为此，本项目提出将AAO纳米光栅引入到薄膜硅太阳能电池顶部和底部，从仿真和实验两个角度详细分析了AAO对薄膜硅太阳能电池光电性能的影响。获得如下研究成果：.1、设计了四种新型薄膜硅太阳能电池结构。通过物理光学知识，理论上计算了表面和底部AAO纳米光栅的几何结构参数。.2、利用FDTD研究了AAO结构参数（厚度、周期、孔径、占空比）对薄膜硅太阳能电池光电性能的影响。得到了表面和底部AAO纳米光栅的最佳参数。分别为表面AAO：厚度75nm、周期440nm、占空比0.5；底部AAO：厚度90nm，周期380nm，占空比0.75。.3、通过二次阳极氧化技术，通过合理控制扩孔时间、电解液温度等制备条件，得到了孔径从30nm-400nm，深度从200-300nm的超薄AAO。.4、探索了利用物理吸附方法，在薄膜硅太阳能电池顶部和底部引入AAO纳米光栅的工艺。发展了在太阳能电池表面和底部引入纳米光栅的新技术。.5、通过PECVD技术，实验制备了表面和底部带有AAO纳米光栅的薄膜硅太阳能电池，系统测试分析了有无AAO纳米光栅对薄膜硅太阳能电池光电性能的影响。实验结果表明，在传统多晶硅太阳能电池表面移植AAO纳米光栅后，光电转换效率由10.3%提高到11.52%，减反效果明显。底部AAO纳米光栅作为背反射光栅，延长了长波长光子的光程，有力促进了600-1000nm波段的光吸收，但对薄膜硅太阳能电池电学性能提高不明显，原因是AAO不导电，不利于载流子的分离。. 本项目4年来累计发表SCI或EI收录文章11篇。申请发明专利2项，培养研究生6名。通过本项目的研究，制备了大孔径的AAO，明确了顶部和底部AAO的最佳结构参数，探索了AAO在薄膜硅太阳能电池上的应用。该研究有力推进了AAO在薄膜硅太阳能电池上的应用步伐。