低成本颗粒硅带上薄膜太阳电池关键技术的研究

摘要

效率与成本问题一直是制约太阳电池大规模应用的瓶颈。为有效降低太阳电池成本，当前的研究工作主要集中在两个方面。一方面是优化器件结构；另一方面是降低材料成本。晶体硅薄膜太阳电池可将以硅片为基础的晶硅电池的工艺优点与成本降低有效的结合起来，因此成为高效、价廉、高稳定性太阳电池发展的主要方向之一。当晶硅薄膜电池衬底材料的成本和薄膜沉积工艺的成本低于体硅电池的成本时，它才能成为经济上可行的能源供给方式。目前，国内外还没有建立成熟的晶硅薄膜太阳电池衬底及器件的工艺技术。 论文就此问题，以获得高材料性能和更低工艺成本为目标，提出在廉价的颗粒硅带衬底上制备晶硅薄膜太阳电池的技术路线。通过颗粒硅带上衬底材料制备、低成本衬底上的薄膜沉积工艺以及器件性能的系统研究，确立颗粒硅带及优质硅薄膜的优化制备工艺条件，建立低成本晶硅薄膜太阳电池关键工艺技术，设计并制备了工艺简单、器件性能稳定的晶硅薄膜太阳电池。本论文主要研究内容及结果可概述如下。 1．首先，综述了晶硅薄膜太阳电池的产业化及研究状况；结合本文研究内容，以能带论为依据着重阐述硅薄膜太阳电池光电转换相关的晶态、非晶态硅材料基本理论与实验方法，主要包括半导体硅材料光学性质、电输运、晶界电特性、杂质的工艺与物理相关性以及晶硅薄膜太阳电池原理。 2．优化颗粒硅带多晶硅衬底材料制备工艺，对材料结构、杂质以及电学性能进行表征。采用正交设计的实验方法优选显著性因素、确定工艺参数，利用扫描电镜、x射线衍射分析、俄歇能谱以及四探针电阻仪等现代测试方法研究颗粒硅带材料特性，阐述颗粒硅带微观结构的各种非理想性因素，着重讨论颗粒硅带衬底材料的器件支撑、提供背面场和籽晶生长基础等作用。对颗粒硅带制备技术的关键问题进行研究并从工艺和器件结构的角度提出解决方案。 3．分别采用快热化学气相沉积多晶硅薄膜和等离子增强化学气相沉积微晶硅薄膜的两种工艺路线，进行多晶硅薄膜以及微晶硅薄膜电池材料的制备和光电性能研究。对照两种工艺路线对颗粒硅带衬底的适用性，讨论颗粒硅带表面平整度对器件光电转换效率的影响及其与器件结构的关系。 4．制备了颗粒硅带衬底上的多晶硅薄膜太阳电池，面积为1cm<'2>的太阳电池的光电转换效率达到6.05％。实验结果表明多晶硅薄膜外延沉积工艺对颗粒硅带衬底的晶格匹配、热膨胀系数、杂质浓度、表面平整度的要求相对较高。设计并采用新颖的器件结构以规避表面平整度对载流子收集产生的重要影响以及高温工艺导致杂质扩散的影响。 5．在带有透明导电薄膜的浮法玻璃和颗粒硅带衬底上分别进行了微晶硅薄膜pin结构太阳电池的制备实验。在5x5cm<'2>的颗粒硅带衬底上得到的微晶硅薄膜太阳电池转换效率2.2％，开路电压高达737.1mV。展现了颗粒硅带上硅薄膜太阳电池的应用可能性和开发价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1发展太阳能光电转换的意义

1.2硅太阳电池研究背景

1.2.1太阳电池研究历史、现状与趋势

1.2.2具代表性太阳电池的研究状况

1.3光伏能源产业化浪潮

1.2.1国际光伏产业发展状况

1.2.2经济性预测

1.2.3中国光伏研究与产业特点

1.4立题思路与目标

1.4.1效率与成本问题

1.4.2思路与目标

参考文献

第2章基本理论与研究方法

2.1晶态硅材料基本理论

2.1.1光学性质和电输运

2.1.2非线性性质和强电输运

2.1.3半导体中的浅杂质和深杂质——工艺和物理相关性

2.1.4晶界的电特性

2.2氢化非晶硅的材料特性

2.2.1分子结构和电子态

2.2.2缺陷平衡和亚稳态性

2.3硅薄膜太阳电池

2.3.1太阳电池结构

2.3.2太阳电池工作原理

2.3.3理论转换效率

参考文献

第3章颗粒硅带的制备和表征

3.1硅材料制备技术概述

3.2颗粒硅带技术关键问题

3.2.1工艺原理及特点

3.2.2热场分布对半定边材料的影响

3.2.3表面平整度的解决方法

3.3正交法判定硅带制备显著性影响因素

3.3.1正交表的统计分析

3.3.2因素的交互作用

3.3.3优选结果

3.4颗粒硅带特性及表征

3.4.1导电类型和电阻率

3.4.2SEM形貌特征

3.4.3金相显微镜缺陷观察

3.4.4XRD谱

3.4.5AES谱

3.4.6XPS谱

3.5小结

参考文献

第4章薄膜物理及薄膜的化学气相沉积

4.1快热化学气相沉积多晶硅薄膜

4.1.1快热化学气相沉积系统

4.1.2工艺参数

4.2多晶硅薄膜典型特征的研究

4.2.1电性能

4.2.2形貌

4.2.3X射线双晶衍射

4.3等离子化学气相沉积氢化微晶硅薄膜

4.3.1薄膜等离子增强化学气相沉积基础

4.3.2大面积等离子增强化学气相沉积设备

4.3.3氢化微晶硅薄膜的制备

4.4氢化微晶硅薄膜特性表征与研究

4.4.1直流电阻率

4.4.2薄层电阻及分布

4.4.3椭偏光谱扫描

4.4.4IR及光谱分析

4.4.5FTIR

4.4.6拉曼光谱

4.4.7ESEM

4.4.8微晶硅薄膜激活能

4.4.9微晶硅薄膜能带结构研究

4.5掺硼氢化微晶硅薄膜的实验结果及讨论

4.5.1工艺参数及实验结果对照

4.5.2TMB流量比的影响

4.5.3SiH4流量比与晶化度

4.5.4厚度对薄膜结构和性能的影响

4.5.5温度的影响

4.5.6反应室总压的影响

4.5.7大面积沉积均匀性

4.6掺磷氢化微晶硅薄膜的实验结果及讨论

4.6.1温度的影响

4.6.2磷铵流量比的影响

4.7小结

参考文献

第5章颗粒硅带衬底上的多晶硅薄膜太阳电池

5.1器件结构和工艺流程

5.2器件特性

5.2.1IV特性和光谱响应

5.2.2缺陷和复合

5.3PC1D

5.4小结

参考文献

第6章P-I-N结构微晶硅薄膜太阳电池

6.1TCO玻璃上的pin太阳电池

6.1.1器件结构设计

6.1.2工艺流程

6.1.3暗特性

6.1.4 I-V特性和光谱响应

6.2颗粒硅带衬底上的pin结构微晶硅薄膜太阳电池

6.2.1器件结构设计

6.2.2工艺流程

6.2.3I-V特性

第7章结论

附录

论文的插图索引

论文的表格索引

标准硅粉末样品衍射信息

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢

论文原创性声明