基于RIE掩膜法制备的黑硅及其SIS太阳电池性能的研究

摘要

近年来，硅因为自身优异的性能，而被广泛运用于众多领域。就目前而言，晶硅太阳电池在光伏市场中仍占据着统治地位。其中半导体-绝缘体-半导体（SIS）太阳电池因自身结构简单、制备成本低、工艺简单、性能稳定、理论效率高而备受关注。为了进一步提高太阳电池的光电转化效率，人们提出了许多方法，其中降低硅片表面反射率，即在硅片表面制备陷光结构是一种简单可行的方法，于是黑硅被用于晶硅太阳电池。广义上，黑硅是一种对光吸收超过90％的材料。
　　本文通过改良Stober法，向反应体系中加入电解质来合成SiO2微球，通过激光粒度仪分析了电解质种类及浓度对SiO2微球粒径的影响。并结合Stober法合成SiO2机理对所得实验结果进行了解释。又通过旋涂法将所制备的 SiO2微球旋涂在硅片表面，均衡旋涂过程中毛细作用力及离心力的相互作用，制备出了单层 SiO2掩膜。结果表明，电解质的种类及浓度对 SiO2微球的粒径大小及均一性都有着很重要的影响。随着体系中电解质浓度的增加， SiO2微球粒径逐渐增加，而均一性逐渐变差。通过旋涂法制备单层 SiO2掩膜发现，要形成单层掩膜，对旋涂液浓度及旋涂速度都有着一定要求，最终SiO2微球在硅片上以HCP形式排列。
　　制备完掩膜后，采用反应离子刻蚀法来刻蚀硅片。以SF6和O2作为刻蚀气体，系统研究了不同刻蚀功率、刻蚀气体流量比、刻蚀时间对黑硅表面形貌及反射率的影响。并结合RIE掩膜法制备黑硅机理解释了刻蚀参数对黑硅性能的影响。最终得到了三种不同形貌的黑硅，分别为纳米圆柱、纳米圆台及纳米圆锥。当刻蚀功率为150W，SF6:O2=18sccm:6sccm，刻蚀时间为25min时，样品表面结构呈圆锥状，在400-1000nm范围内反射率最低，为4.6%。结合FDTD模拟软件模拟分析了不同形貌黑硅反射率及其对550nm波长入射光的限制作用，其中圆锥结构的陷光效果最好，又结合实际运用详细验证了圆台结构的陷光性能。其优异的陷光效果是来自于渐变的折射率。为了去除在 RIE刻蚀过程中由荷能离子所带来的损伤，采用低浓度NaOH处理样品，研究了NaOH处理时间对黑硅形貌及反射率的影响，并采用ALD沉积Al2O3薄膜来钝化黑硅表面。结果表明，当NaOH处理时间为120s时，黑硅表面反射率上升至14.33%，黑硅表面小结构被去除；当沉积完Al2O3薄膜，并在450℃下退火后，黑硅表面反射率将至7.12%，少子寿命达到29.34μs，表明黑硅表明损伤层层被完全去除，且Al2O3兼具减反和钝化双重作用。
　　为了制备性能优异的SIS太阳电池，采用磁控溅射在去完损伤的黑硅表面沉积一层ITO薄膜。通过紫外可见光分光光度计、XRD、扫描电镜及霍尔测试仪研究了不同衬底温度下制备ITO薄膜光学及电学性能的差异。最终在不同衬底温度及不同H2O2前处理时间下制备了SIS太阳电池。由于ITO与Si之间的功函数差，Si表面能带弯曲形成反型层，使SIS太阳电池具有类似pn结的性质，最终实现光电转化。结果显示，中间绝缘层的厚度对SIS器件性能影响很大，在 SIS太阳电池中，载流子的运输需要通过隧穿效应来实现。H2O2前处理15 min，并于150℃沉积ITO薄膜时，SIS太阳电池光电转化效率最高，为3.67%。

目录

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第一章 绪论

1.1 黑硅概述

1.2 太阳电池简介

1.3 课题研究内容及目标

2.1 主要实验设备及原料

2.2 实验方法

2.3 表征设备及原理

第三章 SiO2掩膜的制备

3.1 引言

3.2 SiO2微球的合成

3.3 旋涂参数对制备SiO2掩膜的影响

3.4 本章小结

第四章 RIE掩膜法制备黑硅及其钝化

4.1 引言

4.2 黑硅的制备

4.3 RIE掩膜法制备黑硅的机理

4.4 黑硅性能理论模拟

4.5 黑硅的去损伤与钝化

4.6 本章小结

第五章 SIS太阳电池的制备

5.1 引言

5.2 ITO的制备

5.3 ITO沉积温度对SIS太阳电池的影响

5.4 H2O2氧化时间对SIS太阳电池的影响

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文