AIC多晶硅薄膜制备研究及其叠层电池的模拟设计

摘要

多晶硅薄膜具备与体硅材料接近的高迁移率、窄带隙的特点,同时又具有节约材料的优势,因而其作为晶体硅太阳电池替代材料的研究被越来越多的重视和开展。AIC诱导晶化技术作为一项行之有效的技术,已经被应用于多晶硅籽晶层的制备之上,结合外延工艺,获得了8％效率的单结电池。本文使用铝诱导晶化技术,对多晶硅薄膜材料的制备进行了研究,并采用计算机模拟的方法对于多晶硅薄膜在叠层电池中的应用进行了模拟计算。
　　 1、对于多晶硅薄膜材料的制备,我们采用了化学溶液源与物理蒸发源两种方法引入铝诱导源:
　　 化学源:只有当溶液为强碱性条件(pH值大于11),溶液中Al元素以偏铝酸根AlO2-的形式存在时才能观察到晶化的发生；为了获得连续多晶硅薄膜,溶液的浓度不能低于1％；非晶硅薄膜表面氧化层的存在会阻碍AlO2-与Si原子的结合与反应,使晶化所需要的温度升高。
　　 物理源:退火温度的提高可以显著地提高晶化速率,但同时因形核密度变大,晶粒尺寸变小,不利于材料质量的提高,体现为载流子迁移率的下降；Al层厚度越大,初始的形核速率越慢；当a-Si层的厚度小于Al层厚度时,无法通过延长退火时间获得100％完全的晶化,存在着晶化比例(CF)的极限效应；而当a-Si层厚度超过Al层厚度较多时,会在连续的多晶薄膜上残留下过多的硅岛,不利于后续外延的进行；采用低压纯氧条件下升温氧化的方法制备了a-Si/Al之间起隔膜作用的氧化层,可以使氧化层的结构和组分相对于自然氧化的氧化层发生改变,提高晶化速率；当采用的晶化前驱物自身存在着两相混合结构时,在相界面或缺陷位置附近形核所需要的能量降低,形核率提高,形核阶段所需要的时间缩短,同时会使薄膜表面残留的Si由岛状结构转变为丘陵状团簇。
　　 2、在模拟计算方面,采用Silvaco公司TCAD软件构建了二维多晶硅薄膜电池模型,对晶粒间界缺陷态密度与晶粒尺寸对电池性能的影响进行了模拟。并使用这一模型对多晶硅薄膜在叠层电池中的应用潜能进行了计算。
　　 晶化多晶硅材料的性能,尤其是间界处的缺陷态密度,是调控电池性能的重要参数。电池的各项参数随着晶粒间界处缺陷态密度的减小而提高。当带隙态密度与带尾态密度分别降低到1014cm-3eV-1与1017cm-3eV-1以下时,薄膜材料性能明显提高,对电池性能的影响减弱,故而电池性能的增长趋于饱和。
　　 晶粒尺寸影响着薄膜内晶粒间界的密度,因而也会对电池性能产生影响。当晶粒间界的缺陷态密度处于中间量级时,电池的开路电压、填充因子和效率随着晶粒尺寸的减小明显下降。而当晶粒间界处于理想钝化或未钝化条件时,晶粒尺寸对此三项参数的调控作用不再明显。说明晶粒尺寸的影响与晶粒间界缺陷态密度相关。
　　 对非晶硅、微晶硅、多晶硅薄膜三叠层电池进行了模拟,对叠层电池的短路电路匹配问题进行了优化,在不采用特殊光管理措施的情况下,能够获得效率为21.88％的三叠层电池,而若采用效果更好的减反射层以及采用周期性光栅与分布式布拉格反射器(DBR)作为复合背反射层,所需要的多晶硅薄膜底电池的厚度可以减至6.4μm,同时效率提高至24.1％亦是可能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 研究背景及意义

第二节 国内外研究现状

第三节 论文研究目标

第四节 论文组织结构

第二章 AIC多晶硅薄膜的制备及表征方法

第一节 AIC多晶硅薄膜的制备工艺

2.1.1 基于化学溶液源的铝诱导晶化方法

2.1.2 基于物理热蒸发引入诱导源的晶化方法

第二节 AIC多晶硅籽晶层的测试表征方法

2.2.1 光学显微镜

2.2.2 Raman测试

2.2.3 SEM测试

2.2.4 XPS测试

2.2.5 其它测试分析方法

第三章 AIC多晶硅籽晶层制备的研究

第一节 基于化学溶液法的多晶硅籽晶层制备研究

3.1.1 化学源种类的影响

3.1.2 溶液浓度的影响

3.1.3 前驱物的表面状态影响

3.1.4 溶液法铝诱导晶化薄膜的XPS分析

3.1.5 溶液法铝诱导晶化存在的问题和不足

第二节 基于物理蒸发法的多晶硅籽晶层制备研究

3.2.1 退火温度对晶化结果的影响

3.2.2 a-Si/Al层厚度比对晶化的影响

3.2.3 a-Si/Al中间氧化层对品化结果的影响

3.2.4 前驱物晶化率及结构特性对晶化结果的影响

3.2.5 小结

第四章 薄膜电池计算机模拟的理论模型

第一节 薄膜电池模拟计算的光学理论及模型

第二节 薄膜电池模拟计算的电学理论及模型

4.2.1 泊松方程

4.2.2 连续性方程

4.2.3 边界条件

第三节 用于本文模拟计算中的软件简介

4.3.1 Afors-Het软件

4.3.2 Silvaco-TCAD软件

4.3.3 Essential Macleod软件

第五章 多晶硅薄膜材料在硅基薄膜叠层电池应用的初步模拟计算

第一节 单结硅基薄膜电池的模拟

5.1.1 单结非晶硅薄膜电池的模拟计算

5.1.2 单结微晶硅薄膜电池的模拟计算

5.1.3 单结多品硅薄膜电池的模拟计算

第二节 三叠层电池中的电流匹配优化

第三节 结论

第六章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文