用于高效太阳电池的硅基微纳结构及制备

当前能源危机与环境问题日趋严重,对可再生能源的需求更加迫切。太阳能光伏是重要的可再生能源,随着光伏产业的崛起,高效太阳电池的研究引起了人们广泛的关注。高效太阳电池要求低反射、高吸收、低成本和高效率,而

用于高效太阳电池的硅基微纳结构及制备

当前能源危机与环境问题日趋严重,对可再生能源的需求更加迫切。太阳能光伏是重要的可再生能源,随着光伏产业的崛起,高效太阳电池的研究引起了人们广泛的关注。高效太阳电池要求低反射、高吸收、低成本和高效率,而早期兴起的多孔硅、纳米线等硅基微纳结构应用于太阳电池是提高电池效率的重要途径,因此这些结构成为了太阳电池领域研究的热点。

美国贝尔实验室发现了多孔硅。但对多孔硅的研究热潮直到1980年之后才逐渐兴起,后来对多孔硅的研究达到高峰。早在1982年,多孔硅就应用于太阳电池,并受到广泛的关注。对于多孔硅的制备方法,主要有阳极腐蚀、染色腐蚀等,近些年又出现了金属辅助腐蚀等制备方法。在晶硅表面制备绒面金字塔结构是高效太阳电池发展中的一项重要技术,其目的主要是减少入射光在硅电池表面的反射、增加光的吸收进而提高电池的短路电流和最终的效率。金字塔绒面制备方法主要有湿法异性腐蚀以及干法刻蚀等。

早期报道生长出一种纳米线结构,开启了一个新的研究方向。后来有学者提出了纳米线生长的气-液-固理论,引发了对纳米线结构的研究热潮。90年代随着微电子技术的发展,纳米线的研究又进入一个新的阶段。而采用湿法化学腐蚀方法也是纳米线目前重要的制备方法。

硅基微纳结构因其尺寸在微纳量级,具有一些独特的性质,目前广泛应用于晶体硅太阳电池的研究,也成为硅基太阳电池的重点发展方向之一。

多孔硅是一维纳米结构,存在量子效应。最早应用在太阳电池上,主要是用来减少单晶和多晶硅电池的光学损失,多孔硅的尺寸小于可见光波长,因此对太阳光的减反效果主要是基于折射率调制效应。

晶硅电池表面制备金字塔绒面是一项传统而有效的减反方法。金字塔绒面分为正金字塔和倒金字塔,倒金字塔的陷光效果要优于正金字塔。金字塔绒面的尺寸一般大于可见光波长,因此对入射光的减反机理与多孔硅不同,主要是依靠绒面不同区域对光多次反射的陷光作用。在一个晶面上晶硅表面随机制备金字塔对降低电池前表面反射率非常有效,使用表面倒金字塔结构的表面反射率最低可达8%。金字塔绒面在减反同时,还可以增加入射光路径,使得电池的有效厚度增加,加强对长波光的吸收。采用制绒技术的太阳电池的光路径增加可达八倍。

纳米线结构具有独特的光学和电学特性,应用于太阳电池有利于提高效率。其尺寸较小,减反特性与多孔硅类似,是基于折射率调制效应。根据文献的研究表明,纳米线阵列的总体反射率可以达到百分之二以下,减反效果非常显著。(欣然)

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