太陽電池材料氫化納米硅薄膜的均勻性和帶隙調(diào)控研究.pdf

1、能源是人類生活的基礎,而傳統(tǒng)的能源面臨著枯竭和環(huán)境污染兩大問題,難以滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要。因此,開發(fā)和利用可再生的清潔能源成為全社會急需解決的大問題。太陽能作為取之不盡、用之不竭且無污染的綠色能源,成為首選目標之一。太陽電池是將太陽光能直接轉換為方便使用的電能的一種器件。相比于第一代晶體硅太陽電池,第二代薄膜太陽電池——尤其是以硅為原料的太陽電池——具有易于大面積生長、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢,因而受到了廣泛的關注,并且占據(jù)了一定全球光

2、伏產(chǎn)業(yè)的市場份額。然而,商業(yè)上的非晶硅薄膜仍存在某些難以克服的缺點,如:能量轉換效率低、電導率低,且易發(fā)生光致衰退現(xiàn)象(即所謂的Staebler-Wronski效應)。納米硅薄膜在解決這些問題方面表現(xiàn)出色。納米硅薄膜是一種由納米量級單晶硅顆粒鑲嵌于多晶硅網(wǎng)絡中而組成的混相材料,目前已對其光學、電學性質進行了大量的研究。由于納米晶粒中光學吸收截面增加和載流子傳導率高,在nc-Si薄膜中發(fā)現(xiàn)了強的光學吸收和高的光電流。目前人們正在不斷進行嘗

3、試,希望能制備出同時具有高轉換效率和高穩(wěn)定性的單結、多結第三代納米硅薄膜太陽電池。在工業(yè)上應用納米硅薄膜的難點之一是實現(xiàn)大面積均勻沉積,這一點對于提高太陽電池的性能極為重要。另一個影響納米硅薄膜太陽電池性能的重要因素是對其光學帶隙的調(diào)控,必須使其帶隙與太陽光譜相匹配,以求更好地利用太陽能量。本文利用空間分辨率為微米量級的顯微拉曼(Raman)面掃描技術和室溫發(fā)光光譜(PL),研究了摻雜濃度對用等離子體增強化學氣相沉積法生長的n型摻磷氫化

4、納米硅(nc-Si:H)薄膜的均勻性及光學帶隙的影響。我們首先通過Raman光譜分析來提取磷摻雜nc-Si:H樣品的均勻性以及晶粒尺寸分布、晶態(tài)比等結構特性隨摻雜濃度變化的信息,并從生長的機制方面對其進行了分析。隨著摻雜濃度CP從0％增加到5%,平均晶粒尺寸d先是逐漸降低,接著隨著摻雜濃度CP超過5%進一步增加,平均晶粒尺寸d又逐漸上升;而從CP=0%變化到CP=20%,平均晶態(tài)比XC從54.9%連續(xù)下降到35.4%。同時,我們能很清楚

5、地看到隨著摻雜濃度的改變,平均晶粒尺寸和體現(xiàn)了標準差的分布線寬都在改變。本征樣品D1的線寬最窄,均勻性最好;而在摻雜樣品中,隨著摻雜濃度的增加,相對偏差(即薄膜不均勻性)先減小后增大。而d和XC的平均值對CP的依賴關系同應力和Γ3的正好分別相反,說明提高摻雜濃度將會降低nc-Si:H薄膜的結構有序度。為了深入了解更多nc-Si:H薄膜的光學帶隙等光學性質,我們還測量了nc-Si:H薄膜的PL光譜,這些PL譜能用晶粒尺寸呈對數(shù)正態(tài)分布情況

6、下、同時考慮了量子限制效應、局域表面態(tài)和晶粒尺寸分布的I-K模型很好地擬合。發(fā)光光譜的結果進一步證實了Raman面掃描所得的樣品均勻性。PL和拉曼分析的高度一致證實I-K模型是揭示納米材料晶粒尺寸分布令人滿意的手段。此外,拉曼面掃描能有效地提取薄膜均勻性方面的信息,而無論從基本物理還是未來應用的角度來考慮,均勻性在太陽電池的評估中都是不可或缺的。此外,我們還從PL峰位隨摻雜濃度改變的角度,討論了對nc-Si:H薄膜的帶隙調(diào)控。這種峰移是

7、由d、σPL/d和C這三個參數(shù)決定的。因此,合理選擇摻雜濃度,能制造出同時具有高度均勻性和合適光學帶隙的樣品。希望本文的研究能對提高nc-Si:H薄膜太陽電池的性能有所幫助。而如何通過改變氣體壓力、氫稀釋比和襯底溫度等相互依賴的生長條件,達到最優(yōu)化nc-Si:H生長的目的,值得我們進一步深入研究。以上研究得到了科技部國家重大科學研究計劃(納米研究計劃)(2010CB933702)、國家自然科學基金重點項目(10734020)和上海市優(yōu)秀