InGaAs热光伏电池器件和系统研究

InGaAs电池具有吸收带隙低,效率高,稳定性好的优点,广泛应用于热光伏(TPV)器件.本文从材料生长,器件制造和系统综合方面研究了InP衬底上0.73 eV In_(0.53)Ga_(0.47)As晶格匹配和0.6 eV In_(0.68)Ga_(0.32)As晶格失配热光伏电池.通过缓冲层厚度计算,分析了组分波浪上升式InAsP结构的应力弛豫机制,单层缓冲层厚度150 nm时能够释放84%的失配应力.晶格匹配In_(0.53)Ga_(0.47)As和晶格失配In_(0.68)Ga_(0.32)As室温光致发光波长分别为1.69和2.05μm.在AM1.5G标准光谱下, 0.73和0.6 eV InGaAs TPV电池的转换效率分别为12.38%和8.41%.然而在1323 K辐射温度下, 0.6 eV InGaAs TPV电池的转换效率超过0.7 eV InGaAs TPV电池,利用黑体辐射公式标定后转换效率分别达到26.9%和25.4%.搭建了热光伏原理样机系统,通过InGaAs热光伏电池串并联方式,实现了1470 K辐射温度下5 W的输出功率,完成了热辐射能到电能的稳定转换.     

三结砷化镓叠层太阳电池的光学匹配设计与分析

电流匹配是两端式多结叠层太阳电池设计中的关键和难点;同时,合理的吸收光谱分布将有利于电流匹配的获得。文章采用TFC光学薄膜仿真软件,模拟与分析了三结砷化镓太阳电池的多层减反射膜、顶电池窗口层和顶电池等功能层的吸收谱、反射谱和透射谱,以及对太阳电池吸收光谱的影响,结合太阳电池性能分析,得出了几何结构优化设计,可确保较好的电流匹配。     

四结GaAs太阳电池宽带减反射膜的设计与分析

提出了一种可应用于四结GaAs太阳电池的理想减反射膜结构,经计算得出,当窗口层(AlInP)厚度为48.63 nm,三层减反射膜折射率和厚度分别为2.28、1.74、1.32和63.60、83.33、109.85 nm时减反射效果最佳.由TFCalc软件模拟出的反射谱表明,使用该三层减反膜的四结GaAs太阳电池在350-1 800 nm宽光谱范围内可获得1.82%的平均反射率.同时,分析了各膜层折射率和厚度对膜系减反射性能的影响.     

n型半导体CdS_(1-a)Se_a液结光电池Ⅱ,n-CdS_(0.9)Se_(0.1)电极的光电化学性能

本文报导了由粉未压块烧结制备的n-CdS_(0.9)Se_(0.1)电极的光电化学性能。x-射线衍射分析证明,n-CdS_(0.9)Se_(0.1)具有六方纤锌矿结构。光响应波长λ_0=546nm,Eg=2.27 eV;同时,用微分电容和开路光电位实验,测得平带电位V_(?)分别为-1.3V 和-1.37V(对SCE)。电池n-CdS_(0.9)Se_(0.1)/1 MNa_2S,0.1MS,1M NaOH/Pt,用488 nm 单色光照射获得光电转换效率η为6.8%;量子效率φ为0.65。根据实验结果算得多数载流子浓度N_(?)为1.2×10~(18)cm~(-3),耗尽层宽W 为4.3×10~(-6)cm。本文是CdS—CdSe 体系液结光电池研究的系列工作之二。在前一文中[1],我们较详细的报导了由粉末压块烧结制备的n 型半导体CdS_(1-a)Se_a(a=0.05～0.5)液结光电池的实验结果。尔后,为了寻找更有效而廉价的电极材料,针对CdS_(0.9)Se_(0.1)电极的光电化学性能作了深一步的研究。     

微晶硅/晶体硅HIT结构异质结太阳电池的模拟计算与分析

运用AFORS-HET程序模拟分析μc-Si(p)/μc-Si(i)/c-si(n)HIT结构异质结太阳电池的光伏特性,并研究发射层厚度、本征层厚度、本征层能隙宽度、界面态密度以及能带失配等参数对太阳能电池光伏特性的影响,计算结果表明:插入5nm较薄微晶硅本征层,电池的转换效率最佳;随着微晶硅本征层厚度增加,电池性能降低,电池的界面缺陷态显著影响电池的开路电压和填充因子,对能带补偿情况进行模拟分析,结果显示,随着价带补偿(△Ev)的增大,由界面态所带来的电池性能的降低逐渐被消除,当△Ev=0.25 eV时,界面态带来的影响几乎完全消除,通过优化各参数,获得微晶硅/晶体硅HlT结构异质结太阳能电池的最佳转换效率为19.86%.     

太阳电池减反射膜设计与分析

根据光学薄膜原理，利用计算机程序对太阳电池减反射膜进行模拟仿真，得到反射率R(λ)与波长λ的关系曲线，并利用曲线对减反射膜进行优化．设计出几种常用材料制备单、双、三层减反射膜时的最佳膜系参数。为太阳电池减反射膜的制备提供理论依据．分析了电池封装和电池表面钝化对反射曲线的影响，并验证了实验结果．     

量子阱GaAs太阳电池性能随质子辐照注量的变化

2MeV,1×109～2×1013 cm-2质子辐照量子阱GaAs太阳电池,用I-V特性和光谱响应测试分析辐射效应.研究表明,随辐照注量增大,电池Isc,Voc,Pmax衰降程度增大,相同的注量,Pmax衰降程度最大.当辐照注量大于3×1012 cm-2时,电池Isc衰降程度比Voc的大,当注量小于3×1012 cm-2时,电池Voc衰降程度比Isc的大,与量子阱结构受到损失有关.在整个波长范围,随辐照注量增加,相对光谱响应的衰降变化增大,在900～1000nm波长范围,2×1013 cm-2质子辐照电池使量子阱光谱响应特性消失.     

柔性衬底非晶硅/微晶硅叠层太阳电池

报道了对柔性村底非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究结果.首先采用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法在不锈钢柔性衬底上制备了微晶硅太阳电池,发现合适的硅烷浓度和引入Ag/ZnO背反射镜可提高微晶硅太阳电池的性能,使之作为叠层太阳电池的底电池.然后将不同厚度的硅基p+/n+隧穿结应用于非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,分析了其对太阳电池电学和光学特性的影响,发现p+层厚度增加后,电池的开路电压提高,短路电流密度减小;随着n+层厚度的变化,电池的短路电流密度和填充因子均存在最佳值.获得了光电转换效率为11.26%(AM1.5,1000W/m2)的不锈钢柔性衬底非晶硅/微晶硅叠层太阳电池.并进行了大面积化工作,在不锈钢衬底和聚酰亚胺衬底上分别获得了光电转换效率为5.89%(25cm2,AMO,1353W/m2)和5.82%(4cm2,AMO,1353W/m2)的叠层太阳电池.     

质子辐照与电子辐照对空间GaAs/Ge太阳电池性能影响比较

利用地面实验室加速器提供的离子束模拟空间质子、电子辐射,分别对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行不同注量的辐照,并跟踪测试其电性能变化和深能级瞬态谱,研究这种太阳电池的电性能参数随质子、电子辐照注量的变化关系,得到质子、电子辐射效应及两者辐射效应的联系规律.结果表明:引起电池性能参数衰降相同时,1 MeV电子辐照注量比10 MeV质子的通常要大3个量级,质子辐照与电子辐照使电池性能参数Pmax下降了25%时,辐照注量有近似关系Φ1 MeV(e)≈2 500×Φ10 MeV(p).10 MeV,3×1012cm-2质子辐照在电池材料中引入Ec-0.18 eV和Ec-0.65 eV深能级,1 MeV,1×1015cm-2电子辐照在电池材料中引入Ec-0.12 eV和Ec-0.18 eV深能级,电子、质子辐照产生的损伤缺陷不尽相同.     

PESC太阳电池双层减反射膜的研究

钝化发射极硅太阳电池（简称为PESC）^[1]，采用浅结密栅结构，以改革蓝光响应，提高转换效率。同时要求硅太阳电池的减反射在短波范围有较好的透射性能。本文对MgF2-Zn双层减反射进行了研究，将其用于PESC中，有效地提高了电池的短波光谱响应。在AM1．5mw/cm^2光照下得到太阳电池短路电流增益高达1．47，平均反射率在3％左右。     

掺锗单模光纤布拉格光栅γ辐照损伤实验

为开发光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变的测量的应用,有必要对其在空间辐射环境下的性能变化规律进行研究。基于色心模型,从理论上分析了电离辐射对光纤布拉格光栅传输性能的影响。采用~(60)Co-γ辐射源对两根布拉格中心波长分别为825 nm和835 nm的掺锗单模光纤布拉格光栅进行了总剂量为1.01×10~6rad的电离辐射实验。实验结果表明,随着辐照剂量的增加,光纤布拉格光栅反射谱的峰值波长发生了红移现象,光栅的折射率增加。经过总剂量1.01×10~6rad辐照后,布拉格中心波长825 nm和835 nm的峰值波长分别增加了0.070 62 nm和0.074 15 nm。实验结果与色心模型推导出的光栅有效折射率与辐射剂量的函数关系式相符合;为光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变测量的运用提供数据基础。     

1MeV电子辐照GaAs/Ge太阳电池变温光致发光研究

对1 MeV电子辐照GaAs/Ge太阳电池在30~290K温度范围进行了变温光致发光光谱测量,分析了辐照电池样品的发光峰位、发光强度随温度的变化.并用Arrhenius方程对发光强度随温度的变化进行拟合,得出了辐照太阳电池的非辐射复合中心分别为H2(EV+0.41eV)和H3(EV+0.71eV).     

Cu2ZnSnS4/Zn(O，S)异质结薄膜太阳电池的数值仿真

采用SCAPS软件,对CZTS/Zn(O,S)/Al:ZnO结构的薄膜太阳电池进行数值仿真,主要模拟研究Zn(O,S)的禁带宽度和电子亲和势、缓冲层的厚度及掺杂浓度、环境温度对电池性能的影响.结果表明:当Zn(O,S)的厚度和载流子浓度分别为50 nm和10~(17)cm~(-3)时,电池的转换效率可达14.90%,温度系数为-0.021%K~(-1).仿真结果为Zn(O,S)缓冲层用于CZTS太阳电池提供了一定的指导.     

GaN基垂直腔面发射激光器的研制

作者在我国大陆首次实现了GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的激射.首先采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上进行高质量氮化物增益区的外延生长,然后在表面沉积高反射介质膜分布布拉格反射镜(DBR).将样品键合到其它支撑片上后,采用激光剥离技术将蓝宝石村底去除.再在去除蓝宝石后露出的氮化物表面沉积第二组介质膜DBR制成VCSEL.在室温光泵条件下,观察到VCSEL的激射,激射波长449.5 nm.阈值6.5 mJ/cm2,激射峰的半高宽小于0.1 nm,这些指标达到了国际领先水平.本文为进一步研制实用化氮化物VCSEL奠定了重要的基础.     

(La0.9Bi0.1)NiO3的制备及其热电性能

以硝酸盐为原料、柠檬酸为络合剂、无水乙醇为溶剂,采用溶胶-凝胶法获得(La0.9Bi0.1)NiO3的纳米前驱体,在800℃下煅烧该前驱体2 h得到单相的(La0.9Bi0.1)NiO3纳米级粉末.利用XRD、TG-DTA、SEM等手段对其结构进行表征,所得到的(La0.9Bi0.1)NiO3颗粒大约为50 nm.在空气气氛中1 000℃下烧结6 h获得多晶的(La0.9Bi0.1)NiO3陶瓷样品.对(La0.9Bi0.1)NiO3陶瓷材料的微观结构进行分析,并对其室温到700℃的热电性能进行研究.热电测试结果表明,(La0.9Bi0.1)NiO3是N型热电材料且具有一定的热电性能.     

掺锗单模光纤布拉格光栅γ辐照损伤研究

为开发光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变的测量的应用,有必要对其在空间辐射环境下的性能变化规律进行研究。基于色心模型,从理论上分析了电离辐射对光纤布拉格光栅传输性能的影响。采用Co60-γ辐射源对两根布拉格中心波长分别为825nm和835nm的掺锗单模光纤布拉格光栅进行了总剂量为1.01×106rad的电离辐射实验。实验结果表明,随着辐照剂量的增加,光纤布拉格光栅反射谱的峰值波长发生了红移现象,光栅的折射率增加。经过总剂量1.01×10e6rad辐照后,布拉格中心波长825nm和835nm的峰值波长分别增加了0.070 62nm和0.074 15nm。实验结果与色心模型推导出的光栅有效折射率与辐射剂量的函数关系式相符合。本实验结果为光纤布拉格光栅在空间环境温度及应变测量的运用提供数据基础。     

~(63)Ni-Si辐射伏特电池镍薄膜源设计与制备

在辐射伏特电池换能器件表面直接制备~(63)Ni辐射源的方法存在加载量少、活性低、PN结性能退化等问题。该文提出一种利用氧化铟锡(ITO)薄膜作为导电层材料实现在透明封装玻璃表面电镀~(63)Ni源的方法。根据辐射源自吸收效应理论模拟计算了~(63)Ni-Si辐射伏特电池辐射源的最佳厚度。采用磁控溅射工艺在400μm玻璃基底上制备了厚度为180nm的ITO导电薄膜,利用电化学工作站,对ITO薄膜表面进行电镀镍,对镀镍之后的薄膜材料微观形貌、薄膜厚度进行表征,并对基于该辐射源制备方法的~(63)Ni-Si辐射伏特型同位素电池电学输出性能进行理论仿真,仿真结果表明:在厚度为2μm、活度为7.25×108Bq、面积为36mm2辐射源的辐照下,辐射伏特电池理论上能够输出85.4nW输出功率。     

宽光谱高效硅基薄膜太阳电池的基础研究报告

介绍高绒度MOCVD-ZnO:B透明导电薄膜用作非晶硅太阳电池前电极、非晶硅太阳电池BZO/p-a-SiC:H接触特性改善、非晶硅界面缓冲层对非晶硅锗电池性能的影响以及非晶硅锗电池性能的调控等方面的研究内容及结果。首先我们将自行研制的具有优异陷光效果的掺硼氧化锌BZO用作p-i-n型非晶硅太阳电池的前电极,并且将传统商业用U型掺氟二氧化锡FTO作为对比电极。结果表明相对FTO电池,尽管BZO电池的电流优势明显,但当本征层厚度较薄时其Voc和FF却较差。原因是相对于表面较为平滑的FTO,BZO表面呈大类金字塔的绒面结构会在本征层生长过程中触发阴影效应,形成大量的高缺陷材料区和漏电沟道,进而恶化电池的Voc和FF。在不修饰BZO表面形貌的情况下,通过调节非晶硅本征层的沉积温度来消弱BZO高绒度表面引起的这种不利影响,改善后的电池Voc和FF均有提升。在仅有Al背电极的情况下,当本征层厚度为200 nm时,BZO前电极非晶硅太阳电池效率达7.34%。其次,我们采用重掺杂的p型微晶硅来改善前电极掺硼氧化锌(ZnO:B)和窗口层p型非晶硅碳(p-aSiC)之间的非欧姆接触特性。通过优化插入层p型微晶硅的沉积参数(氢稀释比H_2/SiH_4、硼掺杂比B_2H_6/SiH_4)获得了较薄厚度下(20 nm)暗电导率高达4.2 S/cm的p型微晶硅材料。在本征层厚度约为150 nm,仅采用Al背反射电极的情况下,获得了效率6.37%的非晶硅顶电池,开路电压Voc和填充因子FF均较无插入层的电池有大幅提升。第三,采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,进行了非晶硅锗薄膜太阳电池的研究。针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性,通过调控硅锗合金中硅锗的比例,实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制。借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计,获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池。最后,介绍了针对非晶硅锗电池本征层高锗含量时界面带隙失配以及高界面缺陷密度造成电池开路电压和填充因子下降的问题,通过在P/I界面插入具有合适带隙的非晶硅缓冲层,不仅有效缓和了带隙失配,降低界面复合,同时也通过降低界面缺陷密度,改善内建电场分布从而提高了电池的收集效率。进一步引入I/N界面缓冲层以及对非晶硅锗本征层进行能带梯度设计,在仅采用Al背电极时,单结非晶硅锗电池转换效率达8.72%。总之,通过以上优化措施,最后获得了效率为14.06%的非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳电池。     

MOCVD生长AlGaAs-GaAs DBR及其特性

本文报导了任意铝组分的AlGaAs材料的MOCVD外延生长和控制,解决了MOCVD生长高铝组分AIGaAs这一难题。国内首次运用MOCVD技术生长出高反射率的适合于垂直腔面发射激光器的AlGaAs-GaAs四分之一波长的分布布拉格反射镜(DBR)结构。用高分辨透射电镜观察得出,该DBR有良好的周期性、厚度均匀和界面平直。测得其反射率为94％,响应波长为820nm-868nm。     

中频磁控溅射法制备掺氢氮化硅减反/钝化复合功能薄膜的研究

使用中频磁控溅射法制备了具有光学减反射与电学钝化的复合功能的氮化硅(SiN_x)薄膜,并对其结构和性能进行了综合研究。结果表明:在常规制绒硅片上沉积的两种不同折射率的单层SiN_x减反膜表现出优异的光学性能,其在300~1 100 nm波段的平均反射率由镀膜前的14.86%下降到镀膜后的5.50%和6.58%;若采用多层的氮化硅(m-SiN_x)+氮氧化硅(SiO_x Ny)薄膜作为减反层,则其平均反射率进一步下降到4.03%。同时,优化工艺制备得到的掺氢氮化硅(Si Nx∶H)薄膜,表现出良好的电学钝化特性。试验中分别制备了两种复合结构的薄膜,即SiN_x∶H(厚度15 nm)+m-SiN_x+SiO_xNy与SiN_x∶H(厚度30 nm)+m-SiN_x+SiO_xNy复合薄膜,其平均反射率分别为5.88%和5.43%;把这两种薄膜用于晶体硅太阳电池上,其开路电压则都达到了575 m V,表现出良好的性能。