在户外长期运行中, 不论是晶体硅太阳能电池还是薄膜太阳能电池, 都会受到电势诱导衰减(PID)的影响, 从而导致太阳能电池组件输出功率下降。尽管前人已经开展了许多研究, 但对PID现象的理解及解决方案仍旧不完整。本文主要介绍了晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池的PID现象成因及相关解决办法, 以促进人们对太阳能电池PID现象的深入理解, 以期对太阳能电池的稳定性研究提供指导性意见。

作为无机化合物薄膜太阳能电池中具有代表性的一类电池, 铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4, 简称CZTSSe)薄膜太阳能电池因其组成元素地壳含量丰富、低毒等优点受到广泛关注。目前, 吸收层的高缺陷密度和器件的低开路电压被认为是限制该类电池效率的两个关键因素。为了突破这两大困境, 科研人员发展了阳离子取代方法, 即通过引入其他阳离子取代CZTSSe晶格中的铜离子(Cu+)/锌离子(Zn2+)/锡离子(Sn4+), 改善薄膜中的有害缺陷、晶体结构、能带结构等性质, 从而优化电池器件的性能。为了详细阐述阳离子取代措施在铜锌锡硫硒薄膜电池中的研究进展, 本文从等价阳离子取代和不等价阳离子取代两方面进行分类介绍, 并总结了各种阳离子取代措施在优化电池性能方面的优缺点。

本文提出了一种在晶硅薄膜太阳能电池Si层中嵌入金属纳米颗粒的结构, 通过控制金属纳米颗粒的形状、材料以及间距等因素, 利用金属纳米颗粒表面激发出的局域表面等离激元共振效应(LSPR)提高晶硅薄膜太阳能电池对光的吸收。使用微纳光学仿真软件(FDTD)对不同条件下的Si层吸收率以及光生电子密度分布进行了仿真研究。研究发现, 相较于未嵌入纳米颗粒的薄膜太阳能电池, 当嵌入球形Ag纳米颗粒时, Si层吸收率在0.8~1.1μm波段范围内有显著的提高, 整体吸收率比未嵌入纳米颗粒Si层吸收率提高了23.1%, 光生电子密度在纳米颗粒周围显著升高。嵌入Ag、Au、Cu、Al四种纳米颗粒的情况下, 在0.45~1.1μm波段范围内, 吸收率曲线均出现波动, 且嵌入Al纳米颗粒时可以激发出更宽波段范围内的吸收峰, 当Al纳米颗粒存在时Si层的光生电子密度整体分布最好。在对两个Al纳米颗粒间距T为0.1μm、0.15μm和0.2μm三种情况的分析中, 当波段在0.45~0.75μm波段范围内时, T为0.1μm时吸收率表现较好; 而在0.9μm和1.0μm波段附近T=0.15μm时会激发出更宽的吸收峰, 且高于T为0.1μm和0.2μm时的吸收率, Si层上部区域整体光生电子密度更高。

利用1 064 nm MOPA光纤激光器对非晶硅薄膜太阳能电池制备工序中的激光清边工序进行了实验研究，探讨了激光器脉冲宽度、填充线间距、扫描速度等工艺参数对加工效果的影响。在脉冲宽度100 ns，重复频率80 kHz，填充线间距35 μm，输出功率比100%，扫描速度3 500 mm/s，光斑交叠比wx＝0.83，wy＝0.88的参数下，获得了清边区表面理想，电阻值＞1 000 MΩ的良好清边效果。

为了分析混合光栅对硅薄膜太阳能电池光吸收的影响, 在硅层厚度等效一致的条件下, 设计了单一形状、同向和异向混合形状光栅单晶硅太阳能电池结构.利用时域有限差分法分别优化计算了各种混合光栅的最佳尺寸、光生电流密度和光吸收效率, 发现异向混合结构的Ag光栅比其他结构具有更好的光吸收能力.通过电磁场强度分布图分析了混合光栅结构的吸收增强机理, 并针对异向混合光栅, 计算了不同光栅数量组成结构的光生电流密度.同时, 利用光吸收增强因子定量分析得出一个三角凸型和一个抛物线凹槽是异向混合光栅最佳数量组合.有规律地改变这种混合光栅的宽度比和高度比, 计算光生电流密度.结果发现当宽度比为1∶1, 高度比在一个小范围内（0.67 ~ 1.86)波动时, 这种异向混合结构比平板太阳能电池的光生电流密度提高了62.9%.研究结果可为薄膜太阳能电池的结构和参数设计提供参考.

为了研究Ag纳米线对单晶硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响, 设计了固定体积比例下具有三角形光栅和矩形光栅的单晶硅薄膜太阳能电池结构.在两种结构的Ag-Si交界处分别添加横向截面为圆形和矩形的Ag纳米线阵列, 利用有限时域差分法分别模拟计算了这两种结构的太阳能电池和对照组的吸收光谱.通过扫描优化得到两种光栅结构的最佳高度、纳米线横截面积以及分布密度, 并计算出最优条件下300~1 100 nm波段的光吸收效率.通过分析光吸收增强谱和电磁场强度分布图得出了含有纳米线模型在长波段的吸收增强机理.结果表明, 添加了Ag纳米线后的两种太阳能电池模型均比两种对照组模型具有更好的光捕获和吸收作用, 在矩形光栅模型中添加Ag纳米线后吸收效率的提升要比三角形光栅模型中更为明显.研究结果可为新型太阳能电池的结构参数设计提供参考.

采用低压化学气相沉积方法在玻璃衬底上制备了B掺杂的ZnO(BZO)薄膜, 通过氢退火对BZO进行处理, 然后作为前电极进行了非晶硅薄膜太阳能电池的制备及性能研究。结果表明: 在氢气气氛下退火后, BZO薄膜的载流子浓度基本无变化, 但Hall迁移率显著提高, 这使得BZO薄膜的导电能力提高; 当采用厚度较小、透光率较高的BZO薄膜进行氢退火后作为前电极结构时, 非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高0.3~0.4 mA/cm2, 电池的转化效率提高0.2%。实验结果可为通过优化前电极结构来提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率提供一种简易的方法。

为了提高顶入射有机薄膜太阳能电池(TOSCs)的光吸收效率, 我们将周期性矩形光栅结构引入到TOSCs中, 分析了具有光栅结构的空气/Ag1/有源层/Ag2/空气(IMIMI)结构理想模型中复合表面等离子激元(SPPs)与微腔模式的耦合机制。通过调节光栅周期和有源层厚度, 实现了复合SPPs、微腔模式以及有机材料本征吸收3个区域的重合。由于复合SPPs与微腔模式的反交叉耦合作用形成了表面等离子体-微腔激元, 其局域场增强作用有效地提高了有源层的光吸收效率, 提高了近19%。

非晶硅薄膜太阳能电池主要采用掺氟氧化锡(FTO)导电玻璃作为基板, 但FTO薄膜雾度较低、表面形貌无法优化, 导致无法得到较优的陷光结构, 从而限制了太阳能电池的转换效率。为了进一步提升太阳能电池的转换效率, 探讨了替代型的掺铝氧化锌(AZO)薄膜, 通过优化前段磁控溅射镀膜工艺和后段湿化学蚀刻工艺, 用以平衡AZO薄膜的光电性能和雾度, 从而获得具有理想表面形貌的AZO导电玻璃, 使其成为理想的非晶硅薄膜太阳能电池的基板材料。实验表明, 经工艺优化后制作的AZO导电玻璃可提升光电转换效率。

设计了一维双层余弦共形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池.利用时域有限差分法模拟计算了双层余弦共形光栅结构和对照组结构的吸收光谱; 利用归一化光吸收密度的概念, 定量分析了300～700 nm和700～1 100 nm两个波段的光吸收效率.结果表明双层共形光栅结构具有更好的全波段吸收效率, 且在长波段余弦光栅比矩形光栅具有更好的光捕获和吸收作用.利用光吸收增强谱和电磁场强度分布图, 分析了余弦光栅在长波段的吸收增强机理.通过计算短路电流密度, 发现双层余弦共形光栅结构比平板结构太阳能电池的短路电流密度提高了79.5%, 余弦光栅结构比矩形光栅结构的短路电流密度提高了8.5%.