新型銀納米點增強非晶矽光伏薄膜的光吸收

2020-12-01 索比光伏網

索比光伏網訊:

當前，提高薄膜太陽能電池的效率是大家所關注的研究課題。除了表面絨化和抗反射層外，金屬納米圖形對於增強薄膜太陽能電池的吸收已引起更多的注意。以前的研究表明，不同直徑的金屬納米點能在800nm處將光電子流提高數倍。為了研究金屬納米點對增強吸收的作用，納米點的尺寸和分布必須均勻。有幾種方法已用於製造金屬納米圖形，例如常規的光刻和自組裝技術。但是，這些方法有一些缺點，如產出低或設備成本高。採用陽極氧化的超薄氧化鋁（AAO）膜作為澱積掩膜被認為是低成本製作納米圖形的潛在方法，因為它們在大面積上的面密度高，且尺寸分布窄。本研究中，我們用超薄AAO模板在玻璃襯底上製備了Ag納米點，研究了氫化非晶矽(a-Si:H)薄膜因這些Ag納米圖形而增強的光吸收。

實驗
AAO模板是在0.3M草酸(C2H2O4)溶液通過鋁片的二步法陽極氧化工藝製作的。陽極氧化處理前，鋁片用丙酮進行脫脂處理，然後在H2SO4和H3PO4的混合溶液中進行電化學拋光。第一次陽極氧化是在固定電壓40V下進行的，用冷卻系統把電解液溫度保持為0℃。然後把陽極氧化的Al片浸沒在6wt%H3PO4中，除去在第一次陽極氧化時形成的氧化鋁層。在與第一次陽極氧化工藝相同的條件下進行第二次陽極氧化步驟，不過時間短一些。留下的Al箔和底部的阻擋層分別在基於CuSO4溶液和6wt%H3PO4中刻蝕。

得到了通孔AAO膜，接著轉移到玻璃襯底上。用電子束蒸發通過AAO模板製備Ag納米點。然後用3M NaOH溶液將AAO模板刻蝕掉，在玻璃襯底表面留下Ag納米微粒。接著，用等離子增強化學氣相澱積(PECVD)在Ag圖形玻璃襯底上生長a-Si:H薄膜，再在玻璃背面塗Ag膜。為了比較，也在玻璃上澱積a-Si:H薄膜，而沒有Ag納米點。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察AAO膜和Ag納米點的表面形貌，確定它們的特性。用UV-VIS-NIR分光光度計研究如此澱積的Ag納米點和Si:H薄膜的光學性質。

結果和討論
圖1是孔徑約80nm的AAO膜表面形貌和截面圖的SEM圖像。由於AAO是用二步法陽極氧化製備的，可以得到孔徑及孔間間距分布窄的有序孔結構，見圖1(a)。從圖1(b)可以證實，在AAO膜底部的氧化鋁阻擋層已徹底除去，這使膜能用作真空蒸發時的遮蔽掩膜。AAO的孔徑及厚度可以分別用調節孔加寬處理和第二次陽極氧化的加工時間控制。本研究中用的AAO膜的厚度為500nm。

圖2是Ag納米點的SEM圖像，其相應的澱積Ag厚度為20nm。由於陰影效應，Ag納米點直徑稍小於AAO膜的納米點直徑。根據測出的Ag納米點直徑，平均直徑約70nm。玻璃襯底上Ag納米點的吸收譜示於圖3。Ag納米點的表面等離子共振(SPR)效應可以用SPR波長確定，它與譜圖的主峰相應。如圖3所示，Ag 納米點SPR波長峰值在454nm處。與澱積在玻璃襯底上無Ag 納米點的a-Si:H膜比較(見圖3)，在Ag圖形化襯底上的a-Si:H膜在較長的波長(>600nm)上有更高的光吸收。儘管有些光吸收可能來自金屬納米微粒本身，我們認為Ag納米點是有效地增強了a-Si:H膜的光吸收。吸收的增強可能與Ag納米結構的等離子體增強光散射有關。入射光以a-Si:H光活性層的陷波波導模式被共振散射，通過襯底上Ag納米點與表面等離子體的相互作用，顯著增加了光在a-Si:H層中的光學路徑。

總之，我們成功地用基於AAO模板澱積在玻璃襯底上製作了Ag納米點陣列。玻璃上Ag納米點陣列的存在提高了a-Si:H光活性層在長波長區的光吸收。

 

薄膜太陽能電池研究的現狀及前景綜述

目前，人們根據所選用的半導體材料將太陽能電池應用技術分為晶矽和薄膜兩大類。晶矽太陽能電池在現階段的大規模應用和工業生產中佔據主導地位，但由於其成本過高，限制了其發展。相比晶矽等其它太陽能電池，薄膜太陽能電池具有生產成本低、原材料消耗少、弱光性能優良等優勢。隨著世界能源緊缺，薄膜太陽能電池作為一種光電功能薄膜，可以有效地解決能源短缺問題，而且無汙染，還可以實現光伏建築一體化，易於大面積推廣。

CIGS薄膜太陽能電池
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是20世紀80年代後期開發出來的新型太陽能電池，典型結構為如下的多層膜結構。

CIGS具有非常優良的抗幹擾、耐輻射能力，因而沒有光輻射引致性能衰退效應，使用壽命長。CIGS是直接帶隙的半導體材料，因此電池中所需的CIGS薄膜厚度很小(一般在2um左右)。它的吸收係數非常高達10-5cm-1，同時還具有很好的非常大範圍的太陽光譜的響應特性。通過調節Ga/(In+Ga)可以改變CIGS的帶隙，調節範圍為1.04eV~1.72eV。CIGS系電池可以很方便地做成多結系統，在四個結的情況下，從光線入射方向按禁帶寬度由大到小順序排列，太陽能電池的理論轉換效率極限可以超過50%。

製備CIGS薄膜的方法很多，包括真空蒸鍍、電沉積、濺射、化學浴沉積、化學氣相沉積、分子束外延、噴射熱解、封閉空間氣相輸運法等。CIGS薄膜在高於500℃的溫度下沉積在塗有Mo的玻璃襯底上，並且與通過化學沉積形成的CdS層，組成CdS／CIGS異質結太陽能電池。

CdTe薄膜太陽能電池
CdTe／CdS異質結薄膜太陽能電池簡稱CdTe薄膜太陽能電池。它是以p型CdTe和n型CdS為異質結。一般標準的CdTe薄膜太陽能電池的結構為玻璃／TCO／n-CdS／p-CdTe／背接觸層／背電極。

CdTe薄膜太陽能電池具有以下幾個優點：(1)理想的禁帶寬度。CdTe的禁帶寬度為1.45eV．CdTe的光譜響應和太陽光譜非常匹配：(2)高光吸收率。CdTe的吸收係數在可見光範圍高達10-4cm以上．99％的光子可在lum厚的吸收層內被吸收：(3)轉換效率高。CdTe薄膜太陽能電池的理論光電轉換效率約為30％；(4)電池性能穩定，一般的CdTe電池的設計使用時問為20年以上；(5)電池結構簡單，製造成本低，容易實現規模化生產。

非晶矽薄膜太陽能電池
非晶矽薄膜太陽能電池轉換效率較低，但工藝成熟、成本較晶矽低廉、製備方便，適於大規模生產。

非晶矽薄膜太陽能電池主要有兩種:單結和雙結。單結非晶矽薄膜太陽能電池僅含一種光吸收功能層，為非晶矽；而雙結非晶矽薄膜太陽能電池含２種光吸收功能層，一般為非晶矽和微晶矽。兩者結構示意圖如圖所示。

相對於單晶矽太陽能電池，非晶矽薄膜是一種極有希望大幅度降低太陽電池成本的材料。非晶矽薄膜太陽能電池具有諸多優點使之成為一種優良的光電薄膜光伏器件。(1)非晶矽的光吸收係數大，因而作為太陽能電池時，薄膜所需厚度相對其他材料如砷化鎵時，要小得多；(2)相對於單晶矽，非晶矽薄膜太陽能電池製造工藝簡單，製造過程能量消耗少；(3)可實現大面積化及連續的生產；(4)可以採用玻璃或不鏽鋼等材料作為襯底，因而容易降低成本；(5)可以做成疊層結構，提高效率。

非晶矽薄膜主要由氣相沉積法製備，目前，普遍採用的是等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)。在PECVD法沉積非晶矽薄膜的方法中，一般原料氣採用SiH4和H2，製備非晶矽薄膜疊層電池時則採用SiH4和GeH4，在沉積過程中，加入B2H5或PH3。可實現摻雜。SiH4和GeH4在低溫等離子體的作用下分解產生a-Si或a-SiGe薄膜。

非晶矽薄膜太陽能電池仍存在一些需要解決的問題。(1)由於Staebler-Wronski效應的存在，使得非晶矽薄膜太陽能電池在太陽光下長時間照射會產生效率的衰減，從而導致整個電池效率的降低；(2)沉積速率低，影響非晶矽薄膜太陽能電池的大規模生產；(3)後續加工困難，如Ag電極的處理問題；(4)在薄膜沉積過程中存在大量的雜質，如O2、C等，影響薄膜的質量和電池的穩定性。

非晶矽薄膜太陽能電池的下一步研究主要有以下幾個方向：其一是採用優質的底電池i層材料；其二朝疊層結構電池發展；第三是在保證效率的條件下，開發生產疊層型非晶矽太陽電池模塊技術；最後使用便宜封裝材料以降低成本。

Meng-Hong Shih、I-Chen Chen，Natio

nal Central University, Taiwan

相關焦點

  • 新型銀納米點增強非晶矽薄膜的光吸收
    當前，提高薄膜太陽能電池的效率是大家所關注的研究課題。除了表面絨化和抗反射層外，金屬納米圖形對於增強薄膜太陽能電池的吸收已引起更多的注意。以前的研究表明，不同直徑的金屬納米點能在800nm處將光電子流提高數倍。為了研究金屬納米點對增強吸收的作用，納米點的尺寸和分布必須均勻。
  • 柔性非晶矽薄膜太陽能電池技術
    為此,自上世紀70年代以來，世界各國紛紛投入巨資，制定規劃，組織隊伍，掀起對薄膜太陽電池的研究熱潮，三十幾年來在研究和開發應用方面均取得了長足的進步。 薄膜太陽電池主要涉及非晶矽(a-Si：H)、銅銦鎵硒(Cu(In、Ga)Se2，CIGS)和碲化鎘(CdTe)光伏電池和集成組件，在本文中主要討論的是目前商業化最成熟的非晶矽太陽電池。
  • 柔性非晶矽薄膜太陽能電池技術解析
    北極星太陽能光伏網訊:在過去的幾十年中，人類經濟活動的持續高速發展使得電力需求迅速增加。太陽電池是一種利用光生伏特效應將太陽能能直接轉換為電能的半導體器件，很容易實現併網發電或作為獨立能源。併網光伏系統不需要配備蓄電池，既節省投資，又不受蓄電池荷電狀態的限制，可以充分利用光伏系統所發出的電力；光伏陣列一般安裝在閒置的屋頂或外牆上，無需額外佔用土地，這對於土地昂貴的城市建築尤其重要；夏天是用電高峰的季節，也正好是日照量最大，光伏系統發電量最多時期，對電網可以起到調峰作用；光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了牆體得熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建築節能作用。
  • 綜藝光伏26MW非晶矽薄膜太陽能電池生產線投產
    經過近一年時間的建設，綜藝股份(600770)旗下江蘇綜藝光伏有限公司首條年產能為26MW的非晶矽薄膜太陽能電池生產線於12月29日正式投產，這表明綜藝股份的太陽能產業之路邁出了卓有成效的一步。
  • 漢能非晶矽薄膜太陽能組件榮獲CQC領跑者認證
    索比光伏網訊:近日，中國質量認證中心正式向漢能控股集團頒發了新的太陽能產品認證證書，宣布漢能非晶矽薄膜太陽能電池（鉑陽）在電池效率、環境適應性及耐久性等方面的品質都通過了專業檢測，通過光伏發電產品「領跑者」認證！
  • 太陽模擬器測試非晶矽薄膜的注意事項
    太陽電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉換為電能的器件，而測量太陽能電池的效率是通過用輻射強度計測定入射太陽光的功率和測量電池在最大功率點產生的電功率的辦法來實現。　　目前一些實驗室或者測試機構，經常用晶矽太陽電池作為標準件來測試非晶矽薄膜太陽電池，導致嚴重的測量誤差，從而使得很多人對非晶矽薄膜的性能產生質疑。　　那麼，如何正確比較不同材料，工藝的太陽電池的好壞或者適用性呢？在此，大致描述一下太陽模擬器測試非晶矽薄膜的注意點。　　為了比較和評價太陽電池，人們制定了國際標準測試條件。
  • 德國研製增強型非晶鍺光伏電池
    導讀：德國科學家已經製造出一種增強型非晶鍺光伏電池，它能將光限制在一個超薄的吸收器中。它有可能將光伏與光合作用結合起來，應用於生物反應器、溫室和農田等新的太陽能領域。德國航空航天中心（DLR）的研究人員開發了一種基於超薄n－i－p吸收層堆疊和薄膜光譜選擇性過濾器的選擇性太陽能電池。他們聲稱它可以用來生產光譜選擇性光伏組件，並有可能應用於農業光伏、溫室和光生物反應器。
  • 薄膜太陽能電池的進展和展望
    在20世紀80年代, 非晶矽太陽能電池是當時唯一商業化的薄膜太陽能電池, 並曾經一度佔有全球光伏市場的1/3, 但是之後由於其效率和穩定性的問題一直未能得到有效改善, 從而導致比例下滑。圖1是一個典型的p-i-n結構的非晶矽薄膜太陽能電池。
  • 專家呼籲:大力支持非晶矽薄膜光伏發電產業
    有了新的發展思路     鑑於多晶矽電池光伏產業遇到的尷尬，總部設在上海的南通強生光電科技有限公司引進了目前國內規模最大的非晶矽薄膜電池生產線，為我們推進太陽能光伏產業打開了新的思路。     強生光電投資的非晶矽薄膜光伏電池新技術，與目前國內眾多的晶體矽電池技術不同。
  • 非晶矽鍺薄膜電池研究進展及發展方向(《真空》雜誌原創文章)
    太陽能電池主要以半導體材料為基礎，利用光電材料吸收光能後發生光電轉換反應從而產生電能。現如今，薄膜電池的主流產品為矽基薄膜太陽電池。在疊層電池的研究發展過程中，非晶矽鍺主要作為中間電池或底電池，在諸多的研究中都有報導。
  • 光伏產業分化:非晶矽VS多晶矽
    與此同時，「光伏新軍」贛能股份(000899.SZ)則將突破口放在了非晶矽光電薄膜電池。　　非晶矽，與之前以尚德為代表的多晶矽電池陣營相比，存在本質的不同。簡單地說，非晶矽的原料是玻璃，而多晶矽的原料是價格不斷高漲的矽。
  • 薄膜光伏電池的研究現狀與發展趨勢
    薄膜光伏電池的研究現狀與發展趨勢北極星太陽能光伏網訊:太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、水能等都來源於太陽能。太陽能電池是是一種通過光伏效應將太陽能轉變為電能的一種裝置，是利用太陽能的一種重要形式。
  • CIGS薄膜太陽能光伏產業發展現狀
    圖1顯示了歐洲光伏產業協會（EPIA）列舉的太陽能光伏電池分類及市場佔有份額。從圖1中可以看出，晶體矽電池仍是光伏產業的主流產品，市場佔有份額約9O%。薄膜電池領域中，化合物薄膜電池市場佔有份額在1／2以上，高於非晶矽薄膜電池。
  • 水電四局漢能光伏電站第一組非晶矽薄膜光伏組件安裝完成
    水電四局漢能光伏電站第一組非晶矽薄膜光伏組件安裝完成發表於：2013-11-22 00:00:00 來源：水電四局日前，水電四局青海海南州共和縣漢能三期50兆瓦併網光伏電站，第一組背板線長為75釐米的非晶矽薄膜光伏組件單元背板接線試安裝完成。
  • 旭雙太陽能首批非晶矽薄膜光伏電池組件成功發貨
    索比光伏網訊:世紀新能源網消息：成都旭雙太陽能科技有限公司是東旭集團在太陽能產業成功布局的第一個太陽能電池生產基地，一期工程年產60MW的非晶矽薄膜電池及組件產線於2012年3月31日正式投產，經過半年的試產，各項指標均已達到設計要求，處於世界領先水平，且經客戶對旭雙太陽能考察、產品檢測後，以優越的質量和具有競爭力的價格取得了用戶最終信任，並於10月21日實現了首批非晶矽薄膜太陽能電池
  • 雷射加工應用於非晶矽薄膜太陽能電池製造
    光穿過透明的TCO被電池吸收，要求有較高的透過率；另一方面，TCO是導電的，可作為電池的一個電極。太陽能電池就是以TCO薄膜為襯底生長的，用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）生長的太陽能電池層也稱為有效層。有效層包括兩個pin串聯的雙結結構。與TCO薄膜連接的第一結稱為頂層非晶矽層a- Si:H，能吸收短波長光子，與非晶矽層連接的第二結稱為底層微晶矽層ucSi:H，能吸收長波長光子。
  • 宏威集團攜新型非晶矽薄膜電池組件亮相
    宏威Anwell集團攜新型非晶矽薄膜電池組件產品亮相「CIPV EXPO2012 第四屆中國國際光伏產業新技術新材料新產品新設備展覽會」。　　宏威集團創立於2000年，為一家致力提供先進生產設備和工藝技術的全球性供應商，總部設在香港。
  • 鄒志榮:溫室結構設計創新——非晶矽薄膜太陽能電池日光溫室
    370多孔磚和200mm厚聚苯板之間留50mm空氣保溫層，增強保溫效果。利用太陽非晶矽電池板吸收太陽光轉化為電能，為溫室應用。　　光伏組件是具有一定透光特性的非晶矽電池組件，直接嵌入溫室的採光屋面中，利用光電效應將太陽輻射直接轉換成電能的光-電轉換方式具有靈活多變，發電效率更高的特點，應用較為廣泛。
  • 成都旭雙非晶矽薄膜太陽能電池生產線投產
    昨日， 東旭集團成都旭雙太陽能科技有限公司非晶矽薄膜太陽能電池生產線一期工程正式建成投產。據了解。此次投資12億元的非晶矽薄膜太陽能電池生產線一期，設計年產達60兆瓦。而在此後將建設投產的二期項目，將擴建150-200兆瓦非晶矽薄膜太陽能電池生產線。
  • 非晶矽薄膜電池三年後或平價上網
    中化新網訊　　隨著光伏市場的快速啟動，在整個光伏產業鏈上，各種不同的工藝選擇一直是行業討論的熱點。產業鏈中遊，多晶矽提純採用西門子化學法還是冶金法？產業鏈終端是選用非晶矽薄膜還是晶體矽？誰將替代誰的「替代論」似乎一刻都沒有停止過，但事實發展並非如此。近日，強生光電董事長沙曉林就對記者信心十足地表示：「我相信非晶矽薄膜兩年後將有一個大突破。」