晶体硅材料的机械性能及相关太阳电池工艺的研究

摘要

光伏发电技术是解决能源危机的有效途径之一，而用于光伏发电的太阳电池目前大多数是由晶体硅材料制备的。在硅太阳电池的成本中，硅材料占据很大的比例。由于降低成本的要求，晶硅太阳电池正朝着薄片化趋势发展。但是，随着硅片厚度的减薄，机械性能弱化，破碎率提高，电池片弯曲严重，这将严重影响太阳电池的成品率。因此，研究晶体硅材料的机械性能并采取合适的工艺来减小硅片机械强度的降低是目前国际光伏界关注的热点之一。
　　 本论文立足于晶体硅材料的机械性能，主要研究内容如下：
　　 (1)研究锗掺杂对铸造多晶硅材料的室温断裂强度的影响，并分析了其机理。结果表明锗杂质能够显著提高铸造多晶硅的机械性能，在损伤层完全去除的情况下，掺锗多晶硅的断裂强度比普通多晶硅提高16-21％；在磷扩散后掺锗硅片的断裂强度仍高于普通样品。因此，高强度的掺锗多晶硅在将来薄片太阳电池上具有很好的应用前景。
　　 (2)研究了高温下多晶硅中位错滑移与晶界的相互作用关系，初步探讨了晶界对机械性能的影响行为。结果表明晶界具有阻止位错滑移的作用，位错滑移到晶界时很难穿越晶界壁垒。而晶界本身对材料的杨氏模量和硬度等机械性能参数具有负面影响，晶界处的杨氏模量与硬度均小于晶粒内。
　　 (3)研究了太阳电池工艺中硅材料机械性能的演变，以及采用合理的太阳电池背电极花样来提高其机械性能。结果表明，在太阳电池的制备工艺中，损伤层的去除、绒面制备以及氮化硅减反射层的生长都有利于提高前段工序后的断裂强度，而磷扩散和前后电极与铝背场的印刷与烧结则会对机械性能产生不利影响。背电极花样对太阳电池的断裂强度有明显的影响，通过改进背电极花样能够有效地提高太阳电池的机械性能，降低其破碎率。
　　 总的来说，以上这些研究结果对于新型高强度的掺锗太阳电池的实际应用提供了一定的科学依据，同时进一步加深了我们对于多晶硅中位错与晶界相互作用机制的理解，而且对电池工艺过程中控制电池机械性能提供了必要的技术支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

第二章文献综述

2.1光伏的形成背景、研究历史和前景

2.2晶体硅太阳电池基本工作原理与制备工艺

2.2.1晶体硅太阳电池基本工作原理

2.2.2晶体硅太阳电池的基本工艺

2.3晶体硅太阳电池的发展趋势

2.3.1晶体硅太阳电池向高效率方向发展

2.3.2晶体硅太阳电池向薄片化方向发展

2.4太阳电池薄片化发展带来的挑战

2.5晶体硅材料及太阳电池的机械性能的国内外研究现状

2.5.1杂质原子对硅材料机械性能的影响

2.5.2太阳电池工艺过程对机械性能的影响

2.6本论文的研究目的和内容

第三章实验

3.1实验方案

3.1.1锗掺杂对铸造多晶硅机械性能的影响

3.1.2硅中晶界对位错运动以及机械性能的影响

3.1.3相关太阳电池工艺对机械性能的影响

3.2实验仪器与试剂

3.2.1电子万能试验机

3.2.2维氏显微压痕硬度仪

3.2.3原位纳米力学测试系统

3.2.4其他实验仪器与试剂

第四章锗掺杂对铸造多晶硅机械性能的影响

4.1引言

4.2实验

4.3表面状态对普通与掺锗多晶硅机械性能的影响

4.4锗掺杂对铸造多晶硅机械性能的影响

4.5磷扩散对普通与掺锗多晶硅机械性能的影响

4.6本章小结

第五章硅中晶界对位错运动以及机械性能的影响

5.1引言

5.2实验

5.2.1硅中位错运动及其与晶界的相互作用的研究

5.2.2硅中晶界对机械性能的影响

5.3硅中位错运动及其与晶界的相互作用的研究

5.3.1晶界与位错的相互作用

5.3.2位错与位错间的相互作用

5.3.3加载载荷对位错滑移距离的影响

5.3.4热处理温度对位错滑移距离的影响

5.4硅中晶界对机械性能的影响

5.4.1晶界有无对机械性能的影响

5.4.2晶界与晶粒内机械性能差异的研究

5.5本章小结

第六章相关太阳电池工艺对机械性能的影响

6.1引言

6.2实验

6.2.1各主要工艺对单晶硅太阳电池机械性能的影响

6.2.2背电极花样对单晶硅太阳电池机械性能的影响

6.3各主要工艺对单晶硅太阳电池机械性能的影响

6.4背电极花样对单晶硅太阳电池机械性能的影响

6.4.1载荷-位移曲线

6.4.2背电极花样对机械性能的影响

6.4.3不同背电极花样对机械性能影响的讨论

6.4.4.断口分析

6.5本章小结

第七章结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文