摘要: 经过半个多世纪的研究和开发，硅基太阳能电池在结构设计和效率方面已取得了重大的进步。如何进一步提高其转换效率和降低成本，始终是该领域的研究热点。低维纳米材料如纳米线由于具有比表面积大和量子效应等特点，表现出优异的物理和化学性能，在高... 展开 经过半个多世纪的研究和开发，硅基太阳能电池在结构设计和效率方面已取得了重大的进步。如何进一步提高其转换效率和降低成本，始终是该领域的研究热点。低维纳米材料如纳米线由于具有比表面积大和量子效应等特点，表现出优异的物理和化学性能，在高品质晶体管、超高灵敏度的化学/医学传感器、高性价比的光伏器件、低成本的热电器件和高容量的锂离子蓄电池等方面研究中具有广泛的应用前景。本文分别制备了硅基纳米线阵列(Ag栅/AZO/n-Si:H/α-Si:H/c-Si(P)NW/Al)和ZnO基纳米线阵列(Ag/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H/ZnO nanowire array/FTO/glass)两种太阳能电池，并系统研究了其相关的科学问题。主要研究内容和创新成果如下： 一、利用金属辅助催化无电刻蚀的方法（MCEE），在单晶硅片表面制备了大面积的硅纳米线阵列，研究了HF-AgNO3刻蚀体系对硅纳米线阵列形貌和反射率的影响。随着刻蚀时间的增加，纳米线的长度呈先慢后快的非线性增加，直径变小，从而导致断裂和顶部汇聚的现象的产生。硅纳米线阵列具有很好的陷光效应，当纳米线长度为1.6μm时，在可见光范围内的反射率低至2.5%。利用水热法制备了ZnO纳米线阵列，籽晶层的厚度和表面性质对ZnO纳米线阵列的形貌有着重要的影响。ZnO纳米线的长度随着生长时间的增加而增加，并且纳米线阵列的垂直性变好。 二、利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备对纳米线进行硅薄膜包覆，并借助FLUENT软件模拟研究了硅薄膜的立体生长特性。研究表明，纳米线顶部的气体流速大于纳米线底部的流速，说明纳米线顶部反应基团供应量比纳米线底部的大，从而导致纳米线顶部硅薄膜的厚度大于底部的厚度，而且纳米线越长和硅薄膜沉积速率越快，硅薄膜包覆的不均性越明显。 三、运用第一性原理，研究了硼(B)掺杂对ZnO性能的影响，并利用B2H6等离子体处理实现ZnO纳米线阵列的B掺杂，研究了B2H6含量和射频功率对ZnO纳米线阵列性能的影响。结果表明，B掺杂ZnO后在导带底形成浅施主能级，使迁移率降低，载流子浓度增加，在可见光范围内吸收强度增加。 四、利用非晶硅（α-Si:H）层钝化硅纳米线阵列，研究了α-Si:H厚度对硅基纳米线太阳能电池性能的影响，发现电池的开路电压和填充因子随着α-Si:H层厚度的增加而增加，但厚度过大会影响电池效率；利用电子对超薄Al2O3具有隧穿效应，采用原子层沉积系统制备超薄Al2O3层钝化硅纳米线太阳能电池中的N层硅薄膜，研究了Al2O3层厚度对电池性能的影响，获得了Al2O3层厚度与钝化效果与隧穿电流变化之间的关系。 五、利用PECVD制备了n-Si:H薄膜，研究了制备工艺对薄膜和硅基纳米线太阳能电池性能的影响。结果表明，n-Si:H沉积功率对硅纳米线电池的开路电压影响较小，但是对短路电流密度影响较大，电池的效率随着射频功率增加而提高，但过高功率会降低薄膜对纳米线的包覆均匀性，导致电池效率降低。同时电池效率随着n-Si:H薄膜的厚度增加而降低。 六、以ZnO纳米线阵列作为陷光结构和电荷的传输层，制备了ZnO基纳米线阵列Ag/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H/ZnO nanowire array/FTO/glass太阳能电池，研究了ZnO纳米线长度、i-Si:H层厚度和硼掺杂ZnO对电池性能的影响。结果表明，ZnO掺杂B后，电池的性能得到明显的改善，电池的转换效率达到5.19%。 收起