寬帶隙納米硅碳材料及在硅基太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、硅基薄膜太陽(yáng)電池因其成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到大規(guī)模發(fā)展和推廣。研究者普遍認(rèn)為，采用多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)是提高硅基薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的最有效手段。這其中，提高頂電池的開(kāi)路電壓和短波響應(yīng)是獲得高效疊層電池的關(guān)鍵。目前，如何獲得寬帶隙、高性能的本征吸收層及p型窗口層材料是頂電池制備和優(yōu)化過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。p型非晶硅碳(p-a-SiC:H)以及本征非晶硅碳(i-a-SiC:H)材料作為典型的合金型寬帶隙材料，已廣泛應(yīng)用于硅基

2、薄膜太陽(yáng)電池領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，本論文利用與現(xiàn)有技術(shù)相兼容的RF-PECVD法，將納米結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)的a-SiC:H材料中，成功制備出p型納米硅碳以及本征納米硅碳材料。利用納米材料優(yōu)異的光電性能，實(shí)現(xiàn)納米硅碳頂電池以及疊層太陽(yáng)電池性能的提升。
　　主要研究?jī)?nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　第一、研究了制備參數(shù)對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)p型窗口層材料性能的影響，包括p-a-SiC:H，p型納米硅(p-nc-Si:H)和p型微晶硅(p-μc-Si:H)，

3、進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)特征和光電特性進(jìn)行綜合對(duì)比，分析總結(jié)出傳統(tǒng)p型窗口層寬帶隙和高電導(dǎo)率無(wú)法兼顧的原因。其次，在高氫稀釋和低摻雜濃度條件下制備出p-nc-Si:H/a-SiC:H混合相材料，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)在高氫稀釋條件下，適當(dāng)?shù)膿诫s濃度既可以提供足夠的摻雜源，同時(shí)也起到抑制晶化的作用。包覆在a-SiC:H網(wǎng)絡(luò)中尺寸為6-8nm的晶?？梢援a(chǎn)生顯著的量子尺寸限制效應(yīng)，使光學(xué)帶隙得到展寬，而此時(shí)Si-C合金效應(yīng)起到次要作用。另外，納米晶粒的引入可以

4、有效提高材料中程有序性、減少帶尾態(tài)密度、提高硼原子摻雜效率，使窗口層材料帶隙展寬的同時(shí)，電導(dǎo)率也得到一定的提高。為了進(jìn)一步優(yōu)化p型窗口層的性能，同時(shí)獲得寬帶隙、高電導(dǎo)率、低吸收系數(shù)、低折射率等頂電池窗口層材料所需的優(yōu)異性能，提出一種新型的量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)，即：采用高電導(dǎo)率的p型納米硅(p-nc-Si:H)作為勢(shì)阱層，以寬帶隙、未摻雜的a-SiC:H作為勢(shì)壘層，并使之相互疊加制成周期性多層膜。通過(guò)改變沉積條件和等離子體刻蝕時(shí)間實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱層中

5、納米硅晶粒尺寸和密度的有效調(diào)控，而勢(shì)壘帶隙也可以通過(guò)改變a-SiC:H中的碳含量來(lái)調(diào)制，最終通過(guò)量子尺寸限制效應(yīng)和超晶格隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)寬帶隙（Eg=2.35eV）和高暗電導(dǎo)率（δ⊥=1.2×10-2S/cm）的同時(shí)獲得，成為理想頂電池窗口層材料，應(yīng)用于電池制備出初始效率為7.6％的非晶硅頂電池，Voc=0.99V，Jsc=11.3mA/cm2，F(xiàn)F=68%。
　　第二、界面處的載流子輸運(yùn)對(duì)太陽(yáng)電池的性能有重要影響，具有納米結(jié)構(gòu)的窗口

6、層的引入使界面問(wèn)題變得更為復(fù)雜，因而需要對(duì)p層自身的縱向輸運(yùn)特性、p/ITO以及i/p界面性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。與傳統(tǒng)窗口層材料相比，寬帶隙納米硅碳材料不僅通過(guò)隧穿效應(yīng)提高p層中載流子縱向暗電導(dǎo)率，當(dāng)其與ITO前電極接觸時(shí)載流子通過(guò)隧穿效應(yīng)形成的良好歐姆接觸，最終通過(guò)非晶硅電池的暗態(tài) JV曲線測(cè)試發(fā)現(xiàn)寬帶隙納米硅碳材料的引入有效減小載流子在p/ITO和p/i界面復(fù)合幾率，實(shí)現(xiàn)在界面處良好的載流子輸運(yùn)特性。在光學(xué)方面利用等效介質(zhì)模型模擬計(jì)算

7、薄膜直接透射和反射，發(fā)現(xiàn)隨著納米硅碳薄膜C含量以及晶化率的提升均可以提高納米硅碳薄膜的直接透射率，與p-nc-Si/a-SiC:H混合相材料相比，由于p-nc-Si:H/a-SiC:H量子點(diǎn)超晶格勢(shì)壘和勢(shì)阱采用分離式制備方法，避免一步法難以同時(shí)得到高C含量的硅碳母體和高晶化率的問(wèn)題，最終獲得寬帶隙勢(shì)壘和高晶化率勢(shì)阱組成的p-nc-Si/a-SiC:H量子點(diǎn)超晶格材料，將其應(yīng)用在電池器件應(yīng)用中得到良好的性能，非晶硅電池400nm處外量子效

8、率從57%提高至64%。
　　第三、首先系統(tǒng)研究[CH4]%、襯底溫度、氫稀釋率和輝光功率等制備參數(shù)對(duì)非晶硅碳材料生長(zhǎng)速率和C含量的影響，其中[CH4]%、氫稀釋率和輝光功率等制備參數(shù)通過(guò)改變等離子體中Si和C原子前驅(qū)物濃度比例影響硅碳薄膜生長(zhǎng)速率和C含量，為主要因素；襯底溫度主要通過(guò)影響表面懸鍵（活性點(diǎn)）密度來(lái)調(diào)制生長(zhǎng)速率，為次要因素。其次，系統(tǒng)研究本征非晶硅碳的結(jié)構(gòu)特征和光電特性隨薄膜中C含量變化規(guī)律，深入分析高C含量下硅碳薄

9、膜缺陷增大的原因，發(fā)現(xiàn)Si和C原子半徑差異導(dǎo)致Si-C鍵的摻入同時(shí)造成Si-Si鍵鍵長(zhǎng)和鍵角的畸變，帶尾展寬增加缺陷。再次，系統(tǒng)研究?jī)上喙杼急菊鞑牧系慕Y(jié)構(gòu)特征和光電特性隨氫稀釋率演變規(guī)律，結(jié)構(gòu)分析表明本征納米硅碳材料Si-C鍵濃度較大和微空洞、C團(tuán)簇的較少，H原子以孤立SiH或是SiH2鍵合形式存在使中程有序度提高，材料光電特性改善。最終，在本征吸收層優(yōu)化條件下，制備出初始效率為7.2%的兩相硅碳電池，Voc=1.04V，Jsc=9.6