HWCVD制备硼掺杂氢化纳米硅及银纳米粒子增强硅薄膜太阳电池光谱响应的研究

摘要

硅薄膜太阳电池主要包括氢化非晶硅(a-Si:H)太阳电池、氢化纳米硅(nc-Si:H)太阳电池以及由它们构成的双结或多结叠层太阳电池。硅薄膜太阳电池具有原材料丰富、耗材少、耗能小、无毒、低成本和易于大面积沉积等特点，是一种非常具有潜力实现大规模产业化的太阳电池。本文对热丝化学气相沉积(HWCVD)制备硼掺杂nc-Si:H及银纳米粒子增强硅薄膜太阳电池光谱响应进行了研究。主要内容如下： ⑴通过广泛调节HWCVD的沉积参数，成功实现了硼掺杂nc-Si:H从接近a-Si:H到高晶化率nc-Si:H的相转变，并综合采用拉曼(Raman)光谱、红外光谱，特别是精密的霍尔(Hall)效应测试以及二次离子质谱(SIMS)等表征手段对样品的微结构、电学性质、硼掺杂浓度以及它们之间的相互关系进行了系统深入的研究。结果表明，最高电导率的硼掺杂nc-Si:H并非是通常认为的具有最高晶化率的样品，而是具有中等晶化率的薄膜。HWCVD同时实现了硼掺杂nc-Si:H的高晶化率、高硼掺杂浓度、高掺杂效率和高载流子浓度，解决了常用PECVD一直存在的困难。最后，HWCVD制备的p型nc-Si:H可以实现比PECVD样品更高的电导率。这些成果展示了HWCVD比常用PECVD在制备高品化率和高电导率硼掺杂nc-Si:H上的优势，对进一步提高硅薄膜太阳电池的转换效率具有重要的指导意义和实用价值。 ⑵采用易于大面积沉积的真空热蒸发方法制备小颗粒银纳米粒子，通过创新性的将其集成在特殊结构的a-Si:H太阳电池中，观察到了纳米粒子对太阳电池在红光和近红外光波段光谱响应的增强。同时，本文还对小颗粒银纳米粒子增强硅薄膜太阳电池光谱响应的增强机理以及影响因素进行了深入讨论。该研究为采用新型的、非常具有吸引力的小颗粒金属纳米粒子增强标准硅薄膜太阳电池的光谱响应奠定了坚实的基础，具有重要的理论和实践指导意义。 ⑶将真空热蒸发制备的大颗粒银纳米粒子和银纳米结构(大颗粒银纳米粒子相互连接)集成在n-i-p结构的nc-Si:H和a-Si:H太阳电池内部，使太阳电池在长波段的光吸收和光谱响应得到了明显增强。研究发现，当纳米粒子和纳米结构直接与太阳电池n层接触时，纳米粒子和纳米结构还存在着表面等离子体共振光吸收损耗，该损耗可以通过覆盖一层比硅薄膜折射率低的介质层在纳米粒子上使共振光吸收损耗蓝移而得到有效抑制。这为我们提高硅薄膜太阳电池的光电流和减少光吸收损耗提供了一种新的思路和方法，具有重要的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词与符号表

声明

第一章绪论

1.1 从氧化非晶硅(a-si:H)到氢化纳米硅(nc-si:H)

1.2 金属纳米粒子局域表面等离子体共振

1.3研究背景

1.4 立题思想、研究内容与意义

参考文献

第二章制备方法与表征手段

2.1 制备方法

2.1.1磁控溅射制备掺铝氧化锌(ZnO：Al)

2.1.2等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备硅薄膜

2.1.3热丝化学气相沉积(HWCVD)制备氢化纳米硅

2.1.4真空热蒸发制备金属电极及银纳米粒子

2.1.5硅薄膜太阳电池的结构及制备方法

2.2表征手段

2.2.1形貌观测

2.2.2微结构及成分分析

2.2.3光学性质

2.2.4电学性质

2.3 本章小结

参考文献

第三章：HWCVD制备硼掺杂氢化纳米硅及其性质研究

3.1 引言

3.2 沉积温度对薄膜微结构和电学性质的影响

3.2.1衬底温度

3.2.2热丝温度

3.3 沉积气压对薄膜微结构和电学性质的影响

3.4 硼掺杂比对薄膜微结构和电学性质的影响

3.4.1重掺

3.4.2轻掺

3.5 氢稀释度对薄膜微结构和电学性质的影响

3.6总结与讨论

3.7 本章小结

参考文献

第四章小颗粒银纳米粒子增强非晶硅太阳电池光谱响应

4.1 引言

4.2 局域表面等离子体共振的光学性质研究

4.2.1增强光吸收

4.2.2表面增强拉曼散射

4.3 增强透明TCO-i-n非晶硅太阳电池光谱响应

4.3.1电池结构

4.3.2光从电极入射

4.3.3光从玻璃入射

4.4 增强TCO-i-n和TCO-i-p非晶硅太阳电池光谱响应

4.4.1电池结构

4.4.2反射光谱

4.4.3量子效率

4.4.4增强光谱响应的光电子发射机理

4.5 本章小结

参考文献

第五章大颗粒银纳米粒子及银纳米结构增强硅薄膜太阳电池光谱响应

5.1 引言

5.2 大颗粒银纳米粒子在n-i-p硅薄膜太阳电池中的应用

5.2.1大颗粒银纳米粒子的光学性质

5.2.2增强氢化纳米硅太阳电池光谱响应

5.2.3增强氢化非晶硅太阳电池光谱响应

5.3 银纳米结构在n-i-p硅薄膜太阳电池中的应用

5.3.1银纳米结构的基本性质

5.3.2增强氢化纳米硅太阳电池光谱响应

5.3.3增强氢化非晶硅太阳电池光谱响应

5.4本章小结

参考文献

第六章总结与展望

致谢

攻读博士学位期间公开发表的学术论文及专利