太陽電池用微晶碳化硅薄膜的制備、性質(zhì)和應(yīng)用.pdf

1、太陽能是重要的可再生能源。利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)變成電能,是目前國際關(guān)注的一個重點領(lǐng)域。碳化硅晶體是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的透光性。因此,將碳化硅晶體材料作為一種理想的窗口層材料用于太陽電池是薄膜太陽電池新材料領(lǐng)域人們關(guān)注的一個重點。然而制備碳化硅晶體材料的襯底溫度通常在800℃以上。這在很大程度上限制了其在太陽電池上的應(yīng)用,尤其是硅基薄膜太陽電池是采用的低溫(＜400℃)沉積工藝。為此,研究低襯底溫度下沉積制備碳化硅晶體材料在

2、科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用上都具有重要意義。
　　 直到最近幾年,用熱絲化學(xué)氣相沉積法(Hot-Wire CVD,HWCVD)才首先實現(xiàn)低襯底溫度(＜300℃)制備高晶化率微晶碳化硅薄膜材料。然而,相關(guān)的材料性能和摻雜機理的研究到目前為止還沒有形成系統(tǒng)的認(rèn)識,而且微晶碳化硅薄膜材料在硅基薄膜太陽電池的應(yīng)用研究還很少。
　　 本文系統(tǒng)地研究了在低襯底溫度(＜350℃)上利用熱絲化學(xué)氣相沉積法制備具有高晶化率的n型和p型微晶碳化硅薄

3、膜材料,及其在微晶硅薄膜太陽電池的應(yīng)用,得到了以下主要創(chuàng)新結(jié)果:
　　 (1)系統(tǒng)地研究了HWCVD的各項沉積參數(shù)(如氣體濃度、熱絲溫度(TF)、襯底溫度(TS)和沉積壓強等)對n型微晶碳化硅薄膜材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn):升高熱絲溫度(TF=1700-2000℃)、沉積壓強(Pdepo=10-75 Pa)或氫氣稀釋濃度都能夠提高微晶碳化硅薄膜材料的晶化率。但是,襯底溫度(200-450℃)對微晶碳化硅薄膜的晶化率影響很小。

4、研究還發(fā)現(xiàn):隨著晶化率的增加,微晶碳化硅薄膜的光學(xué)帶寬E04(材料光吸收系數(shù)為104 cm-1時所對應(yīng)的光子能量)從2.2 eV增加到3.2 eV,薄膜的透光性增強;同時,微晶碳化硅薄膜的電導(dǎo)率從10-12 S/cm升高至10-1S/cm。
　　 (2)結(jié)合電子透射電鏡,首先利用拉曼散射光譜詳細地研究分析了微晶碳化硅薄膜的結(jié)構(gòu)和組分。實驗表明:微晶碳化硅薄膜中的碳、硅原子比例基本符合化學(xué)計量比,且以立方碳化硅晶相為主。當(dāng)熱絲溫度

5、高于2000℃時(Ts＜350℃),立方碳化硅晶相隨著熱絲溫度升高將減少,而六角碳化硅晶相或具有類似結(jié)構(gòu)的堆積層錯將增加;同時,其光學(xué)帶寬也隨之減小到2.0 eV。當(dāng)襯底溫度高于400℃時(TF=2000℃),除了六角碳化硅晶相或者堆積層錯隨襯底溫度升高而增加之外,還在拉曼散射譜中觀測到了金剛石碳和石墨碳組分。相應(yīng)樣品的光學(xué)帶寬隨襯底溫度的升高呈減小趨勢。研究還表明:沉積壓強70-100 Pa、熱絲溫度1900-2000℃、和襯底溫度2

6、50-350℃是制備微晶碳化硅窗口層材料的最佳工藝參數(shù)。由此獲得了光學(xué)帶寬E04=3.0-3.2 eV和電導(dǎo)率σD=104-10-1S/cm的性能優(yōu)秀的n型微晶碳化硅薄膜材料。
　　 (3)將n型微晶碳化硅窗口層材料應(yīng)用于微晶硅薄膜太陽電池制備,研究了電池性能。實驗表明:在微晶碳化硅窗口層上使用常規(guī)微晶硅薄膜太陽電池的最佳沉積工藝參數(shù)并不能直接獲得高質(zhì)量的微晶硅本征吸收層。電子透射電鏡的研究發(fā)現(xiàn),在微晶碳化硅窗口層和微晶硅吸收層

7、之間存在非晶硅孵化層,這將阻礙光子載流子的傳輸和收集,導(dǎo)致較低的電池短路電流密度(＜6 mA/cm2)和填充因子(＜40％);另外,非晶硅孵化層的厚度隨著沉積時硅烷濃度的降低而減小。實驗還證明:為了抑制非晶硅孵化層對電池性能的影響,可以在微晶碳化硅窗口層上首先沉積一層厚度為20-100 nm的高晶化率本征微晶硅籽晶層,該籽晶層不但能夠有效地抑制電池n/i界面處非晶硅孵化層的形成,而且能夠有助于調(diào)制微晶硅本征吸收層的晶化生長。利用這樣的材

8、料和電池結(jié)構(gòu),基于微晶碳化硅窗口層的太陽電池的短路電流密度和填充因子分別提高到22 mA/em2和70％。
　　 (4)優(yōu)化了電池中微晶碳化硅窗口層的厚度和電池厚度等參數(shù),得到了電池效率9.6％的太陽電池,是目前國際同類電池中的最高效率。實驗發(fā)現(xiàn):隨著微晶碳化硅窗口層厚度從約10 nm增加到60 nm,電池的短路電流密度從23 mA/cm2增加到25 mA/cm2。同時,通過光學(xué)測試和理論模型推算,可知微晶碳化硅窗口層在微晶硅薄

9、膜太陽電池中還具有減反射效果。利用微晶碳化硅窗口層的高透光性及其減反射效果,微晶硅薄膜太陽電池的短路電流密度隨著電池厚度的增加(1-2.5μm)從23 mA/cm2升高至26 mA/cm2,即使僅采用了銀(Ag)作為電池背電極。這些電池的轉(zhuǎn)換效率在8.0-8.8％之間。當(dāng)將具有高反射率的ZnO/Ag作為背電極時,在厚度為2 gm的電池中獲得了高短路電流密度jsc=29.6mA/cm2和高電池效率η=9.6％。
　　 (5)實現(xiàn)了

10、低溫微晶碳化硅薄膜薄膜材料的p型鋁摻雜,為其在非晶硅薄膜太陽電池或多節(jié)疊層電池上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。研究指出:通過調(diào)節(jié)鋁摻雜濃度,n型微晶碳化硅薄膜材料被補償并最終獲得p型材料。研究表明:鋁摻雜將影響微晶碳化硅材料的晶化生長;隨著鋁摻雜濃度的增加,材料晶化率降低的同時立方碳化硅晶相也減少,其光學(xué)帶寬E04從3.0 eV減小至2.0 eV。實驗還優(yōu)化了多種HWCVD工藝參數(shù)(如熱絲溫度(TF)和沉積壓強(Pdepo)等),來提高p型微晶碳化