寬帶隙非晶硅氧材料及其太陽電池的研究.pdf

1、相關(guān)理論計算表明，為了進一步提高硅基薄膜疊層電池的轉(zhuǎn)化效率，需要發(fā)展寬帶隙材料作為項電池吸收層，以提高電池的開路電壓，并增強對短波光的利用。其中本征非晶硅氧材料是具有良好應(yīng)用前景的候選之一。本論文采用PECVD方法以CO2作為氧源進行非晶硅氧材料的制備，并針對其材料特性及其在電池中作為吸收層的應(yīng)用進行了研究。
　　首先，系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)對非晶硅氧材料特性的影響，并主要關(guān)注于寬帶隙兼顧低的缺陷態(tài)密度的獲得。通過研究發(fā)現(xiàn)，CO2摻雜

2、比(fo=[CO2]/[Si-H4])的增大、SiH4-CO2濃度(SOC=([SiH4]+[CO2])/([H2]+[SiH4]+[CO2]))的降低、輝光功率的增大、沉積氣壓的降低均有助于提高非晶硅氧薄膜中的氧含量與氫含量，從而有效提高材料的光學(xué)帶隙，其中fo的影響最為顯著。結(jié)合對材料的結(jié)構(gòu)特性與電學(xué)特性的分析，發(fā)現(xiàn)紅外吸收譜中的微結(jié)構(gòu)因子R*（2100cm-1模式占Si-H伸展模比例）與材料內(nèi)的缺陷態(tài)密度隨沉積參數(shù)變化的趨勢基本相

3、一致。采用較高的沉積溫度、與沉積條件（輝光頻率、電極間距）相匹配的沉積氣壓、SOC在7％-10％之間有利于低缺陷態(tài)密度非晶硅氧材料的獲得，但材料中氧含量的增大會不可避免地導(dǎo)致缺陷態(tài)密度的提高。此外，通過對材料電學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn)，氧的施主摻雜效應(yīng)在以氧的合金效應(yīng)占主導(dǎo)、材料帶隙被明顯提高的情況下依然存在，導(dǎo)致非晶硅氧材料呈現(xiàn)n型特性，并嚴(yán)重影響著材料的光暗電導(dǎo)率、電子μτn積等電學(xué)特性。其中氧的摻雜效率會隨著fo的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨

4、勢，而SOC的降低能夠減弱氧的這一摻雜效應(yīng)。
　　其次，將優(yōu)化條件下獲得的非晶硅氧材料作為吸收層用于單結(jié)非晶硅氧電池之中，對吸收層中氧含量對電池特性的影響進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在采用不佳的摻雜層時，非晶硅氧電池的開路電壓受摻雜層及界面特性的限制導(dǎo)致對吸收層帶隙不敏感，而隨著吸收層中氧含量的增大，電池的短路電流密度與填充因子受缺陷態(tài)密度增大的影響而明顯劣化，表明吸收層內(nèi)的氧含量需要控制在較低的范圍內(nèi)。特別的，研究再次在器件層面明確了非

5、晶硅氧材料的n型特性，并發(fā)現(xiàn)其對電池的性能存在著嚴(yán)重的影響:隨著氧含量的增加，吸收層中空穴的傳輸特性劣化較電子更為嚴(yán)重，并成為電池性能下降的主要原因;吸收層的n型特性使電池的內(nèi)電場在p/i界面處增強，使電池短波量子效率響應(yīng)得到提高;并且電池的開路電壓對p/i界面處的復(fù)合更加敏感，采用低溫寬帶隙非晶硅緩沖層以及增加緩沖層的厚度可以有效的降低界面處電子反向擴散以及隧穿復(fù)合電流，從而促進電池開路電壓的提高;相反，電池開路電壓受i/n界面特性的

6、影響則很小。
　　第三，在明確了非晶硅氧吸收層對電池特性影響的基礎(chǔ)上，為了體現(xiàn)其寬帶隙對電池開路電壓的增益作用，對電池的摻雜層進行了研究與優(yōu)化。提出并驗證了p層的ΔEp=Egp-Eap值是評估p層特性對電池內(nèi)建電勢以及開路電壓影響的有效手段，通過提高p層的ΔEp值使非晶硅氧電池的開路電壓獲得提高，并結(jié)合模擬計算證明內(nèi)建電勢的不足是限制非晶硅氧電池開路電壓進一步提高的主要原因;相反的，電池的開路電壓對n層的電導(dǎo)率并不敏感。此外，還明

7、確了p層特性對非晶硅氧電池短路電流密度、填充因子以及界面復(fù)合特性的影響。最終在吸收層厚度為200nm不加入ZnO背反射的情況下，分別獲得了最高開路電壓為951mV（η=6.69％，Jsc=10.9mA/cm2，F(xiàn)F=64.7％）與最高轉(zhuǎn)化效率7.86％(Voc=940mV，Jsc=12.8mA/cm2，F(xiàn)F=65.2％)的單結(jié)非晶硅氧電池。
　　最后，將非晶硅氧電池應(yīng)用于非晶硅氧/微晶硅雙疊層電池中進行初步的研究，發(fā)現(xiàn)采用非晶硅氧