热氧化生长SiO2钝化膜与双层减反射膜技术的研究

摘要

高效晶体硅太阳电池是光伏电池领域的热门研究之一。半导体硅表面存在大量悬挂键、断键等不饱和键,容易在禁带形成复合中心能级,加大载流子在表面复合消失,严重影响少子寿命,从而降低电池光电转换效率。通过晶体硅表面钝化技术能够很好地去除这些复合中心,降低硅的表面态密度,从而提高晶体硅太阳电池光电转换效率。传统表面钝化技术是使用PECVD的方法在晶体硅表面沉积氮化硅薄膜,但热氧化方法生长的SiO2薄膜与衬底硅的晶格系数更加匹配,钝化效果更佳。热氧化生长SiO2钝化膜技术采用干氧氧化方法在晶体硅表面生长SiO2薄膜,主要原因是干氧氧化生长的SiO2薄膜结构致密、均匀,钝化效果好。SiO2薄膜的钝化效果与其质量密切相关,如果缺陷密度大或污染严重,反而会严重影响电池性能。实验通过调整氧化工艺参数,包括氧化温度、氮气流量、氧气流量和氧化时间等,得到了最适合晶体硅表面钝化的工艺参数,即780℃的氧化温度、10L·min-1的氮气流量、6 L·min-1氧气流量和25min的氧化时间。传统氧化以纯氧气氛为氧化环境,但实验提出了以氮氧气氛作为氧化环境的研究,获得了氮氧气氛下钝化效果优于纯氧气氛的重要结论。在上述工艺参数下,在晶体硅表面生长SiO2钝化膜后,晶体硅的有效少子寿命提高10μs以上,极大地降低了晶体硅电池的复合速率,从而改善了电池性能。双层减反射膜是底层为钝化膜、顶层为减反射膜的双层膜。钝化膜能够降低光生载流子的表面复合速率,提高少子寿命;而减反射膜能够增加光的吸收,提高太阳电池光电转换效率。实验研究了SiO2/TiO2双层膜和SiO2/SiNx双层膜。在适当工艺参数下,晶体硅表面热氧化生长出膜厚约10nm的SiO2钝化膜,实验发现膜厚60nm的TiO2薄膜与其达到最佳的光学参数匹配,反射率与外量子效率都达到最佳。由于SiO2钝化膜在晶体硅前后表面均起到良好钝化作用,降低了光生电子-空穴对的表面复合,从而使SiO2/SiNx双层膜具有较好的短波响应和长波响应,所以反射率与外量子效率都优于SiNx单层膜。另外,由于TiO2薄膜与SiO2钝化膜的光学参数匹配程度要高于SiNx薄膜与SiO2钝化膜,所以SiO2/TiO2双层膜反射率低于SiO2/SiNx双层膜;但喷涂法生长的TiO2薄膜不够致密、均匀,容易在表面产生缺陷,使得光生电子-空穴对的表面复合较高,导致SiO2/TiO2双层膜的外量子效率低于SiO2/SiNx双层膜。电镀液PH值、电镀温度以及电镀液浓度等都会影响金属镀层的性质以及镀层与硅的结合。实验表明,最适合电镀镍电极的工艺参数为:PH=4,温度为50℃,硫酸镍浓度为150 g·L-1。在此工艺参数下,镀层金属晶粒细小、均匀,排列紧密,并且硅与镀层具有良好接触。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 太阳能光伏发展的意义

1.2 太阳电池的发展历程

1.3 太阳电池的应用

1.4 本文主要研究内容及意义

第二章 太阳电池的工作原理和制造工艺

2.1 太阳电池的工作原理

2.1.1 太阳电池的工作原理

2.1.2 光电转换效率

2.2 太阳电池的制造工艺

2.2.1 绒面制备

2.2.2 p-n 结制备

2.2.3 减反射膜沉积

2.2.4 电极制备与高温烧结

2.3 本章小结

第三章 热氧化生长SiO_2钝化膜的研究

3.1 复合理论

3.1.1 体复合

3.1.2 表面复合

3.2 表面钝化技术

3.2.1 氢化钝化方法

3.2.2 氧化钝化方法

3.2.3 其它钝化方法

3.3 热氧化生长原理

3.3.1 热氧化生长的方法及原理

3.3.2 热氧化生长速率

3.4 热氧化生长SiO_2 钝化膜实验

3.4.1 氧化温度的影响

3.4.2 氮气流量的影响

3.4.3 氧气流量的影响

3.4.4 氧化时间的影响

3.4.5 钝化效果的比较

3.5 本章小结

第四章 双层减反射膜技术的研究

4.1 二氧化钛的制备

4.1.1 二氧化钛的介绍

4.1.2 二氧化钛的制备方法

4.2 双层减反射膜技术

4.2.1 SiO_2/TiO_2 双层减反射膜

4.2.2 SiO_2/SiNx 双层减反射膜

4.3 本章小结

第五章 电镀电极的研究

5.1 电镀理论基础

5.1.1 电镀原理

5.1.2 太阳电池中电镀的优势

5.2 电镀镍电极实验

5.2.1 PH 值的影响

5.2.2 温度的影响

5.2.3 电镀液浓度的影响

5.3 电池性能分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文