超薄高速非晶硅-微晶硅雙結(jié)疊層太陽電池的制備與研究.pdf

1、界面緩沖層，可將Voc由0.90V提高到0.99V。然后，為了進(jìn)一步提高Voc，提出了Ag-NPs作為AZO/p高功函數(shù)界面以降低接觸勢(shì)壘的方法，使空穴輸運(yùn)能力得到提高。AZO/p界面空穴輸運(yùn)能力的提高會(huì)降低空穴復(fù)合幾率，從而增強(qiáng)內(nèi)建電勢(shì)Vb1,提高Voc。當(dāng)采用直徑為10nm的Ag-NPs作為高功函數(shù)界面時(shí)，可使AZO的平均透過率高于85％，同時(shí)因其對(duì)短波段光的共振吸收較小，最終使電池在400nm短波處響應(yīng)保持在60％。Ag-NPs的

2、引入可使AZO與p型摻雜層接觸的功函數(shù)提高0.53eV，最終使Voc提高到1.01V，電池效率達(dá)到8.0％。在Ag-NPs參與等離子體激元誘導(dǎo)的熱電子轉(zhuǎn)移(PHET)行為的研究中發(fā)現(xiàn):Ag-NPs可拓展a-Si∶H的吸收限，使其在波長(zhǎng)＞800nm的截止區(qū)也有光譜響應(yīng)，且等離子體激元的熱電子密度與Ag-NPs的尺寸和密度均相關(guān)。通過引入480nm偏光可以飽和帶內(nèi)缺陷能級(jí)，從而提高熱電子的轉(zhuǎn)移效率。當(dāng)沉積厚度為1.5nm-3nm(沉積時(shí)間為

3、10s-20s)的Ag-NPs在吸收層中間位置時(shí)，480nm偏光對(duì)PHET輔助效果最優(yōu)。
　　最后，對(duì)高速沉積的微晶硅單結(jié)電池和超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結(jié)疊層電池進(jìn)行了研究。(1)為了進(jìn)一步降低SiH4的使用量和設(shè)備成本，采用單腔室PECVD沉積技術(shù)，在低硅烷流量(～6sccm)和濃度下，采用Ar等離子體輔助方法制備微晶硅本征層。Ar的引入可顯著提高SiH3等前驅(qū)物的有效濃度，進(jìn)而提高沉積速率。Ar的引入會(huì)降低Hα*

4、/SiH*強(qiáng)度比，從而降低薄膜晶化率;但當(dāng)Ar分?jǐn)?shù)far較高時(shí)，Ar等離子體的物理刻蝕作用開始明顯，使得薄膜晶化率提升。由于Ar等離子體對(duì)薄膜物理轟擊會(huì)產(chǎn)生大量的懸掛鍵，使得(111)面的晶粒開始增多，而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)Ar氣分?jǐn)?shù)far較高時(shí)并不利于電池的制備。為了降低高速沉積微晶硅過程中孵化層厚度，采用高晶化率籽晶層以及本征層硅烷濃度梯度來對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)降低起始層的功率以減少籽晶層與起始層之間的界面缺陷。(2)在超薄疊層電池的設(shè)計(jì)

5、中，選擇了頂電池電流限制的方案，所以采用RMS更高的AZO作為襯底;同時(shí)采用Ag-NPs作為n-SiOx∶H/p-SiOx∶H隧穿結(jié)之間的復(fù)合層來提高隧穿結(jié)復(fù)合效率以降低串聯(lián)電阻。頂、底電池吸收層厚度分別確定為150nm和1200nm，疊層電池總厚度為1460nm。采用Ar等離子輔助法制備微晶硅底電池(沉積速率為1.32nm/s)，所得到的超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結(jié)疊層電池的Voc=1.472V，Jsc=10.15mA/c

6、m2，F(xiàn)F=67.72％，Eff=10.12％;采用基于高壓高功率+硅烷耗盡法(hphP+HPD)制備微晶硅底電池(沉積速率為1.06nm/s)，所得到的超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結(jié)疊層電池的
　　高速率沉積超薄吸收層厚度（簡(jiǎn)稱“超薄高速”）的非晶硅/微晶硅(a-Si∶H/μc-Si∶H)雙結(jié)疊層太陽電池具有明顯的優(yōu)勢(shì):首先，吸收層厚度減薄后，不但縮短了制備時(shí)間，而且減少了原材料消耗，從而降低了生產(chǎn)成本;其次，吸收層厚

7、度的減少導(dǎo)致電池內(nèi)建電場(chǎng)的增強(qiáng)，從而有利于提高電池穩(wěn)定性，這對(duì)于非晶硅頂電池更為關(guān)鍵。然而，在制備超薄高速電池的過程中會(huì)存在以下問題:(1)在疊層電池中需要對(duì)界面進(jìn)行優(yōu)化，尤其是項(xiàng)電池的界面特性對(duì)疊層電池的Voc和FF會(huì)有較大的影響;(2)由于頂、底電池均采用了超薄吸收層，會(huì)存在頂、底電池電流不匹配的問題;(3)采用超薄高速微晶硅作為底電池的吸收層材料，會(huì)造成吸收層縱向結(jié)構(gòu)均勻性較差，影響底電池的性能。針對(duì)這些問題，本論文進(jìn)行了如下三個(gè)

8、方面的研究:
　　首先，對(duì)基于FTO襯底的超薄非晶硅頂電池進(jìn)行了研究，主要包括:(1)采用p-a-SiC∶H/p-nc-SiC∶H雙窗口層以及i-a-SiC∶H作為p/i界面緩沖層，以提高電池的Voc、Jsc和FF。其中，p-nc-SiC∶H不僅提高了電池的內(nèi)建電勢(shì)，還可在沉積過程中對(duì)p-a-SiC∶H進(jìn)行氫處理，提高p-a-SiC∶H材料的質(zhì)量。(2)采用n型硅氧材料作為非晶硅電池的背反射層，可有效提高電池的長(zhǎng)波響應(yīng)，進(jìn)而提高J

9、sc。長(zhǎng)波段吸收增強(qiáng)原因:一是折射率梯度造成的反射增強(qiáng)，二是在低折射率的硅氧材料介質(zhì)中，Al背反等離子共振吸收峰的藍(lán)移會(huì)降低Al背反對(duì)長(zhǎng)波段的共振吸收，使更多的長(zhǎng)波段光釋放出來被電池吸收。(3)為進(jìn)一步提高非晶硅頂電池的Voc和FF，采用CO2等離子體(COP)處理FTO方法，對(duì)FTO表面進(jìn)行襯底修飾。COP處理FTO過程中由于CO基團(tuán)的奪氧摻雜效應(yīng)與O基團(tuán)的反摻雜效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，使得FTO表面費(fèi)米能級(jí)在下移的過程中還伴隨著表面吸附氧的變化

10、。FTO表面費(fèi)米能級(jí)下移使得功函數(shù)升高，經(jīng)過COP處理后，F(xiàn)TO表面功函數(shù)提高了0.18eV，從而降低了p型摻雜層勢(shì)壘高度，提高了空穴輸運(yùn)能力，最終提高了Voc和FF。表面吸附氧濃度的變化改變了FTO表面自由能，影響后期p型摻雜層的沉積質(zhì)量，對(duì)電池的Voc影響較大。最終，在本征吸收層厚度為200nm情況下，電池的Voc達(dá)到0.99V，轉(zhuǎn)換效率為8.16％。
　　其次，對(duì)基于AZO襯底的超薄非晶硅頂電池，首先采用i-a-SiC∶H作