P型非晶硅薄膜及非晶硅薄膜电池产业化研究

摘要

太阳能作为取之不尽的清洁无污染能源，对当前能源危机和环境污染问题正是雪中送炭，开发利用太阳能电池成为当务之急。目前太阳电池发展需要考虑的两个主要因素是降低成本和提高转换效率。降低光伏系统的成本是目前任务的重中之重，而要降低组件成本最核心的技术就是降低材料成本。因此，今后研究的重点将集中于如何降低成本，在保证转换效率的情况下降低设备及生产成本就显得尤为重要。以玻璃为基板的非晶硅薄膜太阳能电池凭借成本低、应用范围广、便于大规模集成生产等优势，将具有广阔的市场前景。
　　 本论文详细研究了射频功率、掺杂气体的掺杂比和衬底温度对p型氢化硅薄膜的沉积速率、光学性能、微观结构、电导率的影响;研究改进VHF-PECVD制备大面积硅薄膜均匀性的问题;比较RF-PECVD和VHF-PECVD下制备的p型氢化非晶硅薄膜的结构和光电性能的差异。在此基础上采用直流磁控溅射技术在玻璃基片上制备AZO薄膜，使用RF-PECVD技术在AZO薄膜上沉积p、i、n三层非晶硅薄膜，使用磁控溅射技术在非晶硅薄膜上沉积Al膜，使用激光技术完成非晶硅电池的集成。利用紫外-可见光分光光度计、台阶仪、高倍光学显微镜、拉曼光谱、XRD、扫描电镜、Ⅳ曲线测试仪对沉积得到的薄膜进行表征测试，研究了衬底温度和本征层厚度对非晶硅薄膜电池性能的影响。
　　 本论文主要研究内容和结论可总结如下:
　　 1、实验制备的p型硅薄膜为非晶态结构。随着硼烷掺杂浓度的增加，薄膜透射谱的截止边红移，薄膜的沉积速率加快， p型薄膜的电导率呈现出先增大后减小最终趋于饱和的规律。在硼烷掺杂浓度达到1.78％时，薄膜的电导率达到最大，为7.60×10-3 S/cm。
　　 2、p型氢化非晶硅薄膜可见光平均透射率与射频辉光功率密切相关。硅薄膜样品的透过率与射频功率密切相关;非晶硅薄膜样品的沉积速率随功率的增大而增大，存在一个优化值，本实验的功率到达150W后，沉积速率趋于稳定;非晶硅薄膜样品的电导率呈现先增大后减小的趋势，在射频功率为150W时，电导率达到最大值4.46×10-3S/cm。
　　 3、氢化非晶硅薄膜的透过率随着衬底温度的不断增加而发生变化，在衬底温度过低时，SiH2的聚合反应极大的影响了氢化非晶硅薄膜的透过率。衬底温度的改变对氢化非晶硅薄膜的沉积速率影响不大。氢化非晶硅薄膜的电导率随着衬底温度的上升，先增大后减小，在250℃时薄膜的电导率达到最大值。
　　 4、使用中央馈入法并对馈入线和电极的连接方式进行改进，可以有效的改善VDH-PECVD因馈入点附近对数奇点效应和电势驻波效应引起的薄膜非均匀性。
　　 5.通过Raman分析表征证实甚高频(40.68MHz)下制备的硅薄膜有部分微晶成分的产生。甚高频下制备的p型非晶硅薄膜的沉积速率和电导率要远高于射频下制备的薄膜，透过率要低于射频下制备的薄膜。
　　 7、制备的非晶硅薄膜电池组件尺寸为700mm×550mm。衬底温度在室温到250℃的范围内提升时，电池光电转换效率从0.96％升高到5.67％，开路电压V∞从12.84V升高到27.734V，短路电流密度Js。从8.86mA/cm2升高到12.79mA/cm2，填充因子FF从33.51％升高到55.81％，当衬底温度进一步升高到300℃时，电池的转换效率η、开路电压Voc、电路电流密度Joc和填充因子FF均有不同程度降低。
　　 8、本征层薄膜厚度从200nm到700nm的范围内增大时，电池的开路电压Voc和填充因子FF受本征层厚度影响不大。电池的短路电流密度Jsc先增大后减小，在本征层厚度为500nm时，达到最大值。电池的光电转换效率η同短路电流密度Jsc的变化趋势一致，先增大后减小，在本征层厚度为500nm时，达到最大值4.03％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能电池的分类

1．2．1 硅太阳能电池

1．2．2 Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池

1．2．3 Ⅱ-Ⅵ族半导体太阳能电池

1．2．4 有机太阳能电池

1．3 非晶硅薄膜

1．3．1 非晶硅薄膜的基本性质

1．3．2 非晶硅薄膜的生长

1．3．3 高品质非晶硅薄膜的制备方法

1．3．4 非晶硅薄膜的掺杂

1．3．5 非晶硅薄膜的光致衰减效应

1．4 非晶硅薄膜太阳能电池

1．4．1 非晶硅薄膜太阳能电池的工作原理和结构

1．4．2 非晶硅薄膜太阳能电池制备的方法

1．4．3 非晶硅薄膜太阳能电池的研究现状和市场现状

1．5 选题意义及其研究内容

第2章 实验部分

2．1 非晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺流程

2．1．1 玻璃基片的清洗

2．1．2 玻璃基片的加热

2．1．3 AZO膜的溅射设备

2．1．4 Si膜的PECVD设备及电池的集成

2．1．5 非晶硅薄膜太阳能电池的后期处理

2．2 薄膜性能和电池组件性能表征方法

2．2．1 薄膜厚度测试

2．2．2 薄膜光学性能的测试

2．2．3 薄膜微观结构的测试

2．2．4 薄膜表面形貌的观察

2．2．5 薄膜电学性能的测试

2．2．6 电池组件Ⅳ曲线的测试

第3章 硼掺杂对p型a-Si：H薄膜结构和光电性能的影响

3．1 硼掺杂对p型a-Si：H薄膜的微观结构影响

3．2 硼掺杂对p型a-Si：H薄膜光学性能的影响

3．3 硼掺杂率对p型a-Si：H薄膜沉积速率的影响

3．4 硼掺杂率对p型a-Si：H薄膜电导率的影响

3．5 不同硼掺杂率下p型a-Si：H的表面形貌

3．6 本章小结

第4章 射频功率对p型a-Si：H薄膜结构和光电性能的影响

4．1 射频功率对p型a-Si：H薄膜微观结构的影响

4．2 射频功率对p型a-Si：H薄膜光学性能的影响

4．3 射频功率对p型a-Si：H薄膜沉积速率的影响

4．4 射频功率对P型a-Si：H薄膜电学性能的影响

4．5 不同射频功率下p型a-Si：H薄膜的表面形貌

4．6 本章小结

第5章 衬底温度对p型a-Si：H薄膜结构和光电性能的影响

5．2 衬底温度对p型a-Si：H薄膜微观结构的影响

5．2 衬底温度对p型a-Si：H薄膜光学性能的影响

5．3 衬底温度对p型a-Si：H薄膜沉积速率的影响

5．4 衬底温度对p型a-Si：H薄膜电学的影响

5．5 不同衬底温度下p型a-Si：H表面形貌

5．6 本章小结

第6章 电源频率对p型a-Si：H薄膜结构和光电性能的影响

6．1 甚高频电源的调试

6．2 工作频率对p型a-Si：H薄膜微观形貌的影响

6．3 工作频率对p型a-Si：H薄膜沉积速率的影响

6．4 工作频率对p型a-Si：H光学性能的影响

6．5 工作频率对p型a-Si：H电导率的影响

6．6 本章小结

第7章 电池的制备及其性能研究

7．1 衬底温度对非晶硅薄膜电池太阳能性能的影响

7．2 本征层厚度对非晶硅薄膜电池太阳能性能的影响

7．3 本章小结

第8章 结论

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文