基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验与仿真研究

摘要

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比，具有工艺简单、成本低、能耗少等优点。但是，由于非晶硅薄膜材料自身的缺陷及光致衰减效应的存在，电池的转换效率较低、性能稳定性较差，阻碍了非晶硅薄膜太阳电池的应用。影响非晶硅薄膜太阳能电池性能的因素主要有两个方面：一是各层薄膜材料自身的特性；二是薄膜太阳能电池结构的设计。本文基于非晶硅薄膜太阳能电池开展基础实验研究，包括透明电极TCO表面处理、窗口层a-SiC:H薄膜材料结构和性能研究以及TCO/p电接触特性研究。在此基础上，采用半导体器件仿真软件AMPS-1D对电池性能进行仿真计算，优化电池的各层材料和器件结构。
　　本研究主要内容包括：⑴盐酸对AZO表面处理能得到良好的绒面结构，腐蚀时间为20s时，绒面效果最好。用浓硫酸对ITO表面进行处理，发现粗糙度随着腐蚀时间的延长，先大后小，说明ITO表面污染物和Sn氧化物被渐渐处理掉，表面变得平滑，这样可以提高其功函数，从而提高电池性能。⑵随着混合气体中CH4流量比例的增加，a-SiC:H薄膜的沉积速率随之降低。FTIR测试发现，CH4比例增加使得薄膜中C-C和Si-C键数目和强度得到提高；UV-vis测试可知，CH4流量比例增加使a-SiC:H薄膜的光学带隙得到升高。⑶稀盐酸对AZO绒面处理时间存在最优值20s，此时AZO/a-SiC:H电接触特性最佳。当浓硫酸对ITO表面处理时间为10s或15s时，均获得了良好的欧姆接触。FTO/a-SiC:H能获得良好的欧姆接触，其接触电阻小于表面未经处理的AZO/a-SiC:H。p型a-SiC:H薄膜沉积过程中CH4/CH4+SiH4流量比R对TCO/a-SiC:H电接触特性有较明显的影响，R较小时有更好的电接触特性。⑷仿真结果表明，ITO功函数的提高能有效提高非晶硅电池性能。当p层厚度选择为10nm、光学带隙在2eV～2.2eV之间变化、掺杂浓度（等效为浅受主浓度）略大于1×1020/cm3时，电池性能最好。i层厚度及其缺陷态密度对非晶硅电池性能起关键作用，其最佳厚度取值为600nm左右，此时缺陷态较少，而薄膜电池的性能较佳。

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第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 太阳能电池的发展概况

1.3 非晶硅薄膜材料及其光伏应用

1.4 研究目标、研究内容及技术路线

第二章 非晶硅薄膜太阳能电池的物理和材料基础

2.1 p-n结理论

2.2 透明导电氧化物（TCO）薄膜概述

2.3 一维光电子结构分析模型（AMPS-1D）的理论基础

第三章 试样制备与性能测试

3.1 试样制备

3.2 表征与测试方法

第四章 基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验研究

4.1 透明导电薄膜（TCO）表面处理的研究

4.2 a-SiC:H薄膜研究

4.3 TCO/p接触特性研究

4.4 本章小结

第五章 非晶硅薄膜太阳能电池的仿真研究

5.1 ITO功函数对电池性能的影响

5.2 窗口层（p层）的优化

5.3 吸收层（i层）的优化

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作不足

6.3 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果