纳米陷光结构硅太阳能电池的设计及其关键工艺研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences硕士学位论文2013年5月ByChenYankunADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofMicroelectronicsandSolid．StateElectronicsInstituteofSemiconducto

2、rs，ChineseAcademyofSciencesMay,2013㈣9眦0㈨8删0删3㈣4㈣Z洲Y关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院半导体研究所有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院半导体研究所有权保留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院半导体研究所可以公布该论文的全部或部分内容，

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4、属纳米颗粒、纳米线、纳米锥和纳米孔等，在新型光伏系统中具有重要应用，引起了研究人员的普遍关注。本文从纳米陷光结构硅太阳能电池的基本原理出发，探索了如何利用纳米陷光结构来提高太阳能电池的光吸收。由于高阶模式的激发，在硅纳米孔带隙上方形成了许多子能带。随着占空比的增大，纳米孔支持更多的光子模式，使得光在纳米孔中的传输变得更加复杂。硅纳米孔比平面硅片具有更高的光子态密度，从而具有更高的吸收。纳米孔的强烈衍射作用使得光吸收路径大大增强。表面等离子体可以通过金属纳米颗粒的光散射、近场增强和局域表面等离子体激元来增强太

5、阳能电池的光吸收。基于硅纳米孔表现出更优异的光吸收能力和机械稳定性，以及金属颗粒可以通过表面等离子体激发产生的光散射和近场增强来增强半导体中的光吸收，我们提出了硅纳米孔与背面金属纳米颗粒结合的新型复合纳米陷光结构。纳米孔和背面Ag纳米颗粒对硅薄膜的光吸收都有增强作用。当光波长与硅纳米孔周期相当时，光散射和衍射作用得到增强，使反射率最小。光吸收谱峰值随纳米孔周期的增大而发生红移。因此可以通过调节纳米孔周期而使吸收峰值位于太阳光谱能量分布集中区域。相比于硅薄膜，硅纳米孔薄膜的短路电流密度提高了126％。为了增强

6、长波长范围的光吸收，把Ag纳米颗粒沉积在硅纳米孔薄膜的背面，硅纳米孔薄膜的短路电流密度进一步提高了11．6％。为了低成本、快速地获得大面积均匀的硅纳米孔阵列，我们从理论和实验两个方面研究了纳米球透镜光刻技术。通过对聚苯乙烯纳米球聚光特性的模拟，发现直径为600nm、700nm和900nm的聚苯乙烯球的聚光特性较好。改变曝光波长，发现365nm的曝光波长的聚焦光斑尺寸最小。基于上述模拟结果，我们选用直径900nm的聚苯乙烯球、曝光波长为365nm作为纳米球透镜光刻的实验条件，成功制备了周期900nm、直径约7

7、50nm、深度为29m的有序硅纳米孔阵列。关键词：硅太阳能电池，金属纳米颗粒，纳米孔，纳米球透镜光刻AbstractThesiliconsolarcellispresentlythemostsuitablecandidateforphotovoltaicapplicationsowningtoitsnaturalabundance，highefficiency，long-termstabilityandmaturetechnology．Nanostructuressuchasmetalnanoparticl

8、es，nanowires，nanoconesandnanoholeshavereceivedtremendousattention．Ofparticularinteresttonanostructuresistheuseofnovelphotovoltaicsystemtoachievehighefficienciesandlowcosts．Westartfromthebasicprinciplesoflight