硅微纳结构的太阳能电池研究
硅是一种丰富的半导体材料，并且已经在微电子和太阳能电池领域得到了广泛的应用，硅基太阳能电池的应用也在飞速发展，但是硅基太阳能电池也有不足之处，主要因为它的效率较低，生产成本也过高，所以它的进一步的发展受到了限制。本论文通过制备不同的硅微纳结构来探索不同的微纳结构对太阳能电池性能的影响。运用简单，便宜的刻蚀方法在硅表面制备不同的微纳结构，并且观察分析这些微纳结构的形貌状态，将所制备的微纳结构分别组装电池，测试其性能。分析微纳结构对电池性能的影响并讨论。关键词 金字塔结构，湿法刻蚀，微纳结构，测反应谱，电池性能
目 录
1 绪 论 1
1．1课题研究背景 1
1．2硅微纳结构的制备 2
1．3硅太阳能电池的发展和应用 5
1．4目前研究存在的缺陷和未来的发展方向 7
1．5本论文的目的和主要研究方法 7
2 实验部分 9
2．1实验试剂 9
2．2实验仪器 9
2．3实验方案 9
2．4混合溶液的制备 10
2．5实验步骤 12
3 实验数据分析 13
3．1用HNO3+H3PO4处理过的硅 13
3．2金字塔结构 15
3．3线结构去除后的凹坑结构 18
3．4展望 20
结论 20
致谢 22
参考文献 23
1 绪 论
硅材料在太阳能电池领域中有非常好的应用前景，如今地球的环境和资源问题越来越严重，所以，可再生能源的发掘和探索已经不容拖延，目前地球上，我们人类可利用的再生能源有太阳能、地热能、生物能、潮汐能等等，其中太阳能是非常重要的可再生能源，所以目前对太阳能电池[1]的研究已经引起了全世界的广泛关注。太阳能电池是将光能转化成电能的一种装置。主要应用了光电效应技术。制造太阳能电池的主要材料有非晶硅、多晶硅、CdTe等。
目前薄膜式的太阳能电池是作为太阳能电池的主要形式，但是目前运用光化学刻蚀制备湿式太阳能电池的技术还处于研究和发展的阶段。当前全球的石油，煤炭的储备量正在慢慢的减少，能源问题已经让各国非常头疼，因为能源危机限制了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
国际经济的飞速发展，如果我们不解决能源问题，国际经济就不会有一个明显的发展和进步。所以国际上越来越多的国家已经开始实施“阳光计划”。研发运用太阳能资源，用来代替石油，煤炭等不可再生能源。然而一种高效的太阳能电池要求反射率低，吸收率高，生产成本低，发电效率高等。自上世纪50年代以来，多孔硅和纳米线等硅基微纳结构的兴起，成功提高了太阳能电池的效率，因此这些硅基微纳结构已经成为太阳能电池领域研究的热点话题。
1.1 课题研究背景
硅元素具有稳定的化学性质并且人类对硅的工艺研究也比较成熟，而且它与微电子的工艺技术相兼容，另外更加有利的一点是硅元素在地壳里的储量非常丰富，利于开发。在光伏技术迅猛发展的今天，单晶硅已经成为如今光伏太阳能电池发电的核心组件。但是，目前硅基太阳能电池还不能大面积的生产，都是因为它高的发电成本和效率低的问题。所以，如何降低生产成本和提高光电转换率是目前我们所要研究和解决的重点问题。硅的微纳结构就是一种数量级非常小的微米级别，纳米级别或者更小量级的单元物质为基础，在硅表面形成一种新型的结构体系，这种体系有时按照一定规律或者随机的方式排列。
研究硅的微纳结构意义十分重大。一方面是因为硅微纳结构可以取代现有的硅材料作为制备太阳能电池的材料，而且能明显降低制备所需要的成本。另一方面，硅微纳结构的表面效应是独一无二的，它拥有与其他材料不同的物理性能。本课题以杂化太阳能电池作为研究对象，在硅表面实现微纳结构的可控制备，并对所制备微纳结构进行表征。探索硅的表面形成纳米结构后，将这些纳米结构制备到太阳能电池中，分析制备成功后的太阳能电池的光电性能的好坏。
然而近几年人们研究半导体有机材料也有了很大的突破，如有机效应晶体管[24]，有机太阳能电池[5]，有机发光二极管[68]等多种有机半导体材料已经陆续被制备出来。有机半导体材料与无机半导体材料相比具有很大的优势，如可以人工设计分子，它的光谱吸收范围相对比较宽，吸收系数大，工艺流程较为简单，容易加工大面积的器件等等，但是它也有缺点，如稳定性能较差，生产成本过高等缺点。如果能让有机半导体材料和无机半导体材料的优势相互弥补、促进，则会有更加高效率的电池被制备出来。
1.2硅微纳结构的制备
硅的微纳结构主要是应用在太阳能电池的减反层上，目前多孔硅，金字塔结构，纳米线结构是太阳能电池中最常用的三种微纳结构。
1.2.1多孔硅
因为多孔硅它存在量子效应[9]，所以它被最早的应用在太阳能电池上，利用多孔硅量子效应这一特点可以有效的减少太阳能电池的光学损失，多孔硅有以下几个优点[1011]：（1）增加光的吸收率，因为多孔硅表面密度比较大，所以可以有效的进行陷光，将多孔硅运用在减反层并组装到电池上去，可以增加光的吸收。（2）因为多孔硅的能带宽度我们可以自行的调节宽度大小，这样也能增加光的吸收率。（3）大片的多晶硅电池也运用到了多孔硅结构，以前人们以为将多孔硅结构用在大片的多晶硅电池上，它的光电装换效率看你会降低，但是通过实验发现，多孔硅在大片的多晶硅电池上也是可以达到12%的光电转换率。
图1.1 典型的多孔硅结构[12]
多孔硅的制备包括阳极腐蚀和染色腐蚀，但是随着研究的深入和技术的不断成熟，人们又发现了金属催化腐蚀和掩膜刻蚀。
阳极腐蚀[13]通过图1.2可以很明白的看出是用铂和硅两种材料构成电解池，一般是将铂片作为阴极材料，硅片作为阳极材料，把它们放进氢氟酸溶液中进行反应，并且在这体系中加上电压，电流就会从硅片一极流向铂片的一极，然后在阳极上的硅片就会被腐蚀，出现小孔。但是此反应中会有大量的氢气，会依附在硅片表面上，可能导致腐蚀的速率不一样，所以会在氢氟酸溶液中加入无水乙醇，去除依附在硅片表面上的气泡，让氢氟酸完全的渗入硅片表面的小孔里，这样制备出的多孔硅排列比较一致，性能较好。
目 录
1 绪 论 1
1．1课题研究背景 1
1．2硅微纳结构的制备 2
1．3硅太阳能电池的发展和应用 5
1．4目前研究存在的缺陷和未来的发展方向 7
1．5本论文的目的和主要研究方法 7
2 实验部分 9
2．1实验试剂 9
2．2实验仪器 9
2．3实验方案 9
2．4混合溶液的制备 10
2．5实验步骤 12
3 实验数据分析 13
3．1用HNO3+H3PO4处理过的硅 13
3．2金字塔结构 15
3．3线结构去除后的凹坑结构 18
3．4展望 20
结论 20
致谢 22
参考文献 23
1 绪 论
硅材料在太阳能电池领域中有非常好的应用前景，如今地球的环境和资源问题越来越严重，所以，可再生能源的发掘和探索已经不容拖延，目前地球上，我们人类可利用的再生能源有太阳能、地热能、生物能、潮汐能等等，其中太阳能是非常重要的可再生能源，所以目前对太阳能电池[1]的研究已经引起了全世界的广泛关注。太阳能电池是将光能转化成电能的一种装置。主要应用了光电效应技术。制造太阳能电池的主要材料有非晶硅、多晶硅、CdTe等。
目前薄膜式的太阳能电池是作为太阳能电池的主要形式，但是目前运用光化学刻蚀制备湿式太阳能电池的技术还处于研究和发展的阶段。当前全球的石油，煤炭的储备量正在慢慢的减少，能源问题已经让各国非常头疼，因为能源危机限制了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
国际经济的飞速发展，如果我们不解决能源问题，国际经济就不会有一个明显的发展和进步。所以国际上越来越多的国家已经开始实施“阳光计划”。研发运用太阳能资源，用来代替石油，煤炭等不可再生能源。然而一种高效的太阳能电池要求反射率低，吸收率高，生产成本低，发电效率高等。自上世纪50年代以来，多孔硅和纳米线等硅基微纳结构的兴起，成功提高了太阳能电池的效率，因此这些硅基微纳结构已经成为太阳能电池领域研究的热点话题。
1.1 课题研究背景
硅元素具有稳定的化学性质并且人类对硅的工艺研究也比较成熟，而且它与微电子的工艺技术相兼容，另外更加有利的一点是硅元素在地壳里的储量非常丰富，利于开发。在光伏技术迅猛发展的今天，单晶硅已经成为如今光伏太阳能电池发电的核心组件。但是，目前硅基太阳能电池还不能大面积的生产，都是因为它高的发电成本和效率低的问题。所以，如何降低生产成本和提高光电转换率是目前我们所要研究和解决的重点问题。硅的微纳结构就是一种数量级非常小的微米级别，纳米级别或者更小量级的单元物质为基础，在硅表面形成一种新型的结构体系，这种体系有时按照一定规律或者随机的方式排列。
研究硅的微纳结构意义十分重大。一方面是因为硅微纳结构可以取代现有的硅材料作为制备太阳能电池的材料，而且能明显降低制备所需要的成本。另一方面，硅微纳结构的表面效应是独一无二的，它拥有与其他材料不同的物理性能。本课题以杂化太阳能电池作为研究对象，在硅表面实现微纳结构的可控制备，并对所制备微纳结构进行表征。探索硅的表面形成纳米结构后，将这些纳米结构制备到太阳能电池中，分析制备成功后的太阳能电池的光电性能的好坏。
然而近几年人们研究半导体有机材料也有了很大的突破，如有机效应晶体管[24]，有机太阳能电池[5]，有机发光二极管[68]等多种有机半导体材料已经陆续被制备出来。有机半导体材料与无机半导体材料相比具有很大的优势，如可以人工设计分子，它的光谱吸收范围相对比较宽，吸收系数大，工艺流程较为简单，容易加工大面积的器件等等，但是它也有缺点，如稳定性能较差，生产成本过高等缺点。如果能让有机半导体材料和无机半导体材料的优势相互弥补、促进，则会有更加高效率的电池被制备出来。
1.2硅微纳结构的制备
硅的微纳结构主要是应用在太阳能电池的减反层上，目前多孔硅，金字塔结构，纳米线结构是太阳能电池中最常用的三种微纳结构。
1.2.1多孔硅
因为多孔硅它存在量子效应[9]，所以它被最早的应用在太阳能电池上，利用多孔硅量子效应这一特点可以有效的减少太阳能电池的光学损失，多孔硅有以下几个优点[1011]：（1）增加光的吸收率，因为多孔硅表面密度比较大，所以可以有效的进行陷光，将多孔硅运用在减反层并组装到电池上去，可以增加光的吸收。（2）因为多孔硅的能带宽度我们可以自行的调节宽度大小，这样也能增加光的吸收率。（3）大片的多晶硅电池也运用到了多孔硅结构，以前人们以为将多孔硅结构用在大片的多晶硅电池上，它的光电装换效率看你会降低，但是通过实验发现，多孔硅在大片的多晶硅电池上也是可以达到12%的光电转换率。
图1.1 典型的多孔硅结构[12]
多孔硅的制备包括阳极腐蚀和染色腐蚀，但是随着研究的深入和技术的不断成熟，人们又发现了金属催化腐蚀和掩膜刻蚀。
阳极腐蚀[13]通过图1.2可以很明白的看出是用铂和硅两种材料构成电解池，一般是将铂片作为阴极材料，硅片作为阳极材料，把它们放进氢氟酸溶液中进行反应，并且在这体系中加上电压，电流就会从硅片一极流向铂片的一极，然后在阳极上的硅片就会被腐蚀，出现小孔。但是此反应中会有大量的氢气，会依附在硅片表面上，可能导致腐蚀的速率不一样，所以会在氢氟酸溶液中加入无水乙醇，去除依附在硅片表面上的气泡，让氢氟酸完全的渗入硅片表面的小孔里，这样制备出的多孔硅排列比较一致，性能较好。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/235.html
