摘要
硅基太阳电池经过几十年的发展，已经成为了光伏市场的主流产品。面对多样化的光伏应用场景，如微型化、透光、柔性、轻量化、低成本在微能源自供能、建筑一体化等方面的应用，需要发展新型的硅基光伏以满足当前的应用需求。本论文以硅微纳结构太阳电池为研究对象，重点开展了微纳结构的光学设计及器件的光电性能研究，为硅基光伏的柔韧性、透光和低成本提供理论支撑。主要的研究工作如下: (1)基于单根硅纳米线太阳电池的光电性能模拟研究。设计了一种具有多个等效尺度的三叶形硅纳米线，一个等效尺度对应一个特定的光谱响应范围，实现了单根硅纳米线的宽光谱响应。每一个等效尺度都具有与硅纳米线高度相等的垂直距离，这保证了响应峰的强度，增强了单根硅纳米线的光捕获能力。然后，证明了三叶形硅纳米线对入射光的角度和偏振方向具有良好的容忍度，适合应用于光伏领域。模拟结果表明，单根三叶形硅纳米线太阳电池的表观短路电流密度（JSC）可以达到487.21mA·cm-2，表观转换效率（η）为207.49％。三叶形硅纳米线改善了单根硅纳米线响应光谱较窄的问题，具有光伏微型化应用的潜力。 (2)硅纳米线阵列太阳电池的纳米线形貌设计研究。利用离散偶极近似理论，发现硅纳米线的消光性能与硅纳米线在入射光偏振方向上的尺度有关。根据这个发现，针对性的设计了五种硅纳米线，最终获得了一种顶视图为三叶形的硅纳米线，使单根硅纳米线消光能力提升了85％，最适合应用于硅纳米线阵列中。另外，根据硅纳米线光谱响应解析方程，设计了一种螺旋硅纳米线。进一步研究了硅纳米线中三个独立可控的特征尺度对散射光谱的影响，获得了位置可调的双响应峰，可实现硅材料光学带隙范围内全覆盖。设计了模型为PEDOT∶PSS/硅纳米线阵列-PDMS/ITO结构的半透明螺旋形硅纳米线阵列太阳电池，与圆柱形硅纳米线阵列太阳电池相比平均光吸收提升了40.02％，η提升了54.38％。这为硅纳米线阵列太阳电池提供了性能优异的硅纳米线及设计思路。 (3)硅基杂化太阳电池中PEDOT∶PSS薄膜的优化设计研究。PEDOT∶PSS是一种与硅形成免掺杂异质结的重要材料，直接对光吸收和异质结性能产生重要影响。基于光学导纳和等效界面公式的理论基础，通过调控PEDOT∶PSS薄膜对太阳电池进行光管理，利用反射率随波长周期性变化的规律，并考虑PEDOT∶PSS薄膜寄生吸收的影响，实现了最大的有效光吸收。对PEDOT∶PSS/硅异质结光电性能进行优化，使光损失降低至18.6％，并在PEDOT∶PSS/硅界面达到了最佳的载流子分离效率，稳态下异质接触界面空穴浓度调控至8.33×1012cm-3，在实验中获得了最优的η为12.349％。在此基础上制备了硅纳米线结构，将PEDOT∶PSS与硅纳米线作为复合薄膜进行研究，探究了太阳电池的开路电压(VOC)、JSC和填充因子(FF)的变化规律，这为PEDOT∶PSS/硅异质结的性能调控及硅基杂化太阳电池的制备提供了理论依据。 (4)超薄硅片的柔性及其太阳电池的光电特性研究。在实验中获得了超薄硅片机械柔性的规律，通过基尔霍夫假设及有限元模拟结果证明了PDMS薄膜可以有效降低硅表面应力集中，减小由于表面应力而造成硅片破裂的概率。利用等效介质理论分析了具有微纳结构PDMS薄膜的等效折射率，证明PDMS薄膜可以有效的降低硅表面的反射率。构建了超薄硅太阳电池的计算模型，并获得了力学、光学和电学的性能参数。模拟结果表明，具有蛾眼结构的PDMS薄膜可以使超薄硅太阳电池表面最大应力减少33.4％，总的光吸收提升42.3％，保形PDMS薄膜可以使硅金字塔表面应力最大值减少71.19％，η达到了19.04％。这从理论上解决了超薄硅太阳电池柔性和光吸收的兼容问题。
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