含硅量子点SiNx薄膜特性及其在太阳电池中的应用

摘要

硅量子点具有量子限制效应特性可大大提高硅基材料发光效率和硅基太阳能电池光电转换效率,因此在光电器件中有很好的应用前景,这使它已成为半导体领域的研究热点。然而,硅量子点发光特征与含硅量子点薄膜结构特性之间的关系还不清楚,导致其器件的可靠性难以保证。此外,硅量子点在太阳能电池中的应用目前仅处于理论和实验研究的初级阶段。基于这些,本文采用PECVD法低温下制备富硅的氮化硅薄膜,再通过退火工艺形成硅量子点。主要研究高温退火处理对硅量子点光致发光特性的影响和高温退火处理下含硅量子点氮化硅薄膜化学组成及键合结构变化特性。最后,基于硅量子点制备工艺设计和制备了一种新型结构的含硅量子点异质结太阳能电池。本文主要研究结果如下:
　　(1)以氨气和硅烷为工作反应气体,采用PECVD技术在200℃低温下制备了含硅量子点的SiNx薄膜,实验结果表明通过Raman光谱技术、PL光谱技术和FTIR光谱技术能快速有效地对硅量子点进行表征。分析光谱数据发现含硅量子点SiNx薄膜存在缺陷发光和量子限制效应特性发光两种发光机制且在衬底温度、射频功率、腔体压强和硅烷流量等参数相同的条件下,缺陷种类随氨气流量的增加而增加。当氨气流量较小时,形成的硅量子点尺寸较大,在高温退火处理下硅量子点易连接长大导致其失去量子限制效应特性。
　　(2)室温下采用FTIR光谱技术和XPS光谱技术分析了不同热退火处理对SiNx薄膜化学组成及键合结构的影响。分析发现当退火温度低于800℃时SiNx薄膜内Si-H和N-H键断裂后主要形成Si-N键;当退火温度高于800℃时薄膜内Si-H和N-H键断裂利于N元素逸出和硅量子点的形成;当退火温度达到1100℃时N2与SiNx薄膜产生化学反应导致薄膜内N和Si原子含量比值R增加。由此详细讨论了不同温度退火处理下SiNx薄膜的FTIR和XPS光谱演化同薄膜内Si、N、H原子间键结构方式变化之间的关系,并分析了氮化硅薄膜内硅量子点的形成机理。
　　(3)采用PECVD方法和真空蒸发镀膜技术设计和制备了一种新型结构的含硅量子点异质结太阳能电池,电池结构为Al/SiNx减反膜/N型a-Si:H/含硅量子点SiNx薄膜/P型c-Si/Al。在标准条件下(AM1.5,25℃)测量了电池I-V特性曲线,获得的电池短路电流密度Isc、开路电压Voc、最大功率点电流Imp、最大功率点电压Vmp、填充因子FF以及光电转换效率分别为:1.9mA/cm2、457.5mV、1.49mA/cm2、288.6mV、0.495和0.43％。分析认为电池串联电阻过大和高的界面势垒是影响太阳能电池光伏性能的两大主要因素,提出了提高电池性能的主要措施。

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1 绪论

1.1 量子点简介

1.2 硅量子点的研究意义

1.3 本文研究背景及内容

2硅量子点制备表征及形成机理

2.1 引言

2.2 硅量子点制备

2.3硅量子点母体基质选择

2.4氮化硅薄膜内的硅量子点形成机理

2.5硅量子点表征

2.6 本章小结

3硅量子点嵌入的SiNx薄膜发光特性

3.1引言

3.2实验方法

3.3结果与分析

3.4 本章小结

4含硅量子点SiNx薄膜键构特性

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5含硅量子点SiNx薄膜在太阳电池中的应用

5.1 硅量子点太阳电池结构设计

5.2 硅量子点HIT太阳电池制备

5.3电池效率测试与分析

5.4本章小结

6总结与展望

6.1主要结果

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利及项目