電光結(jié)構(gòu)調(diào)制的非晶硅鍺電池與非晶硅-非晶硅鍺-微晶硅三結(jié)疊層太陽電池的研究.pdf

1、硅基三結(jié)疊層電池因其高效率高穩(wěn)定性潛力而成為進(jìn)一步提升硅基薄膜太陽電池性能的重要途徑，而非晶硅鍺薄膜材料(a-SiGe∶H)因其高吸收系數(shù)及可適配的光學(xué)帶隙等光學(xué)特性則成為其中間子電池本征層材料的首選。然其隨鍺摻雜而劣化的材料特性卻限制了非晶硅鍺電池以及三結(jié)疊層電池性能的進(jìn)一步提升，故亟需新技術(shù)以突破瓶頸。本論文采用RF-PECVD技術(shù)，在器件質(zhì)量級非晶硅鍺材料基礎(chǔ)上，針對非晶硅鍺材料應(yīng)用于電池結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)的問題，以獲得寬光譜響應(yīng)、優(yōu)良電

2、學(xué)性能、可適用于三結(jié)疊層中間子電池的高效非晶硅鍺單結(jié)電池為目標(biāo)，從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度對非晶硅鍺電池電學(xué)以及光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究和探索。同時(shí)將其應(yīng)用于非晶硅/非晶硅鍺/微晶硅(a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H)三結(jié)疊層電池中間子電池，以實(shí)現(xiàn)與其它子電池間無損內(nèi)連為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了三結(jié)疊層電池頂/中以及中/底隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)等的調(diào)制。本論文主要研究內(nèi)容及成果包括如下幾方面:
　　第一、針對鍺摻入而導(dǎo)致的非晶硅鍺本征層

3、材料質(zhì)量劣化及電場屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)，并由之而產(chǎn)生的體復(fù)合問題和P/I、I/N界面失配及界面缺陷態(tài)密度增大導(dǎo)致的界面復(fù)合問題，①通過對P/I界面不同非晶硅(a-Si∶H)緩沖層帶隙進(jìn)行研究，結(jié)果表明合適帶隙高質(zhì)量a-Si∶H緩沖層在P/I界面處可有效改善界面失配、降低界面缺陷態(tài)密度以及電場屏蔽效應(yīng)，從而顯著提高其電學(xué)性能。②在界面優(yōu)化基礎(chǔ)上，研究了本征層梯度帶隙結(jié)構(gòu)斜率符號對電池性能的調(diào)制作用。結(jié)果表明:正偏壓下荷電缺陷層不同的充放電過程是不

4、同梯度斜率符號時(shí)填充因子存在差異的原因。采用正斜率梯度結(jié)構(gòu)的非晶硅鍺電池可有效降低電場屏蔽效應(yīng)對空穴輸運(yùn)和收集性能的影響，有效提高填充因子。③通過對高低鍺含量(42％和30％)a-SiGe∶H電池優(yōu)化電學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，首次提出對不同鍺含量非晶硅鍺電池適用的優(yōu)化電學(xué)結(jié)構(gòu)，由此制備的高鍺含量非晶硅鍺電池可實(shí)現(xiàn)與低鍺電池相近的電學(xué)性能，并為選擇不同帶隙高電學(xué)性能中間電池以制備電流匹配和高電學(xué)性能三結(jié)疊層電池提供有力指導(dǎo)。④針對高鍺含量相對于低

5、鍺含量電池更強(qiáng)的電場屏蔽響應(yīng)問題，首次提出了基于線性帶隙梯度的微調(diào)結(jié)構(gòu)。結(jié)果證明通過降低P/I界面附近體區(qū)鍺摻雜可有效促進(jìn)體區(qū)空穴輸運(yùn)，并進(jìn)一步提升高鍺含量非晶硅鍺電池填充因子。⑤首次發(fā)現(xiàn)合適氧含量的n型微晶硅氧可通過降低漏電流的方式來調(diào)制非晶硅鍺電池電學(xué)性能的功能，該方法使得PIN型非晶硅鍺單結(jié)電池填充因子得到有效提升，并由此獲得了高達(dá)70.05％的填充因子，其在已見關(guān)于PIN型非晶硅鍺電池文獻(xiàn)報(bào)道中為最高。
　　第二、在對非晶

6、硅鍺電學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了其光學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)制的研究。①從襯底表面形貌分析、光散射分析、光吸收模擬以及實(shí)驗(yàn)制備等不同方面，對不同腐蝕時(shí)間濺射后腐蝕ZnO∶Al襯底表面尺寸對非晶硅鍺光學(xué)性能的影響研究得出:在不損失電池電學(xué)特性的同時(shí)，可優(yōu)化襯底表面特征尺寸以最大化非晶硅鍺本征層光吸收，1.48eV帶隙非晶硅鍺單結(jié)電池最優(yōu)橫縱向特征尺寸為(168nm，732nm)。②通過研究n-μc-Si∶H/n-μc-SiOx∶H雙n層結(jié)構(gòu)對非晶硅鍺光電

7、性能的影響，首次發(fā)現(xiàn)除其電學(xué)增益作用外，形成的梯度折射率結(jié)構(gòu)可顯著提升非晶硅鍺電池長波響應(yīng)?；诖颂岢龅奶荻日凵渎蕁型硅氧結(jié)構(gòu)相對于恒定折射率結(jié)構(gòu)可在保持電池長波響應(yīng)同時(shí)，一定程度上提高其電學(xué)特性。③在對P型納米硅層以及降低硼含量的窗口層單獨(dú)用于a-SiGe∶H電池的研究基礎(chǔ)上，提出了兩者相結(jié)合的雙P層結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)窗口層通過結(jié)合納米硅P層高透過率和低硼含量窗口層對界面帶隙匹配作用，可在保持電學(xué)特性的同時(shí)，顯著提高非晶硅鍺電池的

8、短波響應(yīng)。④基于電光結(jié)構(gòu)調(diào)制的非晶硅鍺電池優(yōu)化工藝，本論文未采用背反射結(jié)構(gòu)的a-SiGe∶H單結(jié)電池最高效率達(dá)到9.70％(Voc=775.90mV，F(xiàn)F=65.10％，Jsc=19.21mA/cm2)，采用ZnO∶B/Ag/Al背反射結(jié)構(gòu)的a-SiGe∶H單結(jié)電池最高初始效率達(dá)到10.59％(Voc=744.70mV，F(xiàn)F=66.79％，Jsc=21.29mA/cm2)，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先國際先進(jìn)水平。
　　第三、對電光結(jié)構(gòu)調(diào)制的非晶

9、硅鍺電池應(yīng)用于a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H三結(jié)疊層電池時(shí)，與非晶硅頂電池以及微晶硅底電池之間的隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)制等進(jìn)行了研究。①針對無法直接對隧穿復(fù)合結(jié)性能進(jìn)行測量的問題，提出相對于傳統(tǒng)n/p結(jié)或者pin/p診斷方法，可快速準(zhǔn)確診斷頂/中及中/底電池電學(xué)性能的單、雙及三結(jié)電池對比分析法。②研究了n-μc-SiOx∶H插入中/底隧穿復(fù)合結(jié)時(shí)對三結(jié)疊層電池性能的影響，提出了插入n-μc-SiOx∶H層的低電學(xué)性能損失中/底

10、隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)中/底電池低損內(nèi)連以及中間電池短路電流密度提升的雙贏。③在結(jié)構(gòu)良好設(shè)計(jì)的高性能頂、中、底子電池的基礎(chǔ)上，通過采用對比分析法成功尋找到三結(jié)疊層電池性能損失的根源，結(jié)果證明:中間電池采用低激活能p型微晶硅層，可為隧穿復(fù)合結(jié)處光生空穴輸運(yùn)提供輔助以進(jìn)行有效復(fù)合，進(jìn)而提高隧穿復(fù)合結(jié)性能，降低開路電壓損失。由此獲得的a-Si∶H/a-SiGe∶H雙結(jié)疊層電池在總本征層厚度為290nm時(shí)初始效率達(dá)11.63％(

11、Voc=1.75V，F(xiàn)F=67.97％，Jsc=9.77mA/cm2)。④針對單結(jié)及其作為中間子電池所處光譜環(huán)境不同導(dǎo)致開路電壓和填充因子存在差異的問題，首次提出通過改變P/I界面緩沖層厚度降低填充因子以補(bǔ)償開路電壓的方法，其可在填充因子保持的前提下，顯著提高三結(jié)疊層電池的開路電壓，進(jìn)而提高其電池效率。⑤在非晶硅、非晶硅鍺、微晶硅子電池結(jié)構(gòu)，頂/中以及中/底隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)制，并微調(diào)非晶硅鍺中間子電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，獲得最佳初始效率達(dá)15