器件質量級微晶硅薄膜及高效微晶硅太陽電池制備的研究.pdf

1、微晶硅薄膜及其太陽電池研究已經(jīng)成為國際光伏領域研究熱點。因為其克服了非晶硅薄膜太陽電池光致不穩(wěn)定和效率低的缺點，而被公認為硅薄膜電池下一代技術。本論文采用VHF-PECVD技術，以制備器件質量級微晶硅材料為目標，系統(tǒng)研究了不同沉積條件下微晶硅薄膜的光電性質及其結構特性。通過對材料結構特性與光電特性間關聯(lián)性的分析，揭示了決定微晶硅薄膜質量受各個沉積參數(shù)影響的關鍵因素，獲得了為制備器件質量級微晶硅材料所對應的各沉積參數(shù)的協(xié)調(diào)規(guī)律。按此規(guī)律進

2、行了材料與電池的對應研究，首次提出高效太陽電池用器件質量級微晶硅材料完整的表征體系，并獲得了器件質量級微晶硅材料。首次綜合闡述了沉積參數(shù)變化與電池性能間關系的趨勢圖，為縮短高效微晶硅電池研制時間提供有益的指導。在此基礎上，通過沉積條件的進一步優(yōu)化，制備出國內(nèi)最高、國際先進、效率達9.2％的pin單結微晶硅太陽電池。用于疊層電池中也初步獲得了10.3％的光電轉換效率。 本論文主要完成了以下幾個方面的研究工作：1、研究了硅烷濃度、反

3、應氣壓、輝光功率和襯底溫度對微晶硅薄膜光電特性和結構特性的影響。結果表明：在實驗研究的范圍內(nèi)，材料的暗電導和光敏性分別隨著硅烷濃度減小、反應氣壓降低、功率增加和襯底溫度升高而增加和減小；而材料晶化率則隨上述沉積參數(shù)的變化而增加。另外，也總結出了以不同沉積參數(shù)，通過相關的協(xié)同調(diào)節(jié)條件均可優(yōu)化出位于非晶/微晶過渡區(qū)內(nèi)的高質量材料，其中硅烷濃度和輝光功率的影響比較顯著。 2、采用拉曼散射光譜研究了微晶硅材料的縱向結構特性，首次在國際上

4、針對電池所用襯底和Corning7059玻璃襯底分別制備微晶硅薄膜的結構特性進行了比較。結果表明：一定的沉積條件下，微晶硅薄膜的生長存在著縱向結構的不均勻性，即隨薄膜厚度的增加，材料的晶化率逐漸增加然后飽和；材料的表面形貌和晶化率強烈地依賴于襯底的類型及其絨度，腐蝕的7059玻璃上制備薄膜的晶化率要高于在13％絨度SnO2襯底上制備薄膜的晶化率，但隨著沉積條件的不同，兩者對材料晶化影響的區(qū)別程度也不相同。 3、研究了氧對微晶硅薄

5、膜的電學特性和結構特性的影響，同時關注了微晶硅薄膜的穩(wěn)定性。通過對有、無氣體純化器條件下，制備材料電學特性和結構特性的比較得出：在氧存在情況下，制備薄膜的暗電導偏大、光敏性偏小、激活能降低，而材料的晶化率卻偏大。通過不同沉積條件下制備薄膜的SIMS測試結果定量的給出：制備材料的晶化率越高，對應材料中的氧含量越多。首次采用FTIR對硅薄膜穩(wěn)定性進行長時間跟蹤的研究結果表明：材料在自然環(huán)境中存在著不穩(wěn)定性，表現(xiàn)在隨時間推移材料中鍵合的氧含量

6、增加。另外，不同襯底溫度薄膜穩(wěn)定性的結果表明：較高襯底溫度制備薄膜的穩(wěn)定性要高于較低襯底溫度制備薄膜的穩(wěn)定性。 4、在不同沉積條件對微晶硅薄膜特性影響研究的基礎上，進行了微晶硅材料和電池之間對應的優(yōu)化研究。 ●通過不同硅烷濃度制備微晶硅太陽電池的結果可得出：①電池效率最高點落于非晶/微晶過渡區(qū)，電池的開路電壓和填充因子隨硅烷濃度的增加而增大，短路電流密度則有最佳的硅烷濃度范圍，電池的效率和短路電流密度有一致的變化規(guī)律。②

7、不同輝光功率和襯底溫度制備電池的結果表明了相類似的規(guī)律，短路電流密度僅在一定的功率和襯底溫度條件下才最大。③保持氣壓，增加氣體流量，所制備電池填充因子明顯地得到提高，因而亦有利于提高電池轉換效率。 通過材料特性和晶化率之間的對應關系，得到的結論是：晶化程度是決定電池特性的關鍵因素之一。 ●通過對制備材料和電池所作的一一對應的研究，總結出器件質量級微晶硅材料應該具有的基本特性：材料暗電導在10-8-10-7s/cm范圍；光

8、敏性在102-103；激活能大于等于0.5eV；材料XRD應在(220)方向有擇優(yōu)取向出現(xiàn)；拉曼測試材料處于非晶/微晶過渡區(qū)(晶化率在40％-70％)；材料次帶吸收系數(shù)：α(0.8eV)＜3cm-1，ESR測試材料中的缺陷態(tài)密度小于1016cm-3；材料中氧含量小于2×1019cm-3。 ●首次提出高效率微晶硅電池對應的微晶硅材料應具有的特性為：材料暗電導在10-8s/cm量級上；光敏性在1000-2000之間；激活能在0.54

9、-055eV之間；材料XRD測試結果給出(220)方向擇優(yōu)取向；拉曼測試電池晶化率在45％-60％之間。建立了沉積參數(shù)演變與電池性能之間關系的趨勢圖，為制備高效微晶硅太陽電池奠定基礎。 5、對微晶硅太陽電池性能與其材料結構特性的關系進行了初步研究，也針對微晶硅太陽電池中存在的非晶孵化層進行了研究。結果表明：電池的開路電壓隨晶化率的提高而逐漸減小，可以粗略的用晶體和非晶體各占的比例來計算微晶硅材料的表觀帶隙，結果表明：電池表觀帶隙

10、和開路電壓呈線性關系；一定沉積條件制備的微晶硅太陽電池在p/i界面存在著非晶孵化層，隨硅烷濃度的減小、功率的增加，對應孵化層的厚度降低。結果指出：要想降低p-i-n電池中非晶孵化層的厚度，降低硅烷濃度和提高輝光功率是有效途徑。 6、電池性能除受有源層材料自身影響外，前電極影響亦不容忽視。首次在國際上針對濺射腐蝕的ZnO前電極和SnO2/ZnO復合膜前電極對微晶硅太陽電池性能影響的進行了比較研究。結果表明：腐蝕的ZnO襯底上制備電