晶硅太陽電池TiO2陷光薄膜.pdf

1、提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展中不變的主題。太陽能電池陷光薄膜及陷光結(jié)構(gòu)可以有效降低電池表面太陽光的反射率，增加進(jìn)入到電池內(nèi)部的光子數(shù)量，進(jìn)而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)有的陷光結(jié)構(gòu)不能在廣角譜、寬光譜范圍內(nèi)降低電池光學(xué)損失。該問題在薄膜電池、以及第三代太陽能電池中更加突出，為太陽能電池技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。
　　 本文以TiO2單層、雙層及梯度折射率減反膜為研究對(duì)象。研究了薄膜制備工藝、沉積模式、顯微結(jié)構(gòu)及光

2、學(xué)特性之間的相互關(guān)系;提出了TiO2陷光薄膜的相變模型;探索了TiO2薄膜折射率調(diào)控及納米結(jié)構(gòu)化的新方法，并研究了雜質(zhì)光伏效應(yīng)與陷光結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;為高效太陽能電池技術(shù)發(fā)展提供了理論及實(shí)驗(yàn)支撐。
　　 采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了TiO2薄膜，研究了工藝條件對(duì)薄膜沉積模式、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)特性的影響，研究了晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌對(duì)光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明:薄膜中懸空鍵的光吸收作用、晶界散射和薄膜表面的光散射作用為影響薄膜光

3、透過率的主要因素。薄膜結(jié)構(gòu)特性和沉積速率由沉積過程中產(chǎn)生的Ti+、TiO+、TiO2+數(shù)量決定，當(dāng)氧流量小于3mL/min，且濺射功率大于400W時(shí)，Ti+主導(dǎo)沉積過程，沉積模式為金屬模式，獲得的薄膜為Ti金屬色澤;當(dāng)氧流量在3mL/min與5mL/min之間時(shí)，Ti+、TiO+主導(dǎo)沉積過程，薄膜表現(xiàn)為金黃色;當(dāng)氧流量大于7mL/min時(shí)，TiO2+主導(dǎo)沉積過程，薄膜為透明狀態(tài)。
　　 首次制備了銳鈦礦相與金紅石相混合結(jié)構(gòu)的沉積

4、態(tài)TiO2薄膜，并對(duì)TiO2薄膜中存在的相變過程進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):納米柱狀結(jié)構(gòu)對(duì)相變過程有抑制作用，相變后薄膜晶粒尺寸為相變前的二倍。薄膜相變過程分為三個(gè)階段:第一階段，在退火過程中薄膜中的銳鈦礦相晶粒首先生長(zhǎng)，直至彼此相接;第二階段，金紅石相在兩個(gè)銳鈦礦相晶粒的相接處成核;第三階段，金紅石相晶粒向外擴(kuò)張，最后將兩個(gè)銳鈦礦相晶粒轉(zhuǎn)化為一個(gè)金紅石相晶粒。
　　 首次在直流反應(yīng)磁控濺射中采用改進(jìn)的傾斜沉積方法對(duì)TiO2薄膜折射率

5、進(jìn)行調(diào)控研究。結(jié)果表明:當(dāng)沉積角度增加到30°時(shí)，薄膜中的柱狀顆粒開始分離;當(dāng)沉積角度增加到60°時(shí)，薄膜中出現(xiàn)分離的柱狀顆粒，特別是增加到80°時(shí)，薄膜中出現(xiàn)了貫穿薄膜的孔洞。薄膜中的柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角度β與沉積角度α之間有β=tan-1（0.347 taα）關(guān)系，薄膜的折射率n與沉積角度α有n=2.50619-1.1×10-4α2關(guān)系。改進(jìn)的傾斜沉積方法獲得了折射率在1.81～2.53之間可調(diào)的TiO2薄膜。該方法可降低薄膜晶粒尺寸，

6、并減小薄膜柱體結(jié)構(gòu)半徑，兩者分別提高了可見光中長(zhǎng)波段與短波段的透過率。
　　 對(duì)TiO2薄膜的單層、雙層及梯度折射率減反膜的電池輸出特性進(jìn)行了仿真研究。發(fā)現(xiàn)減反膜可有效提高太陽能電池的短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率，雙層減反膜的減反射效果優(yōu)于單層減反膜。TiO2單層減反膜的光伏電池短路電流密度與轉(zhuǎn)換效率分別提高了66％與65％，加權(quán)平均反射率最低達(dá)7.8％。SiO2/ZiO2、TiO2/TiO2雙層減反膜具有更低的反射率，加權(quán)平均反射率

7、可降低至1.5％與4.6％。當(dāng)玻璃封裝的太陽能電池梯度折射率減反膜全部由ZiO2組成，其折射率梯度滿足三次方關(guān)系，加權(quán)平均反射率為1.5％，太陽能電池短路電流密度和開路電壓分別提高了76％和75％;當(dāng)太陽光入射角小于70°時(shí)，全TiO2結(jié)構(gòu)的梯度折射率減反膜在全波段范圍內(nèi)都能起到很好的減反射效果。未封裝的太陽能電池中，全TiO2結(jié)構(gòu)的梯度折射率由于缺少低折射率材料，減反射效果僅與雙層減反膜效果相當(dāng)，采用了SiO2薄膜后，梯度折射率減反膜

8、效果更佳。
　　 研究發(fā)現(xiàn)深能級(jí)雜質(zhì)能有效提高電池對(duì)紅外光波段光子的吸收。隨深能級(jí)雜質(zhì)鉈摻入量的增加，短路電流密度與轉(zhuǎn)換效率先增加后下降，最優(yōu)摻雜濃度為Nt=ND=1017cm-3。深能級(jí)雜質(zhì)在晶硅太陽能電池內(nèi)引入兩個(gè)主要的光激發(fā)過程，一是光子將電子從硅的價(jià)帶激發(fā)到鉈能帶，另一個(gè)是光子將電子從鉈能帶激發(fā)到硅的導(dǎo)帶，這兩個(gè)光激發(fā)過程相互競(jìng)爭(zhēng)共同完成以能量小于硅帶隙的光子將電子從硅價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的過程;它提高了晶硅電池的紅外光波段特