太阳电池用微晶碳化硅薄膜的制备、性质和应用

摘要

太阳能是重要的可再生能源。利用光伏效应将太阳能转变成电能,是目前国际关注的一个重点领域。碳化硅晶体是一种宽禁带半导体材料,具有优良的透光性。因此,将碳化硅晶体材料作为一种理想的窗口层材料用于太阳电池是薄膜太阳电池新材料领域人们关注的一个重点。然而制备碳化硅晶体材料的衬底温度通常在800℃以上。这在很大程度上限制了其在太阳电池上的应用,尤其是硅基薄膜太阳电池是采用的低温(＜400℃)沉积工艺。为此,研究低衬底温度下沉积制备碳化硅晶体材料在科学研究和生产应用上都具有重要意义。
　　 直到最近几年,用热丝化学气相沉积法(Hot-Wire CVD,HWCVD)才首先实现低衬底温度(＜300℃)制备高晶化率微晶碳化硅薄膜材料。然而,相关的材料性能和掺杂机理的研究到目前为止还没有形成系统的认识,而且微晶碳化硅薄膜材料在硅基薄膜太阳电池的应用研究还很少。
　　 本文系统地研究了在低衬底温度(＜350℃)上利用热丝化学气相沉积法制备具有高晶化率的n型和p型微晶碳化硅薄膜材料,及其在微晶硅薄膜太阳电池的应用,得到了以下主要创新结果:
　　 (1)系统地研究了HWCVD的各项沉积参数(如气体浓度、热丝温度(TF)、衬底温度(TS)和沉积压强等)对n型微晶碳化硅薄膜材料结构和性能的影响。实验发现:升高热丝温度(TF=1700-2000℃)、沉积压强(Pdepo=10-75 Pa)或氢气稀释浓度都能够提高微晶碳化硅薄膜材料的晶化率。但是,衬底温度(200-450℃)对微晶碳化硅薄膜的晶化率影响很小。研究还发现:随着晶化率的增加,微晶碳化硅薄膜的光学带宽E04(材料光吸收系数为104 cm-1时所对应的光子能量)从2.2 eV增加到3.2 eV,薄膜的透光性增强;同时,微晶碳化硅薄膜的电导率从10-12 S/cm升高至10-1S/cm。
　　 (2)结合电子透射电镜,首先利用拉曼散射光谱详细地研究分析了微晶碳化硅薄膜的结构和组分。实验表明:微晶碳化硅薄膜中的碳、硅原子比例基本符合化学计量比,且以立方碳化硅晶相为主。当热丝温度高于2000℃时(Ts＜350℃),立方碳化硅晶相随着热丝温度升高将减少,而六角碳化硅晶相或具有类似结构的堆积层错将增加;同时,其光学带宽也随之减小到2.0 eV。当衬底温度高于400℃时(TF=2000℃),除了六角碳化硅晶相或者堆积层错随衬底温度升高而增加之外,还在拉曼散射谱中观测到了金刚石碳和石墨碳组分。相应样品的光学带宽随衬底温度的升高呈减小趋势。研究还表明:沉积压强70-100 Pa、热丝温度1900-2000℃、和衬底温度250-350℃是制备微晶碳化硅窗口层材料的最佳工艺参数。由此获得了光学带宽E04=3.0-3.2 eV和电导率σD=104-10-1S/cm的性能优秀的n型微晶碳化硅薄膜材料。
　　 (3)将n型微晶碳化硅窗口层材料应用于微晶硅薄膜太阳电池制备,研究了电池性能。实验表明:在微晶碳化硅窗口层上使用常规微晶硅薄膜太阳电池的最佳沉积工艺参数并不能直接获得高质量的微晶硅本征吸收层。电子透射电镜的研究发现,在微晶碳化硅窗口层和微晶硅吸收层之间存在非晶硅孵化层,这将阻碍光子载流子的传输和收集,导致较低的电池短路电流密度(＜6 mA/cm2)和填充因子(＜40％);另外,非晶硅孵化层的厚度随着沉积时硅烷浓度的降低而减小。实验还证明:为了抑制非晶硅孵化层对电池性能的影响,可以在微晶碳化硅窗口层上首先沉积一层厚度为20-100 nm的高晶化率本征微晶硅籽晶层,该籽晶层不但能够有效地抑制电池n/i界面处非晶硅孵化层的形成,而且能够有助于调制微晶硅本征吸收层的晶化生长。利用这样的材料和电池结构,基于微晶碳化硅窗口层的太阳电池的短路电流密度和填充因子分别提高到22 mA/em2和70％。
　　 (4)优化了电池中微晶碳化硅窗口层的厚度和电池厚度等参数,得到了电池效率9.6％的太阳电池,是目前国际同类电池中的最高效率。实验发现:随着微晶碳化硅窗口层厚度从约10 nm增加到60 nm,电池的短路电流密度从23 mA/cm2增加到25 mA/cm2。同时,通过光学测试和理论模型推算,可知微晶碳化硅窗口层在微晶硅薄膜太阳电池中还具有减反射效果。利用微晶碳化硅窗口层的高透光性及其减反射效果,微晶硅薄膜太阳电池的短路电流密度随着电池厚度的增加(1-2.5μm)从23 mA/cm2升高至26 mA/cm2,即使仅采用了银(Ag)作为电池背电极。这些电池的转换效率在8.0-8.8％之间。当将具有高反射率的ZnO/Ag作为背电极时,在厚度为2 gm的电池中获得了高短路电流密度jsc=29.6mA/cm2和高电池效率η=9.6％。
　　 (5)实现了低温微晶碳化硅薄膜薄膜材料的p型铝掺杂,为其在非晶硅薄膜太阳电池或多节叠层电池上的应用提供了基础。研究指出:通过调节铝掺杂浓度,n型微晶碳化硅薄膜材料被补偿并最终获得p型材料。研究表明:铝掺杂将影响微晶碳化硅材料的晶化生长;随着铝掺杂浓度的增加,材料晶化率降低的同时立方碳化硅晶相也减少,其光学带宽E04从3.0 eV减小至2.0 eV。实验还优化了多种HWCVD工艺参数(如热丝温度(TF)和沉积压强(Pdepo)等),来提高p型微晶碳化硅薄膜的晶化率和光学带宽。研究发现:随着沉积压强的升高或者热丝温度的升高,p型微晶碳化硅薄膜的晶化率将增加。但同时材料中铝受主的有效掺杂也会被抑制,导致材料电导率的降低。最后,实验在沉积压强Pdepo=100 Pa和热丝温度TF=2000℃时,获得了E04=2.5 eV且σD=0.1 S/cm的性能优秀的p型微晶碳化硅薄膜。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 引言

第2章 文献综述

2.1 碳硅合金的基本材料性能

2.1.1 碳化硅晶体材料(c-SiC)

2.1.2 非晶碳硅合金材料(a-Si1-xCx:H)

2.1.3 微晶碳硅合金材料(μc-Si1-xCx:H)

2.2 热丝化学气相(HWCVD)沉积微晶碳化硅薄膜

2.2.1 热丝表面的气源分解

2.2.2 气相化学反应

2.2.3 衬底上薄膜的沉积和生长

第3章 实验设备和研究方法

3.1 材料和器件沉积设备

3.1.1 p-Chamber系统

3.1.2 Cluster Tool沉积系统

3.2 材料表征方法

3.2.1 薄膜厚度

3.2.2 材料结构表征

3.2.3 材料光吸收系数

3.2.4 材料电导率

3.3 硅基薄膜太阳电池的制备和表征

3.3.1 电流电压(I-V)特性

3.3.2 量子效率

第4章 微晶碳化硅薄膜的材料结构特点研究

4.1 微晶碳化硅薄膜的拉曼研究

4.1.1 晶体碳化硅的拉曼散射谱

4.2.2 微晶碳化硅薄膜拉曼散射谱的分析研究

4.2 微晶碳化硅薄膜材料的晶化率

4.2.1 微晶碳化硅红外Si-C振动峰的特点

4.2.2 红外三峰拟合法分析微晶碳化硅薄膜的晶化率

第5章 HWCVD沉积微晶碳化硅薄膜

5.1 薄膜沉积速率

5.2 微晶碳化硅薄膜的材料结构

5.2.1 热丝温度(TF)的影响

5.2.2 衬底温度(TS)的影响

5.2.3 材料结构随薄膜厚度的演变

5.3 微晶碳化硅薄膜材料的光吸收系数

5.3.1 热丝温度(TF)的影响

5.3.2 衬底温度(TS)的影响

5.3.3 光吸收系数随薄膜厚度的变化

5.4 微晶碳化硅薄膜材料的电导率

5.4.1 热丝和衬底温度(TF和TS)的影响

5.4.2 微晶碳化硅薄膜电导率随薄膜厚度的变化

5.5 讨论和小结

5.5.1 HWCVD工艺中微晶碳化硅薄膜的沉积生长

5.5.2 微晶碳化硅材料结构对其光学和电学性能的影响

第6章 n型微晶碳化硅窗口层在太阳电池的应用

6.1 太阳电池结构的设计和调整

6.2 籽晶层(seed layer)对nip电池性能的影响:设计和制备

6.2.1 籽晶层对电池性能的影响

6.2.2 籽晶层晶化率对电池性能的影响

6.2.3 籽晶层厚度对电池性能的影响

6.2.4 籽晶层对电池吸收层材料结构演变的影响

6.3 优化微晶碳化硅窗口层

6.3.1 不同热丝温度(TF)下制备的微晶碳化硅窗口层

6.3.2 微晶碳化硅窗口层的厚度对电池的影响

6.4 优化电池本征吸收层的厚度

6.5 讨论和小结

6.5.1 微晶硅材料在微晶碳化硅窗口层上的沉积生长

6.5.2 籽晶层对电池性能的影响及其设计

6.5.3 小结

第7章 铝掺杂p型微晶碳化硅薄膜

7.1 薄膜沉积速率

7.2 p型微晶碳化硅薄膜的电导率

7.3 p型微晶碳化硅薄膜的材料结构

7.3.1 铝掺杂浓度(rdoping)的影响

7.3.2 沉积压强(Pdepo)的影响

7.3.3 热丝温度(TF)的影响

7.4 p型微晶碳化硅材料的光吸收系数

7.5 讨论和小结

7.5.1 铝掺杂对材料沉积生长的影响

7.5.2 铝掺杂p型微晶碳化硅材料的结构特点

7.5.3 p型微晶碳化硅薄膜的电学和光学性能

本章的小结

第8章 结论和展望

参考文献

个人简历