● 摘要
随着现代工业的迅速发展，环境问题不断加剧，大气污染、水污染变得日益严重，成为全人类迫切解决的重大问题。由于煤和石油等能源逐渐的耗尽和环境污染的加剧，使得光伏产业成为了一个最受关注的可再生能源产业。目前，商业化晶体硅太阳能电池仍然占据着光伏市场的主体。晶体硅太阳能电池的光电转化效率为10%~20%，这已经接近其光电转化的极限，很难再继续提高光电转换效率。近几年来，很多学者探究了利用金属纳米颗粒的表面等离子体提高太阳能电池的光电转换效率。但是，多数的报道是关于大尺寸的纳米颗粒对太阳能电池光电性能的影响，而小尺寸纳米颗粒对光的吸收更为重要，人们却不清楚小尺寸纳米颗粒对太阳能电池光电性能的影响机制。本文主要对小尺寸的贵金属纳米颗粒对太阳能电池光电性能的影响及其机理进行了研究。研究的内容如下：
我们研究了小尺寸的Au纳米颗粒对太阳能电池的影响。采用磁控溅射系统在商业化晶硅太阳能电池的表面沉积平均颗粒尺寸为9nm的Au纳米颗粒。首先，我们研究了纳米颗粒覆盖度对太阳能电池电学特性的影响。研究结果表明：通过优化纳米颗粒的覆盖度可以获得电学性能最佳的太阳能电池。当纳米颗粒的表面覆盖率达到11.4%时，太阳能电池的电学性能达到了最优。通过与没有纳米颗粒覆盖的参考电池进行对比，我们发现：具有11.4%纳米颗粒覆盖的太阳能电池的短路电流相对增加了7%；转换效率相对提高了10%。其次，我们利用角度分布研究了最优电池的全天发电量。测量数据表明：利用小尺寸的Au纳米颗粒可以提高性能最优的太阳能电池的输出性能。性能最优电池的最大功率的半峰高相对增加了10%。
采用磁控溅射系统将小尺寸的Ag纳米颗粒沉积在晶硅太阳能电池的表面，并研究Ag纳米颗粒的局域表面等离子体对太阳能电池的影响。首先，通过优化Ag纳米颗粒的表面覆盖度优化太阳能电池的转换效率。与没有纳米颗粒覆盖的参考电池相比，我们发现：当Ag纳米颗粒的覆盖度达到8%时，太阳能电池的性能达到最优，优化电池的转换效率相对提高了41.3%。此外，我们也研究了优化电池的电学特性与角度分布之间的关系。研究结果表明：与没有纳米颗粒覆盖的参考电池相比，具有8%Ag纳米颗粒覆盖度太阳能电池的最大功率的半峰高相对提高了65%，最大功率的半峰宽也相对拓宽了3%。最后，我们还对优化电池的热稳定性进行了研究。测量数据表明：通过对具有8%Ag纳米颗粒覆盖度太阳能电池进行600℃、10min退火，使得优化电池的最大输出功率相对提高了50%。
利用磁控溅射系统在晶硅太阳能电池的表面沉积覆盖度不同的小尺寸的Cu纳米颗粒，并研究Cu纳米颗粒对太阳能电池电学特性的影响。通过优化纳米颗粒的表面覆盖度实现了提高太阳能电池的填充因子和转换效率。当电池表面的Cu纳米颗粒覆盖度为2%时，通过与没有纳米颗粒覆盖的参考电池进行对比，我们发现：优化的太阳能电池的填充因子相对提高了36%；转换效率相对提高了38%。