器件質(zhì)量級(jí)微晶硅薄膜及高效微晶硅太陽電池制備的研究.pdf

1、微晶硅薄膜及其太陽電池研究已經(jīng)成為國際光伏領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。因?yàn)槠淇朔朔蔷Ч璞∧ぬ栯姵毓庵虏环€(wěn)定和效率低的缺點(diǎn)，而被公認(rèn)為硅薄膜電池下一代技術(shù)。本論文采用VHF-PECVD技術(shù)，以制備器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了不同沉積條件下微晶硅薄膜的光電性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)特性。通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)特性與光電特性間關(guān)聯(lián)性的分析，揭示了決定微晶硅薄膜質(zhì)量受各個(gè)沉積參數(shù)影響的關(guān)鍵因素，獲得了為制備器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料所對(duì)應(yīng)的各沉積參數(shù)的協(xié)調(diào)規(guī)律。按此規(guī)律進(jìn)

2、行了材料與電池的對(duì)應(yīng)研究，首次提出高效太陽電池用器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料完整的表征體系，并獲得了器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料。首次綜合闡述了沉積參數(shù)變化與電池性能間關(guān)系的趨勢(shì)圖，為縮短高效微晶硅電池研制時(shí)間提供有益的指導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，通過沉積條件的進(jìn)一步優(yōu)化，制備出國內(nèi)最高、國際先進(jìn)、效率達(dá)9.2％的pin單結(jié)微晶硅太陽電池。用于疊層電池中也初步獲得了10.3％的光電轉(zhuǎn)換效率。 本論文主要完成了以下幾個(gè)方面的研究工作：1、研究了硅烷濃度、反

3、應(yīng)氣壓、輝光功率和襯底溫度對(duì)微晶硅薄膜光電特性和結(jié)構(gòu)特性的影響。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，材料的暗電導(dǎo)和光敏性分別隨著硅烷濃度減小、反應(yīng)氣壓降低、功率增加和襯底溫度升高而增加和減??；而材料晶化率則隨上述沉積參數(shù)的變化而增加。另外，也總結(jié)出了以不同沉積參數(shù)，通過相關(guān)的協(xié)同調(diào)節(jié)條件均可優(yōu)化出位于非晶/微晶過渡區(qū)內(nèi)的高質(zhì)量材料，其中硅烷濃度和輝光功率的影響比較顯著。 2、采用拉曼散射光譜研究了微晶硅材料的縱向結(jié)構(gòu)特性，首次在國際上

4、針對(duì)電池所用襯底和Corning7059玻璃襯底分別制備微晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：一定的沉積條件下，微晶硅薄膜的生長存在著縱向結(jié)構(gòu)的不均勻性，即隨薄膜厚度的增加，材料的晶化率逐漸增加然后飽和；材料的表面形貌和晶化率強(qiáng)烈地依賴于襯底的類型及其絨度，腐蝕的7059玻璃上制備薄膜的晶化率要高于在13％絨度SnO2襯底上制備薄膜的晶化率，但隨著沉積條件的不同，兩者對(duì)材料晶化影響的區(qū)別程度也不相同。 3、研究了氧對(duì)微晶硅薄

5、膜的電學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，同時(shí)關(guān)注了微晶硅薄膜的穩(wěn)定性。通過對(duì)有、無氣體純化器條件下，制備材料電學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特性的比較得出：在氧存在情況下，制備薄膜的暗電導(dǎo)偏大、光敏性偏小、激活能降低，而材料的晶化率卻偏大。通過不同沉積條件下制備薄膜的SIMS測(cè)試結(jié)果定量的給出：制備材料的晶化率越高，對(duì)應(yīng)材料中的氧含量越多。首次采用FTIR對(duì)硅薄膜穩(wěn)定性進(jìn)行長時(shí)間跟蹤的研究結(jié)果表明：材料在自然環(huán)境中存在著不穩(wěn)定性，表現(xiàn)在隨時(shí)間推移材料中鍵合的氧含量

6、增加。另外，不同襯底溫度薄膜穩(wěn)定性的結(jié)果表明：較高襯底溫度制備薄膜的穩(wěn)定性要高于較低襯底溫度制備薄膜的穩(wěn)定性。 4、在不同沉積條件對(duì)微晶硅薄膜特性影響研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了微晶硅材料和電池之間對(duì)應(yīng)的優(yōu)化研究。 ●通過不同硅烷濃度制備微晶硅太陽電池的結(jié)果可得出：①電池效率最高點(diǎn)落于非晶/微晶過渡區(qū)，電池的開路電壓和填充因子隨硅烷濃度的增加而增大，短路電流密度則有最佳的硅烷濃度范圍，電池的效率和短路電流密度有一致的變化規(guī)律。②

7、不同輝光功率和襯底溫度制備電池的結(jié)果表明了相類似的規(guī)律，短路電流密度僅在一定的功率和襯底溫度條件下才最大。③保持氣壓，增加氣體流量，所制備電池填充因子明顯地得到提高，因而亦有利于提高電池轉(zhuǎn)換效率。 通過材料特性和晶化率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到的結(jié)論是：晶化程度是決定電池特性的關(guān)鍵因素之一。 ●通過對(duì)制備材料和電池所作的一一對(duì)應(yīng)的研究，總結(jié)出器件質(zhì)量級(jí)微晶硅材料應(yīng)該具有的基本特性：材料暗電導(dǎo)在10-8-10-7s/cm范圍；光

8、敏性在102-103；激活能大于等于0.5eV；材料XRD應(yīng)在(220)方向有擇優(yōu)取向出現(xiàn)；拉曼測(cè)試材料處于非晶/微晶過渡區(qū)(晶化率在40％-70％)；材料次帶吸收系數(shù)：α(0.8eV)＜3cm-1，ESR測(cè)試材料中的缺陷態(tài)密度小于1016cm-3；材料中氧含量小于2×1019cm-3。 ●首次提出高效率微晶硅電池對(duì)應(yīng)的微晶硅材料應(yīng)具有的特性為：材料暗電導(dǎo)在10-8s/cm量級(jí)上；光敏性在1000-2000之間；激活能在0.54

9、-055eV之間；材料XRD測(cè)試結(jié)果給出(220)方向擇優(yōu)取向；拉曼測(cè)試電池晶化率在45％-60％之間。建立了沉積參數(shù)演變與電池性能之間關(guān)系的趨勢(shì)圖，為制備高效微晶硅太陽電池奠定基礎(chǔ)。 5、對(duì)微晶硅太陽電池性能與其材料結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系進(jìn)行了初步研究，也針對(duì)微晶硅太陽電池中存在的非晶孵化層進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：電池的開路電壓隨晶化率的提高而逐漸減小，可以粗略的用晶體和非晶體各占的比例來計(jì)算微晶硅材料的表觀帶隙，結(jié)果表明：電池表觀帶隙

10、和開路電壓呈線性關(guān)系；一定沉積條件制備的微晶硅太陽電池在p/i界面存在著非晶孵化層，隨硅烷濃度的減小、功率的增加，對(duì)應(yīng)孵化層的厚度降低。結(jié)果指出：要想降低p-i-n電池中非晶孵化層的厚度，降低硅烷濃度和提高輝光功率是有效途徑。 6、電池性能除受有源層材料自身影響外，前電極影響亦不容忽視。首次在國際上針對(duì)濺射腐蝕的ZnO前電極和SnO2/ZnO復(fù)合膜前電極對(duì)微晶硅太陽電池性能影響的進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：腐蝕的ZnO襯底上制備電