氢化微晶硅薄膜材料及其在硅基薄膜太阳电池中的应用研究

摘要

由氢化微晶硅(μc-Si∶H)与氢化非晶硅(a-Si∶H)构成的a-Si∶H/μc-Si∶H叠层太阳电池（micromorph电池），可以更充分地利用太阳光，并且可以将光学吸收谱的红限波长拓展到1100nm左右。正因为如此，micromorph电池被认为是硅基薄膜电池的新一代技术，是实现低成本硅基薄膜太阳电池的重要技术途径，也是薄膜电池产业化的新方向。但是由于a-Si∶H电池具有光致衰退效应，以及μc-Si∶H电池的工艺窗口窄，制备难度大，而阻碍了micromorph电池的进一步发展与应用。
　　 器件质量级μc-Si∶H材料的制备是实现高效率μc-Si∶H太阳电池的关键。本论文采用射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）技术，通过高氢稀释技术制备具有超高结晶率的籽晶层材料，并研究了各个工艺参数对μc-Si∶H体材料的性质的影响，最后讨论了将μc-Si∶H材料应用到μc-Si∶H电池以及micromorph电池中的情况。本论文的研究工作主要分为以下几个方面:
　　 一、具有超高结晶率的籽晶层的制备在本论文的实验研究中，发现经过5％的HF溶液腐蚀8分钟后的玻璃，有利于籽晶层的制备;在非晶玻璃衬底上生长μc-Si∶H材料，材料会在生长方向上表现出不均匀性，即厚度越大，材料的晶化率越高。经过优化，制备出了厚度为45nm，具有[220]择优晶向，且晶化率高达88.15％的籽晶层材料。
　　 二、各个工艺参数对体材料的作用与影响在具有超高结晶率籽晶层的基础上研究了各个工艺参数对体材料的作用与影响。结果表明:(1)在一定的范围内，衬底温度的提高，有利于放氢环境的改善，沉积的薄膜性能变好。(2)沉积压强通过影响等离子体中的电子温度的高低，来间接地对μc-Si∶H薄膜材料的沉积速率和质量产生影响。(3)硅烷浓度是决定材料结晶率的关键因素。(4)辉光功率在制备器件质量级μc-Si∶H材料的过程中，起着十分关键的作用。选择合适的辉光功率，既能保证材料有一定的晶化，又能避免重离子对薄膜的轰击损伤。
　　 以上各个工艺参数间相互影响、相互制约，故需要找到一个最佳的工艺参数组合点，才能制备出性能较好的材料。经过优化组合，制备出了结晶率为54.73％，光敏性在1000左右，且具有一定的[220]择优取向的μc-Si∶H材料。
　　 三、μc-Si∶H材料在μc-Si∶H薄膜电池中的应用我们把μc-Si∶H材料应用到μc-Si∶H薄膜电池中，并对P层和I/N界面进行了优化，制备出了效率为4.25％(Jsc:14.15mA/cm2、Voc:0.542V、FF:55.4％)的μc-Si∶H薄膜电池。
　　 四、micromorph太阳电池的初步研究把a-Si∶H电池和μc-Si∶H电池的工艺条件进行简单的组合，初步制备出了效率为2.95％(Jsc:4.23mA/cm2、Voc:1.28V、FF:54.4％)的micromorph太阳电池，并初步讨论了μc-Si∶H电池本征层厚度对micromorph太阳电池的影响。

目录

声明

摘要

第一章 概述

第一节 硅基薄膜太阳电池的研究意义

第二节 硅基薄膜材料与太阳电池简介

1．2．1 氢化非晶硅与氢化微晶硅薄膜材料

1．2．2 氢化非晶硅薄膜太阳电池

1．2．3 氢化微晶硅薄膜太阳电池

1．2．4 非晶／微晶硅叠层太阳电池

第三节 本论文的组织结构

第二章 硅基薄膜材料与电池的制备原理、方法与性能表征

第一节 概论

2．1．1 RF-PECVD沉积系统

2．1．2 RF-PECVD技术制备硅基薄膜

2．1．3 RF-PECVD技术制备硅基薄膜的工艺参数

第二节 μc-Si：H薄膜材料及电池的制备

2．2．1 μc-Si：H薄膜材料的制备

2．2．2 μc-Si：H薄膜电池的制备

第三节 材料与电池的表征

2．3．1 μc-Si：H薄膜材料的表征

2．3．2 硅基薄膜太阳电池的J-V曲线测试

第三章 μc-Si：H薄膜材料的研究

第一节 器件质量级μc-Si：H薄膜材料的特征

第二节 实验过程描述

第三节 μc-Si：H薄膜材料的性能研究

3．3．1 μc-Si：H薄膜材料对衬底的依赖性

3．3．2 减薄非晶孵化层的方法

3．3．3 衬底温度对微晶硅薄膜材料性能的影响

3．3．4 沉积压强对微晶硅薄膜材料性能的影响

3．3．5 硅烷浓度对微晶硅薄膜材料性能的影响

3．3．6 辉光功率对对微晶硅薄膜材料性能的影响

第四节 小结

第四章 μc-Si：H材料在硅基薄膜太阳电池中的应用

第一节 硅基薄膜太阳电池的组成与要求

第二节 μc-Si：H材料在微晶硅太阳电池中的应用

4．2．1 P层厚度对微晶硅太阳电池的影响

4．2．2 N层材料及I／N界面的变化对非晶硅薄膜太阳电池的影响

4．2．3 本征层厚度对微晶硅和非晶硅太阳电池的影响

4．2．4 硅烷浓度对微晶硅太阳电池的影响

4．2．5 功率密度的变化对微晶硅太阳电池的影响

4．2．6 顶、底电池厚度变化对非晶臌晶硅叠层太阳电池的影响

第三节 小结

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果