非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的界面钝化层研究

摘要

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池在能量转换效率上具有较大的发展潜力，同时具有温度衰减系数小和弱光响应强等优点，是未来硅片太阳电池发展的重要方向，而且已为日本松下的产业化开发所证实。但该技术迄今为止为日方严密封锁，这使其研究开发成为世界其它各国光伏学术和产业技术界的一项重大挑战，对于此类高效太阳电池在我国的产业化发展具有重大意义。非晶硅/晶体硅异质结太阳电池技术的核心关键之一是晶体硅衬底与非晶硅间界面的钝化，已知的基本技术是在掺杂非晶硅薄膜和晶体硅片间沉积一层高质量的本征非晶硅薄膜作为钝化层。本文报告我们就该钝化层开展的研究，所采用的方法基于现行主流的氢化本征非晶硅（以下简称非晶硅）薄膜钝化，薄膜沉积手段为国产等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统。主要研究内容和结果如下：
　　（1）单晶硅金字塔绒面园化处理对氢化非晶硅薄膜钝化效果的影响（第2章）。以 HF-HNO3混合酸抛光来实现单晶硅金字塔结构的园化，通过抛光时间控制园化程度。以表面粗糙度Rz相对下降百分数DR定量表征晶体硅衬底表面金字塔绒面结构圆化程度，实验研究了DR值对等离子体化学气相沉积氢化本征非晶硅薄膜钝化效果的改善作用，发现除圆化初期效果异常高以外，二者之间基本呈线性正比关系；相对改善作用随钝化膜变薄而显著提高；表面光反射率则随DR值线性增大。典型结果为：6％绒面结构圆化程度下，（裸硅）裸硅片表面光反射率绝对值提高3％，其表面7nm厚的氢化本征非晶硅薄膜可使得硅片少数载流子寿命相对未圆化绒面样品提高260%。
　　（2）PECVD工艺对氢化非晶硅薄膜钝化效果的影响（第3章）。发现随沉积速率降低和衬底温度升高，钝化效果增强，但到一定程度后，钝化效果则随沉积速率进一步降低或衬底温度进一步升高而减弱。较低的沉积速率和较高的衬底温度使薄膜结构趋于有序致密，直至晶化。上述发现揭示短程有序、致密度较高的非晶硅结构产生较好的钝化效果，但一旦薄膜在硅片衬底上开始产生外延，则其钝化效果就会减弱。实验中还发现PECVD系统微量泄漏对薄膜钝化效果有增益，其原因可能是微量氧引起的。所得最佳钝化效果使普通商用 n型直拉单晶硅片样品的少子寿命达到了2951微秒，相当于表面复合速率低于2.4 cm/s，表明运用国产设备能够得到优良的钝化效果。
　　（3）氧化非晶硅薄膜沉积工艺与钝化效果（第4章）。在氢化非晶硅薄膜沉积气源硅烷和氢混合气的基础上掺入CO2，成功制备了非晶亚氧化硅薄膜。其钝化效果与氢化非晶硅薄膜相当，但工作气压工艺窗口显著增宽。这对于非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的产业化制造很有意义。
　　（4）本征非晶硅钝化膜表面沉积p型掺杂非晶硅层后的钝化效果（第5章）。分别在5nm厚的本征氢化非晶硅钝化膜与本征氢化非晶亚氧化硅钝化膜之上沉积生长了掺硼的 p型掺杂非晶硅层，形成叠层薄膜结构的电池发射极。发现如此叠层后钝化效果有提升，而经退火处理后钝化效果还能进一步产生明显提升。

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第1章 绪论

1.1 晶体硅光伏技术的发展与现状

1.2 非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的发展历史与现状

1.3 非晶硅薄膜特性和生长机制

1.4 非晶硅/晶体硅异质结电池的钝化层研究现状

1.5 本文的研究目的和主要内容

第2章 硅片绒面圆化对非晶硅薄膜钝化影响研究

2.1 引言

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 非晶硅薄膜钝化研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 非晶亚氧化硅薄膜钝化研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 非晶硅/晶体硅异质结电池发射极掺杂层研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 总结

6.1 主要研究结果和结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果