纳米晶硅/晶硅异质结太阳电池制备及其载流子传输特性研究

摘要

异质结太阳电池技术已经成为高效晶硅太阳电池的重要研发方向。对于以纳米晶硅薄膜为发射层的硅基异质结（SHJ）太阳电池，纳米晶硅发射层的载流子有效传输，晶硅表面高效钝化是电池效率提升的关键。本文采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术低温制备纳米硅氧（nc-SiOx）薄膜及其多层薄膜，通过实验参量对薄膜微观结构及光电特性影响规律分析，研究了适用于电池发射层的纳米晶硅薄膜制备条件；以P掺杂纳米晶硅薄膜作为发射层制备纳米晶硅/晶硅异质结电池，研究了P掺杂对薄膜微观结构和电池光伏性能的影响规律；以本征 a-SiOx:H 为钝化层实现了异质结电池晶硅表面钝化，研究了制约晶硅表面载流子有效引出的衰减机制；以纳米晶硅薄膜为发射层制备了纳米晶硅/晶硅异质结电池，通过增加近硅表面薄膜晶化度实现了电池光伏性能的提升；对电池载流子传输特性进行阻抗谱分析，揭示了通过改善发射层传输提升电池光伏性能的物理机制。　　取得如下重要研究结果：　　1、研究了适用于电池发射层的 nc-SiOx 薄膜制备条件，分析了不同实验参量下薄膜微观结构和能带特性。结果揭示，活性氢的引入和衬底温度增加均可促进纳米硅晶粒生长，合适的衬底温度（200℃-400℃）和氧掺入，使得nc-SiOx薄膜具有较高的中程有序度和较高的致密性，薄膜缺陷复合较小，载流子复合主要为与nc-Si量子限制效应相关的辐射复合。　　2、低温制备了适用于电池发射层的纳米晶硅（nc-SiOx/a-SiOx）薄膜，实现了nc-Si粒度和密度的调控，分析了不同nc-SiOx层厚度和氧掺入比的多层薄膜微观结构、能带特性及载流子复合特性。结果揭示，nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx基质共同影响样品的光学带隙，多层结构发光表现为非晶SiOx网络中缺陷发光和nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光；随nc-SiOx层氧掺入比增加，薄膜从纳米晶硅向非晶硅转化，相变区薄膜具有较高有序度、较低的非辐射复合缺陷中心，薄膜的光学带隙超过1.8 eV，适用于电池发射层制备。　　3、制备了不同P掺杂的纳米晶硅薄膜，研究了P掺杂对纳米晶硅/晶硅异质结电池光伏性能的影响规律。薄膜的微观结构和光学特性分析揭示，P掺杂增加导致薄膜晶化度先增加后减小，合适的P掺杂有利于纳米晶硅薄膜晶化度提升，此时薄膜具有较高的有序性、较低的光学带隙和较强的nc-Si量子限制效应发光。电池光伏性能分析揭示，合适的P掺杂浓度可以对缺陷态进行有效填补，减少载流子的非辐射复合，从而提升载流子的引出效率，薄膜较低的光学带隙导致较低的串联电阻，电池获得较高的Jsc和FF因子，从而获得较高的效率。　　4、制备了适用于SHJ电池的本征a-SiOx:H薄膜，研究了a-SiOx:H层插入对纳米晶硅/晶硅异质结电池界面的钝化作用。薄膜分析结果揭示，氧掺入导致a-SiOx:H薄膜光学带隙增加，而薄膜无序度先减小后增加，合适氧含量（Fo=0.4）的a-SiOx:H薄膜具有较高的光学带隙，较低的缺陷密度。光致发光结果显示，百微秒的衰减主要反映载流子从晶硅向薄膜的传输过程，合适氧含量的a-SiOx:H 薄膜可实现对晶硅表面的有效钝化。电池光伏特性结果显示，a-SiOx:H层插入不仅可以减小异质结界面势垒，其较高的有序性还将导致薄膜欧姆损耗减小和界面复合减小，电池效率显著提升。　　5、通过对晶硅表面附近的nc-SiOx 层进行优化研究了纳米晶硅/晶硅异质结电池载流子传输特性以及器件性能的提升。Raman 和C-V数据表明，随着晶硅表面附近薄膜晶化度的提高，器件的内建电场增强，载流子传输特性提升。光致发光谱、暗态J-V和光照J-V曲线分析表明，随着晶硅表面附近薄膜晶化度增加，提升的载流子引出使晶硅体内载流子复合速率降低，电池的短路电流持续增加，而增强的传输导致结区载流子复合减小，电池的开路电压和FF因子均获提升。　　6、采用外量子效率（EQE）谱和阻抗（IS）谱研究了通过增加载流子传输提升电池光伏性能的物理机制。EQE谱结果表明，随晶硅表面附近薄膜晶化度的提升，电池在300-500 nm和900-1200 nm的光电转换量子效率先减小后增加，而在500-900 nm范围呈现逐渐增加趋势。IS谱结果表明，随晶硅表面附近薄膜晶化度的增加，异质结界面复合电阻先增加后减小，而薄膜欧姆分流损耗逐渐减小，表明薄膜晶化度的提升尽管没能始终改善电池界面复合特性，但是载流子传输增强促进了电池光伏性能的提升。

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