單結(jié)氫化納米硅薄膜太陽電池的研究.pdf

1、能源是國民經(jīng)濟(jì)的基本動力。在嚴(yán)峻的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化的壓力下，世界各國都把開發(fā)利用可持續(xù)的清潔能源作為未來的能源發(fā)展戰(zhàn)略。在當(dāng)前迅速發(fā)展的綠色能源中，太陽能以其資源豐富、沒有地域界限、清潔等獨(dú)特優(yōu)勢而占有重要的地位。
　　 影響太陽能光伏器件大規(guī)模應(yīng)用的最主要因素，一是成本問題，二是轉(zhuǎn)換效率問題。新結(jié)構(gòu)材料氫化納米硅薄膜由于具有卓越的光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)特性，備受科研界關(guān)注—?dú)浠{米硅(nc-Si:H)由各占薄膜體積百分比約50

2、％的細(xì)微硅晶粒(晶粒大小2～10nm)和無序晶界界面組成，界面區(qū)厚度約為2～4個(gè)原子層，也有研究小組稱這種新穎材料為非晶納米結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既有非晶硅薄膜寬光學(xué)帶隙，又具有單晶硅的高電導(dǎo)和光穩(wěn)定性的優(yōu)勢。人們利用這些特性已成功開發(fā)了如發(fā)光二極管、隧道二極管等光電器件。本論文旨在利用氫化納米硅的特殊性質(zhì)制備薄膜太陽電池。
　　 本論文首先通過改變工藝條件進(jìn)行分組式氫化納米硅薄膜的生長，并對其進(jìn)行表征以及光電性能測試。在此基礎(chǔ)上，研究

3、制備工藝參數(shù)對薄膜微結(jié)構(gòu)和對薄膜光電性能的影響。最后對單結(jié)氫化納米硅薄膜太陽電池性能進(jìn)行了模擬分析。
　　 對于本征氫化納米硅薄膜：
　　 1)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著硅烷流量的增加，納米硅薄膜內(nèi)的晶態(tài)含量Xc逐漸減少，而晶粒尺寸卻呈現(xiàn)增大趨勢；然而當(dāng)僅增加變直流偏壓時(shí)，對晶粒尺寸的影響甚微，而晶態(tài)含量卻從36％直線增加到51.4％。結(jié)合晶粒生長動力論，我們可以認(rèn)為：直流偏壓提供了晶粒成核的動力。
　　 2)生長溫度的

4、高低直接影響薄膜的晶態(tài)比和晶粒大小。本文通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著薄膜襯底溫度的增加，nc-Si:H薄膜中晶粒尺寸以及晶態(tài)含量都呈現(xiàn)上升趨勢；沉積時(shí)間也會對薄膜微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著沉積時(shí)間的延長，氫化納米硅薄膜中晶態(tài)成分呈現(xiàn)微小的上升趨勢，同時(shí)也有利于薄膜進(jìn)行規(guī)律性生長。
　　 3)射頻功率作為另一激勵(lì)源，控制著反應(yīng)腔室內(nèi)反應(yīng)離子動能的大小，射頻功率越大腔室內(nèi)的反應(yīng)離子運(yùn)動越是劇烈，薄膜的拉曼光譜出現(xiàn)藍(lán)移，即出現(xiàn)結(jié)晶增多現(xiàn)象。
　

5、　 4)隨著硅烷濃度的增加，薄膜由于非晶化成分增加，光學(xué)禁帶寬度(Eg)增加，然而直流偏壓的增加使得Eg從2.2eV下降到1.6eV。對薄膜樣品的拉曼譜進(jìn)行擬合與分析，選擇薄膜內(nèi)部晶粒尺寸變化甚微，僅內(nèi)部晶態(tài)含量XC變化的樣品，分析發(fā)現(xiàn)：隨著XC的增加，禁帶寬度呈下降趨勢，從而真正實(shí)現(xiàn)了對光學(xué)禁帶寬度的間接可控。
　　 P型(摻雜硼元素)氫化納米硅薄膜作為太陽電池的窗口層，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在僅改變硼烷含量的情況下：當(dāng)硼烷流量增多

6、時(shí)，由于硼烷對薄膜生長的毒化作用，晶態(tài)含量逐漸減少，呈線性變化；而對于晶粒尺寸以及禁帶寬度，都出現(xiàn)異于本征薄膜的變化趨勢；而當(dāng)只改變直流偏壓時(shí)，晶態(tài)含量隨著直流偏壓的增加，相應(yīng)地由39.7％增加到51.6％。呈單調(diào)增加的趨勢與本征氫化納米硅薄膜的變化相符一致?？梢?，無論是在摻雜或是本征生長的情況下，直流偏壓都是晶粒生長的動力。然而對于硼烷流量的控制，由于硼烷這種非碳氮族元素的加入，發(fā)生復(fù)雜的結(jié)鍵、晶粒生長；尤其隨著硼烷含量的變化，薄膜的

7、生長愈加復(fù)雜化，所以對摻硼氫化納米硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。
　　 另外，在結(jié)合光伏器件對Ⅰ層本征氫化納米硅薄膜光電性能的要求基礎(chǔ)上，利用賓夕法尼亞州州立大學(xué)的太陽能電池模擬軟件AMPS(Analysis ofMicroelectronic and Photonic Structures)，改變Ⅰ層薄膜的厚度和光學(xué)禁帶寬度等情況下，研究各納米硅薄膜性能改變時(shí)對太陽電池的輸出性能：開路電壓、短路電流、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率