（凝聚态物理专业论文）量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用.pdf

d e p a r t m e n t ： 旦曼p 垒丛堡曼塾! 墨q ! 里h y 墨i 曼曼 d i s c i p l i n e ：q 堕鱼曼旦墨曼鱼焦垒! ! 曼! h y 墨i 曼墨 s t u d yf i e l d ： s u p e r v i s o r ： n a n o m a t e r i a la n dd e v i c e p r o f l ik u np a n m a s t e rc a n d i d a t e ： 圣丛坠塾g h 曼堕g a p r i l ，2 0 1 0 e l f o r _rifi- nqj疆疆珥_ _=- ，_一 竹11_1叩灌j，占 华东师范大学学位论文原创性声明 0 i iiiii ii i iii ii i i i 1 1 i y 17 4 2 0 7 3 郑重声明：本人呈交的学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用， 是在华东师范大学攻读硕博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：盘丑互 日期：m 。年r 月2 刁同 华东师范大学学位论文著作权使用声明 量子点光波转换层 期间在导师指导下完成的 能电池上的应用系本人在华东师范大学攻读学位 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门 和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学 位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文拳， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、力2 不保密，适用上述授权。 导师签名 么一 v d 一， 本人签名叠趣肇 砂f 。年孓月叼日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文 ( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部f j 审定 的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 程祖军硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 孙卓教授华东师范大学主席 黄素梅教授华东师范大学 冯涛副教授华东师范大学 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 摘要 晶体硅太阳能电池是应用最广泛的一种半导体光电转换器件，提高光电转换 效率一直是人们追求的目标。然而晶体硅太阳能电池器件结构的优化和减反射膜 技术已经发展较成熟，进一步通过它们提高光电转换效率的空间不是太大，因此 我们需要进一步发展其它的相关技术。太阳光是连续的光谱，其分布范围以从零 点几微米的紫外光到数微米的红外光为主。硅的能隙为1 1 2 e v ，晶体硅太阳能电 池主要吸收4 0 0 n m 至l j 9 0 0 n m 左右的光，对4 0 0 n m 以下的光( 紫光和紫外光) 有很低 的量子效率，因此造成4 0 0 n m 以下太阳光能的很大损失。如果想要进一步提高太 阳能的利用率，增加太阳能电池的光电转换效率，有必要充分利用这部分的太阳 光能。 。 纳米微粒特别是量子点材料是当前光电材料与器件的研究热点，许多纳米材 料在紫光或紫外光激发下可以发出波长在5 0 0 h m 一7 0 0 h m 范围内的可见光，而晶体 硅太阳能电池对这部分光有较高的量子效率。如果将此类纳米材料应用到太阳能 电池中，便可研制出高质量的太阳能电池光波转换材料，从而提高太阳能电池的 光电转换效率。 本论文主要研究内容以下： 第一章介绍了太阳能电池的研究背景、工作原理以及各种新技术应用于太阳 能电池效率的提高等。 第二章介绍了以正硅酸乙酯，无水乙醇，盐酸为原料通过溶胶一凝胶法制备 多孔二氧化硅薄膜。通过优化不同实验条件制备了性能较好的二氧化硅薄膜并测 试了对应的太阳能电池效率。 第三章介绍了采用化学水浴法制备不同发光特性的c d s 量子点纳米材料。研 究了不同反应温度和不同稳定剂对量子点紫光可见吸收光谱和荧光发射光谱的 影响。实现了可控制备c d s 量子点材料。 第四章在前面优化多孔二氧化硅和c d s 量子点制备工艺的基础上，制备了 c d s 量子点光波转换层，并应用到硅太阳能电池封装玻璃表面进行效率测试。得 到了性能较好的量子点光波转换材料。 关键词：太阳能电池；量子点；二氧化硅；光波转换；溶胶凝胶法 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 a b s t r a c t s t h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sa r em o s tw i d e l yu s e ds e m i c o n d u c t o r o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dm o s to f s t u d i e sh a v ed e v o t e dt oi m p r o v et h e i r p h o t o e l e c t r i cp e r f o r m a n c e c u r r e n t l yt h ed e v i c es t r u c t u r ea n da n t i r e f l e c t i o nc o a t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e no p t i m i z e d t oe n h a n c et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y h o w e v e r ，t h e f u r t h e ri m p r o v e m e n ti sl i m i t e dd u et ot h em a t u r a t i o no ft h e s et e c h n o l o g i e s a sar e s u l t ， n e w t e c h n o l o g yi sn e e d e dt od e v e l o p i ti sk n o w n t h a tt h es o l a rl i g h ti sac o n t i n u o u s s p e c t r u m ，a n di t sd i s t r i b u t i o nr a n g e sf r o mh u n d r e d so fn a n o m e t e r st os e v e r a lm i c r o n s t h eb a n dg a po fs i l i c o ni sa b o u t1 1 2 v t h ec r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sm a i n l y a b s o r bt h el i g h tf r o m4 0 0 n mt o9 0 0 n ma n dt h eq u a n t u me f f i c i e n c yi sl o wf o r t h el i g h t w i t hw a v e l e n g t hb e l o w4 0 0 n m ( v i o l e to ru l t r a v i o l e tl i g h t ) ，w h i c hc a u s e sal o s so f s o l a re n e r g y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt ot a k ea d v a n t a g eo ft h i sp a r to fs o l a re n e r g yi n o r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l s t h eq u a n t u md o t ( q d ) i st h e h o tt o p i co fc u r r e n tr e s e a r c h e si no p t o e l e c t r o n i c m a t e r i a l sa n dd e v i c e s u n d e rt h ee x c i t a t i o no fv i o l e to ru l t r a v i o l e tl i g h t ，m a n yk i n d s o fq d sc a ne m i tt h ev i s i b l el i g h tf r o m5 0 0 n mt o7 0 0 n m ，w h i c hc a nb ee a s i l ya b s o r b e d b yc r y s t a l l i n es i l i c o n t h e r e f o r e ，q d sa r ep r o m i s i n gt ob eu s e da sh i g h l ye f f i c i e n t l u m i n e s c e n td o w n s h i f t i n gm a t e r i a l si ns o l a rc e l l st oi m p r o v et h e i rc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs o l a rc e l l s ， a n dt h et e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h ep r e p a r a t i o no fs i l i c ab yu s i n gs o l - g e lm e t h o d s s i l i c af i l m sw i t hg o o dp e r f o r m a n c ew e r eo b t a i n e db yo p t i z m i n gt h ep r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ep r e p a r a t i o no fc d sq d s b yc h e m i c a lb a t hm e t h o d b yc h a n g i n gt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e sa n ds u r f a c t a n t s ，t h ec d sq d sw i t hd i f f e r e n t o p t i c a lp r o p e r t i e sa r ec o n t r o l l a b l yo b t a i n e d m 1 4 4 背点接触电极技术8 1 4 5 光波转换材料的研究9 1 5 本论文研究的内容和意义1 2 参考文献1 3 第二章二氧化硅薄膜的制备0 0 000 0 1 8 2 1 概述1 8 2 2 实验过程1 9 2 3 实验结果与分析2 0 2 4 本章小结2 5 参考文献2 6 第三章化学水浴法生长硫化镉( c d s ) 量子点研究2 8 3 1 概j 盔2 8 3 2 实验过程2 8 3 3 实验结果与分析2 9 3 4 本章小结3 4 参考文献3 5 第四章光波转换层的制备3 7 i v 的应用 v 3 7 00 3 7 3 8 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 第一章绪论 1 1 太阳能电池的研究背景 随着传统重工业种种弊端的显现，传统经济发展模式下产生的高能耗、高消 耗、高污染给社会可持续发展带来严峻挑战。长期以来，人们以越来越高的强度 把地球上的物质和能源开发出来，在生产加工和消费过程中又把污染和废物大量 地排放到环境中去，对资源的利用常常是粗放的和一次性的，通过把资源持续不 断地变成废物束实现经济的数量型增长，导致了许多自然资源的短缺与枯竭，并 酿成了灾难性环境污染后果。随着近几年来能源危机的警笛不时响起，太阳能作 为一种清洁能源受到越来越多的关注。 太阳内部处于高温、高压状态，不停地进行着热核反应，由氢聚变为氦。巨 大的能量不断从太阳向宇宙辐射，达到3 6 1 8 2 0 m w s ，其中约2 2 亿分之一辐射 到地球上，经过大气层的反射、散射和吸收，约有7 0 的能量辐射到地面。尽管 太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但数量仍然是巨大的，每年辐射到地球表 面的太阳能能量约为1 8 1 0 1 8 k w h ，等于1 3x1 0 6 亿吨标准煤，是地球年消耗 能量的几力倍 1 ，2 。按照目前的太阳质量消耗的速率，太阳的热核反应可进行 6 x1 0 1 0 年。对人类的短暂历史而言，太阳能是“取之不尽，用之不竭的清洁 能源。 广义上讲，人类活动的一切能量都来源于太阳，包括现在广泛使用的化石 能源、生物质能、风能、潮汐能等。我们一般指的太阳能利用包括太阳能热利用 和太阳能电利用两种形式。太阳能的电利用也有两种方式，一种是光一热一电转换 方式，另一种是光一电直接转换方式。 光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一 电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太 阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二 极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串 联或并联起来就可以成为有较大输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一 种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，太阳能电池寿 命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力、核能发 电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万 千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 在太阳能的有效利用中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的 研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 1 2 太阳能电池概况 1 2 1 太阳能电池的原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发 电的原理是光生伏打效应。当太阳光( 或其它光) 照射到太阳能电池上时，电池 吸收光能，产生光生电子一空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被 分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打 效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流 过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。 图1 1 给出了太阳能电池的原理示意图。 图1 1 太阳能电池原理示意图 1 2 2 太阳能电池的种类及特性比较 经过近几十年的高速发展，太阳能电池的种类已经发展有很多种类，按结构 可分为单晶太阳能电池、多晶太阳能电池、非晶太阳能电池等。按材料不同可分 为硅基太阳能电池、多元化合物薄膜电池、有机聚合物太阳能电池、纳米晶太阳 能电池等。 硅基太阳能电池包括单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池等三种。现在 2 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 技术最成熟的是单晶硅太阳能电池，在实验室里单晶硅太阳能电池的最高效率可 达到2 4 ，市场上的商用单晶硅电池板的效率可达到1 7 e 3 6 。由于单晶硅电池 的成本较高，研究人员继而发展了多晶硅和非晶硅薄膜电池，实验室里多晶硅太 阳能电池的最高效率可达到1 8 ，商用的转化效率大概在1 2 。多晶硅太阳能电池 已经取得了很大进展，多晶硅太阳能电池的市场份额也在逐渐增大。和单晶硅、 多晶硅太阳能电池相比较，由于非晶硅薄膜太阳能电池成本低，本身的重量和前 者相比较也较轻，更易于大规模化商业生产，所以具有很大的发展潜力。但由于 稳定性不好，衰退问题，和电池效率不高等不足，导致了非晶硅薄膜太阳能电池 的实际应用受到了不少限制。不过微晶硅太阳能电池已经取得了重大突破，在一 定程度上克服了一些衰减问题，所以微晶硅太阳能电池在未来的光伏市场上将占 有比较重要的位置 7 - 1 2 。 多元化合物薄膜太阳能电池主要包括砷化镓、硫化镉、c d t e 薄膜太阳能电 池等几种。碲化镉薄膜太阳能电池、硫化镉多晶薄膜电池和非晶硅太阳能电池相 比较具有效率高、成本低的优点，适合大规模的商业生产，但是由于这二种电池 中含有重金属元素镉，对人体和环境都会造成严重的污染，出于对环境保护的考 虑，它们的应用还是受到了一定的限制 1 3 - 1 6 。铜铟镓硒薄膜太阳能电池由于 其高的吸收系数，较低的成本，稳定性好，几乎无光致衰退问题，所以适合用来 制备光电转换器件。商用的铜铟镓硒电池转换效率大概在1 2 ，随着相关研究工 艺的进行，相信在不久的将来，铜铟镓硒电池会成为太阳能电池领域中的一个重 要方向 1 7 2 4 。 有机太阳能电池是太阳能电池领域一个新的研究方向。由于其具有很多优 点，比如柔性好、成本低、来源广泛，适合大规模生产应用等。但是由于有机材 料的使用寿命短和电池效率低，导致了其无法满足实际的商业需要。对于提高有 机太阳能电池的寿命短和效率低的问题还需要大量的研究。 近几年发展起来的染料敏化太阳能电池由于其价格廉价，制备工艺简单。电 池的效率一般稳定在1 0 的左右，制作成本大概只有硅太阳电池的十分之一左 右。随着工艺的成熟，相信它会成为太阳能电池领域中一个重要的发展方向。 表l 列出了各种太阳能电池的性能参数。 3 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 表1 各种太阳能电池的性能参数 电池类型效率( )优点缺点 实验室商业化 单晶硅太阳能电 2 41 0 1 7技术成熟成本高 池 多晶硅太阳能电 1 8 9 1 2成本低效率较低 硅太阳能电池 视 非晶硅太阳能电 1 38成本低效率较低 池 多元化合物薄砷化镓电池 5 01 8 高吸收率，成本高 膜太阳能电池抗辐照强 铜铟硒薄膜电池 1 91 2光吸收系 数大 c d t e 薄膜太阳能 1 8l o成本低，效 电池率高 纳米晶太阳能染料敏化太阳能 l o 1 l7成本低稳定性差 电池电池 有机太阳能电 2 3成本低 稳定性差 池 1 3 太阳能电池的应用 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、 海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。主要包括：家用光伏电源，微波 通信中继站光伏电源，光缆通信站光伏电源，输油输气管道阴极保护光伏电源， 铁路信号及通信光伏电源，航标灯光伏电源，边防哨所光伏电源，气象台站光伏 电源，卫星电视接收站及电视台光伏电源，各种照明装置、标志及广告箱牌光伏 电源，以及与建筑结合的小型屋顶联网光伏系统。 除了光伏屋顶系统，研究人员还在其它光伏应用方面也作了大量工作，主要 4 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 有：风光柴互补发电系统；未来与汽车配套的发电系统；太阳能制氢加燃料电 池的再生发电系统；再生能源海岛供电系统； 受到成本高的限制，它的利用还不能与传统的电能竞争。但是，从长远来看， 随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光一电转换装置的发明，各国对环境的 保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池将是利用太阳辐射能比较切实可 行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。图1 2 显示的是 2 0 0 4 年欧洲j r c 对未来人类利用能源构成展望。在本世纪中后期，太阳能光伏 发电将是未来主要的电能来源。 垒球畿漂消费组成展望图 黟碡 f 斑缈 缸蝣 ，蕊i ) ； 瞧) 0 j c 疆( ：o i 穗雅g 潞城j a 尊拼曩 神r o 囊轻o 缀钳绷附蠢s o i 静稍蝴纛o 嚣嘟 滤富：t ：篇一 l 二h - 图1 2 未来人类能源消费展望 ( 数据来源：2 0 0 4 年欧洲j r c 预测本世纪内全球常规能源及新能源发展趋势) 近几年是太阳能发展处于飞速发展的时期。每年都以3 0 以上的速度增加， 2 0 0 4 到2 0 0 6 年甚至达到6 0 的增长速度。图1 3 是2 0 0 8 年有关部门统计的全球 光伏行业产能情况 2 5 。 5 孙 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 1 9 口31 9 舛 1 珏 悬l 萎_ 1 61 9 9 ，1 国箍1 哪i2 心2 1 ：船0 22 0 0 0 2 0 h2 础黝0 6z 0 0 ， 、，嘲f n 鬈1 v e a 啊w o f 时蝴d ep m 由c t i o ni np 潮删k si nm w p ( e u r o b m e r 嗍l 图1 3 全球光伏产业年产能统计( 单位：m w p ) 2 5 1 4 新技术对提高电池转换效率的影响 近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速， 日新月异。晶体硅太阳能电池的研究重点是高效率单晶硅电池和低成本多晶硅电 池。限制单晶硅太阳能电池转换效率的主要技术障碍有：1 、电池表面栅线遮光 影响；2 、表面光反射损失；3 、光传导损失；4 、内部复合损失；5 、表面复合 损失。针对这些问题，近年来开发了许多新技术，主要有：1 、绒面技术；2 、高 效背反射器技术( 铝背场) ；3 、减反射膜层；4 、背点接触电极( 金属电极) ； 5 、光转换材料的应用。随着这些新技术的应用，发明了不少新的电池种类，极 大地提高了太阳能电池的转换效率 1 4 1 、绒面技术 晶体硅太阳能电池一般是利用硅切片，由于在硅片切割过程中刀片的作用， 使得硅片表面有一层1 0 2 0 岬的损伤层，在太阳能电池制备时首先需要利用化 学腐蚀将损伤层去除，然后制备表面绒面结构。对于单晶硅而言，如果选择择优 化学腐蚀剂，就可以在硅片表面形成金字塔结构，称为绒面结构，又称表面结构 化，如图1 4 所示。这种结构比平整的化学抛光的硅片表面具有更好的减反射效 果，能够更好地吸收和利用太阳光线。当一束光线照射在平整的抛光硅片上时， 6 一a誊毫寿霉审嚣d簪u愆亲窜鲁菱书著霹墨譬 图1 4 具有绒面结构的硅片表面的光线反射示意图 除化学腐蚀以外，还可以利用机械刻槽、激光刻槽和等离子蚀刻等技术， 在硅片表面制造不同形状的绒面结构，其目的就是降低太阳光在硅片表面的反射 率，增加太阳光的吸收和利用。然而这些技术需要专门的设备，成本相对很高； 此外在绒面制作过程中，可能会引入机械应力和损伤，在后处理中形成缺陷。 1 4 2 高效背表面反射器技术 为了改善硅太阳能电池的效率，往往在硅太阳能电池的背面和背面接触之间 用真空蒸镀的方法沉积一层高反射率的金属，一般为铝，称为铝背场 2 6 。对硅 电池来说，能被电池吸收并转换为电能的光的波长最大为11 5 0 n m ，比它更长的 任何辐射波都容易透过半导体材料进入背表面反射器。电池的厚度越薄，背反射 器的作用越明显。所谓背反射器，就是将电池背面做成反射面，它能反射透过电 池基体到达背表面的光，从而增加光的利用率。这样，可增加电池对长波光的吸 收，使短路电流增加。 7 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 1 4 3 、制作减反射膜层 晶体硅太阳能电池的绒面结构可以减少硅片表面的太阳光反射，增加电池对 光能的吸收。除此之外，在硅片表面增加一层减反射层也是一种有效的减少太阳 光反射的方法。减反射膜的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生 的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。在太阳能电池 材料和入射光确定的情况下，减反射的效果取决于减反射膜的折射率及厚度。研 究和实际应用表明，具有单反射层的硅片，其反射率可以降低到1 0 以下。作为 减反射层的薄膜材料，通常要求有很好的透光性，对光线的吸收越少越好；同时 具有良好的耐化学腐蚀性，良好的硅片粘接性，如果可能，最好还具有导电性能。 由理论计算可知，对于用玻璃封装的晶体硅太阳能电池而言，玻璃的折射率n o 为1 5 ，晶体硅的折射率n 。；为3 6 ，最合适的减反射膜的光学折射率为 刀一万一2 3 在实际晶体硅太阳能电池工艺中，常用的减反射层材料有t i o z 、s n o z 2 7 、 s i 0 2 2 8 、s i n x 2 9 - 3 2 ，i t o 和m g f ：等，其厚度一般在6 0 - l o o n m 左右。化学 气相沉积( c v d ) 、等离子化学气相沉积( p e c v d ) 、喷涂热解、溅射、蒸发等技 术，都可以用来沉积不同的减反射膜。 1 4 4 、背点接触电极( 金属电极) 为了将晶体硅太阳能电池产生的电流引导到外加负载，需要在硅片p - n 结的 两面建立金属连接，形成金属电极。过去硅太阳电池电极的制造一般都采用真空 蒸镀技术或电镀法，但是这种工艺相对成本昂贵且工艺复杂；而且，硅片受光面 的金属会遮挡太阳光线，减少太阳光的吸收，因此，硅太阳电池的金属电极所占 表面的面积需要越小越好。目前，金属接触主要是利用丝网印刷技术，在晶体硅 太阳能电池的两面制备成齿状的金属电极。 8 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 1 4 5 、光转换材料的研究 对于晶体硅太阳能电池来说，有将近5 0 的太阳光不能被有效吸收而被浪费 掉。这主要是因为这部分入射太阳光和硅材料本身的光吸收不匹配而导致的，如 图1 5 所示 3 3 。图中分别给出了太阳光波长对应的能量分布( a m1 5 一g ，1 0 0 0 w m 。) 和可被硅材料吸收的太阳光波长范围。图像的重叠部分就是容易被硅基太阳能电 池吸收的波长范围，对于那些太阳光波长短于4 0 0 纳米或长于11 0 0 纳米的太阳光 硅基太阳能电池不能有效的吸收利用，从而导致了这些部分能量的损失。为此人 们提出了几种解决这个问题的方法，一、多节太阳能电池光伏技术 ( m u l t i j u n c t i o ns o l a rc e l l s ) 3 4 ，例如i 扫g a o 3 5 1 n o 6 5 p 和g a o 8 3 h l o 1 7 a s 矛 g e 组成的三节太阳能电池，其中g a o 3 5 i n o 6 5 p 是处于电池的第一层，主要吸 收的是3 0 0 7 4 0 n m 范围的太阳光，g a o 8 3 i n o 1 7 a s 是处于电池的中间层，主要吸收 的是7 4 0 1 0 5 0 n m 范围的太阳光，g e 作为电池的第三层及电池底部，这部分主要 是吸收1 0 5 0 1 8 0 0 n m 的太阳光。这个设计可以有效吸收从3 0 0 1 8 0 0 n m 的太阳光， 从而增大了光的吸收范围。二、上下光波转换层等 3 5 - 3 6 ，太阳能光波转换层 主要是在电池的表面或背面镀上一层光转换材料，这些材料可以把不易被电池吸 收的光转换成可被硅电池吸收的光，从而可以有效增加电池的效率。光波转换层 还有一个优点就是可以在不需要改变太阳能电池结构的情况下进行。 e c n e 善 k o 瞎 屯 w a v e l e n g t h 【n m 图1 5 硅对应吸收的太阳光谱图 3 3 9 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 太阳能电池光波转换材料这个概念在1 9 7 0 年首次被提出。光转换材料可以分 为以下几种： 1 、有机染料光转换材料。1 9 7 7 年，a g o e t z b e r g e r 等人 3 7 提出了用于太阳 能电池的光接收器，它的原理就是利用有机荧光染料分子来吸收不易被太阳能电 池吸收的光，转换成易被电池吸收的光。内部的反射是为了让所有的光能够被电 池吸收而不被浪费掉。其原理图如图1 6 所示。2 0 0 1 年t m a r u y a m a 等人 3 8 利用 在碲化镉硫化镉薄膜太阳能电池上铺一层荧光染料作为光转换层，使电池的相 对效率达到了一个8 - 1 4 的提高。 g o e t zo e r q e ，一 b a n d -g a p s 九， 勿 i f 勿一 b i 勿_ 19 7 0 s ，n o ww i t hq d s m 图1 6 光集收器示意图 3 7 s l s z s 3 2 、稀土光转换材料。由于稀土具有丰富的能带结构，从而决定了稀土在光 转换领域的重要地位。稀土光转换材料可分为上下二种转换，如下图1 7 所示 3 3 。一是上转换；指的是将长波段的光转换成短波段的光，i ：k 女h 将1 0 0 0 多纳米 的红外光转换成5 0 0 多纳米的可见光，b r y c es r i c h a r d 3 6 ，王达健 3 9 ，和 s i v a n o v a ，f p e ll e 等人 4 0 已将稀土上转换材料n a y f 。：y b ，e r 应用于太阳能电 池。二是下转换，它指的是将短波转换成长波，如将2 0 0 多或3 0 0 多纳米的紫外光 转换成易被电池吸收可见光，如d i a w 4 1 将稀土元素铕通过离子注入法注入到作 为减反射的多孔二氧化硅薄膜里用来提高太阳能电池的效率，在他的实验中相对 效率提高了近5 8 。 1 0 co_唧一番ljo口ciko忻q百 用 图1 7 上转换和下转换原理图 3 3 3 、纳米光转换材料。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质 的质变，由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应，对于 纳米材料而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生了一系列新奇 的性质，比如随着尺寸的减小，物质本身的发光情况的改变等。量子点材料的光 致发光情况随材料本身尺寸变化而变化，这是染料和稀土材料无法比拟的。所以 量子点成为光转换领域的又一大热点，k e i t hb a r n h a m 4 2 3 ，a s c h u l e r 4 3 ，和 w g j h m v a ns a r k 4 4 等提出了将量子点材料应用于太阳能光转换材料。 g j h m v a ns a r k 等 4 5 通过理论计算得出利用发射峰值在6 0 3 n m 的量子点作 为光波转换层可使多晶硅太阳能电池的的开路电流增加将近1 0 。 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 1 5 、本论文研究的内容和意义 对于有效利用太阳光的紫光及紫外光部分，很多研究者做了大量的工作，比 如光转换材料的研制，包括有机染料光转换材料、稀土光转换材料和纳米光转换 材料等。由于有机染料的稳定性比较差，随着时间的衰减比较厉害，从而限制了 它的应用。单独的稀土不能作为有效的光转换材料，它必须和一些特定的配合物 在一起使用，这些配合物的制备比较繁琐，同时稀土价格也很昂贵。量子点材料 是现阶段研究的热点，其发光波长可通过控制其尺寸的大小来实现。上面已经提 到了一些研究者将量子点在理论和实际中作为光转换材料应用于太阳能电池，但 是很多研究所用的量子点材料的载体是有机物，比如在量子点光波转换层方面研 究较多的g j h m v a ns a r k 教授等人所用的是载体是聚甲基丙烯酸十二烷基酯 ( p l m a ) ，这是一种有机酯类。由于这些载体采用的是有机物类，在自然环境中容 易出现老化分解等问题，从而限制了在户外的实际应用性。为了避免有机物在实 际应用中的缺点，本论文采用了具有高透光性、好的化学稳定性和机械强度的二 氧化硅薄膜作为量子点的载体。二氧化硅薄膜在作为量子点载体的同时还可以起 到减反射膜的作用，可谓一举二得，其次二氧化硅还有一个优点就是它和太阳能 电池的封装玻璃具有很好的兼容性。 本论文主要包括以下内容： l 、采用溶胶一凝胶法利用正硅酸乙酯，无水乙醇，盐酸等为原料制备了多孑l - - - 氧 化硅薄膜。研究了在不同提拉速度下制备的薄膜厚度；及对应的太阳能电池测试 效率；不同退火温度下制备的二氧化硅薄膜对应的太阳能电池效率等。优化实验 条件制备性能优良的多孑l 二氧化硅薄膜。 2 、采用化学水浴法制备了不同发光特性的c d s 量子点材料，研究了不同反应温 度、不同反应时间、不同稳定剂对量子点紫光可见吸收光谱和荧光发射光谱的影 响。制备了发光颜色可控的c d s 量子点材料。 3 、在优化多孔二氧化硅和c d s 量子点制备工艺的基础上，制备了c d s 量子点光 波转换层，并应用到硅太阳能电池封装玻璃表面并对其进行效率测试。优化实验 条件制备性能优良的量子点光波转换材料。 2 0 1 0 届硕士研究生学位论文量子点光波转换层在硅基太阳能电池上的应用 参考文献 1 中国新能源和可再生能源1 9 9 9 年白皮书北京：中国计划出版社，2 0 0 0 2 杨德仁太阳电池材料 m 北京：化学工业出版社，2 0 0 8 3 施敏现代半导体器件物理 m 科学出版社，2 0 0 1 【4 】b e r n h a r dv o s s ，a d o l fg o e t z b e r g e r , c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l 【m 】j o h nw i l e y & s o n s ，1 9 9 8 【5 】c o r d e r on ，g i n i g er ，c o r b e t tb ，k e n n e d yk t h e r m a lm o d e l l i n go ft p vs y s t e m s 【j 】2 0 0 2i n t e r s o c i e t yc o n f e r e n c eo nt h e r m o m e c h a n i c a lp h e n o m e n ai ne l e c t r o n i c s y s t e m s ，2 0 0 2 ，6 0 5 - - 6 0 9 【6 】d u r i s c hw ，b i t n a rb ，m a y o rj ，k i e s sh ，l a mk c l o s ej e f f i c i e n c ym o d e lf o r p h o t ov o l t a i cm o d u l e sa n dd e m o n s t r a t i o no fi t sa p p l i c a t i o nt oe n e r g yy i e l d e s t i m a t i o n 【j 】s o l a re n e r g ym a t e r i a l s & s o l a rc e l l s2 0 0 7 ，9 1 ，7 9 - 8 4 【7 】y o s h i h i r o ，h a m a k a w a ，r e c e n ta d v a n c e si na m o r p h o u ss i l i c o nt e c h n o l o g i e sa n di t s a p p l i c a t i o nt os o l a rc e l l s 【j 】r e n e w a b l ee n e r g y , 1 9 9 6 ，8 ，1 0 1 6 【8 】r o b e r t o g a l l o n i ，a m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l s 【j 】r e n e w a b l ee n e r g y , 1 9 9 6 ，8 ， 4 0 0 4 0 4 【9 】m a c w a i s ，t h ep o t e n t i a la t t r a c t i v e n e s sa n de f f i c i e n c yo fa m o r p h o u ss i l i c o n s o l a rc e l l sa sc o m p a r e dw i t hp o l y c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l s 【j 】r e n e w a b l e e n e r g y , 1 9 9 5 ，6 ，5 7 9 - 5 8 7 【1 0 】k v m a y d e l l ，lk o r t e ，a l a a d e s ，e ta 1 c h a r a c t e r i z a t i o na n do p t i m i z a t i o no f t h ei n t e r f a c eq u a l i t yi na m o r p h o u s c r y s t a l l i n es i l i c o nh e t e r o j u n c t i o ns o l a r c e l l s j j o u r n a lo fn o n c r y s t a l l i n es o l i d s ，2 0 0 6 ，3 5 2 ，1 9 5 8 - 1 9 6 1 【11 】j e f f r e yy a n g ，b a o j i ey a h ，a m o r p h o u s a n d n a n o c r y s t a l l i n e s i l i c o n - b a s e d m u l t i - j u n c t i o ns o l a rc e l l s 【j 】t h i ns o l i df i l m s ，2 0 0 5 ，4 8 7 ，1 6 2 - 1 6 9 【1 2 】m k v a i lv e e n ，c h m e ta 1 i n c o r p o r a t i o no fa m o r p h o u sa n dm i c r o c r y s t a l l i n e s i l i c o ni ni 卜i - ps o l a rc e l l s 【j 】t h i ns o l i df i l m s ，2 0 0 3 ，4 3 0 ，2 1 6 - 2 1 9 【1 3 】j u h as a r l u n d ，m i k k or i t a l a , m a r k k ul e s k e l a ，e ta 1 c h a r a c t e r i z a t i o no fe t a l h i n g p r o c e d u r ei np r e p a r a t i o no fc d t es o l a rc e l l s 【j 】s o l a re n e r g ym a t e r i a l & s o l a r c e