納米硅薄膜太陽(yáng)電池優(yōu)化研究.pdf

1、硅太陽(yáng)電池在迅速發(fā)展的光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其單晶硅太陽(yáng)電池和多晶硅太陽(yáng)電池更被視為了太陽(yáng)電池的主流產(chǎn)品，但由于其價(jià)格昂貴和材料短缺已不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的需求。目前第二代硅薄膜型太陽(yáng)電池逐漸成為硅太陽(yáng)電池應(yīng)用和發(fā)展的主流，然而非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜等太陽(yáng)電池均存在不同程度的光致衰退效應(yīng)，也不可能產(chǎn)生“多重激發(fā)”效應(yīng)，因此在理論和實(shí)踐上都無(wú)法突破太陽(yáng)電池的Shockley Queisser極限(32.8

2、％)效率。隨著納米科學(xué)技術(shù)和納米光電子技術(shù)的興起和發(fā)展，人們已認(rèn)識(shí)到利用納米材料所具有的獨(dú)特性能設(shè)計(jì)和研發(fā)太陽(yáng)電池，是突破“低轉(zhuǎn)換效率、高制造成本、短使用壽命和低穩(wěn)定性”太陽(yáng)電池瓶頸的唯一途徑。迄今為止，納米硅薄膜方面研究雖然已很多，但對(duì)納米硅薄膜沉積機(jī)制、微結(jié)構(gòu)特征、光學(xué)特性、電學(xué)特性和力學(xué)特性仍未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，這一問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了納米硅薄膜材料及其太陽(yáng)電池的進(jìn)一步研發(fā)。
　　 論文從硅薄膜材料入手，主要對(duì)納米硅薄膜太陽(yáng)電池窗口

3、層和光吸收層進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)給等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)施加直流負(fù)偏壓的方法對(duì)納米硅薄膜的制備方法進(jìn)行了改進(jìn)與完善，深入地分析了納米硅薄膜的制備工藝及其沉積機(jī)制；利用原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀研究了納米硅薄膜的表面形貌特征和微結(jié)構(gòu)特征；采用傅立葉變換紅外光譜研究了納米硅薄膜的組態(tài)特征；使用紫外-可見(jiàn)光透射光譜儀、四探針電阻測(cè)試儀和納米壓痕儀分別對(duì)薄膜的光學(xué)特性、電學(xué)特性和力學(xué)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究，獲得的主要研

4、究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面：
　　 首先，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米硅薄膜正常生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)基團(tuán)的成核與結(jié)晶過(guò)程受到硼摻入的影響而導(dǎo)致薄膜中形成大量不完整的細(xì)微硅晶粒。硼烷和硅烷之間的濃度比例由2％增加5％時(shí)，摻硼納米硅薄膜的晶態(tài)比和晶粒平均尺寸分別由40.5％和4.7nm減少到32.0％和2.3nm，說(shuō)明其微結(jié)構(gòu)向非晶態(tài)過(guò)渡。經(jīng)過(guò)退火處理后，晶粒分布有序性增加，表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率和較寬的光學(xué)帶隙特征，因此摻硼納米硅薄膜是替代摻硼非晶硅薄膜作為

5、太陽(yáng)電池窗口層的可選擇性材料。
　　 第二，基于等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備納米硅薄膜的特點(diǎn)，論文分析了襯底溫度、射頻功率、直流負(fù)偏壓和硅烷濃度等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)本征納米硅薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氫原子可飽和薄膜中的部分懸掛鍵而形成Si-H鍵。薄膜的致密程度、鍵畸變程度和懸掛鍵數(shù)目與其晶態(tài)比有關(guān)。提高晶態(tài)比可使一部分帶尾態(tài)和帶隙態(tài)分別轉(zhuǎn)化為擴(kuò)展態(tài)或消失。晶態(tài)比還影響了氫原子溢出的程度和Si-H鍵的數(shù)目而造成光學(xué)帶隙隨

6、晶態(tài)比增大而呈下降趨勢(shì)。
　　 此外，研究還發(fā)現(xiàn)納米硅薄膜中Si-Si鍵受氫原子的影響而造成薄膜的光學(xué)帶隙由間接帶隙向直接帶隙發(fā)生轉(zhuǎn)變，表明薄膜的光學(xué)帶隙與硅氫鍵合模式緊密相關(guān)。氫的摻入將引起薄膜價(jià)帶產(chǎn)生化學(xué)位移導(dǎo)致價(jià)帶移向更低的能量狀態(tài)；氫原子有利于提高非晶硅網(wǎng)絡(luò)中納米結(jié)構(gòu)的有序性，并有效地降低硅薄膜中存在的懸掛鍵缺陷態(tài)密度，從而減少帶隙中非輻射復(fù)合中心。
　　 第三，納米硅薄膜中存在多種形式的硅氫鍵組合模式，這些組合

7、分別對(duì)應(yīng)傅立葉變換透射光譜中不同的振動(dòng)模峰。雙峰高斯擬合僅考慮SiH、SiH2的貢獻(xiàn)，忽略了SiH3鍵合模式，在計(jì)算納米硅薄膜的氫含量、結(jié)構(gòu)因子和化學(xué)鍵合力學(xué)常數(shù)時(shí)存在一定的誤差。論文提出了三峰高斯擬合計(jì)算法，該計(jì)算法可較準(zhǔn)確地得出納米硅薄膜的氫含量、結(jié)構(gòu)因子和化學(xué)鍵合力學(xué)常數(shù)，基于此方法論文分析了薄膜化學(xué)組分上對(duì)納米硅薄膜光學(xué)帶隙的影響，得出薄膜中各種化學(xué)鍵、基團(tuán)結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力等因素的綜合作用是造成薄膜光學(xué)帶隙差異性的原因的結(jié)論。

8、>　　 第四，據(jù)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用等效方法建立了納米硅薄膜的光學(xué)模型，對(duì)薄膜的吸收系數(shù)和光學(xué)帶隙進(jìn)行了計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果存在差異的原因進(jìn)行了分析，并給出了合理解釋。在理論上得出了晶態(tài)比、晶粒平均尺寸與薄膜光學(xué)帶隙的定量變化關(guān)系表達(dá)式。
　　 最后，氫稀釋比是影響納米硅薄膜表面形貌特征和力學(xué)特性的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適當(dāng)控制氫稀釋比，可促進(jìn)薄膜成核率，氫原子在薄膜表面移動(dòng)(刻蝕)硅原子后使