氫化納米硅（na-Si：H）薄膜太陽電池研究.pdf

1、人類社會(huì)的和平、文明進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展是其永恒主題。一次能源面臨枯竭和其使用引起的環(huán)境污染問題難以滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，開發(fā)利用可再生的清潔能源并作為替代能源成為全社會(huì)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(biāo)之一。 太陽電池是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種器件，目前已商業(yè)化的太陽電池是晶體硅(單晶硅和多晶硅)太陽電池和非晶硅薄膜太陽電池等硅系列太陽電池，但晶體硅太陽電池具有原材料

2、消耗大、成本高和能源償還時(shí)間(EPT)長的缺點(diǎn)，而非晶硅薄膜太陽電池雖克服了晶體硅太陽電池的上述缺點(diǎn)，又存在轉(zhuǎn)換效率低和光致衰減(S-W效應(yīng))問題，其他諸多化合物太陽電池則受資源限制并存在對(duì)環(huán)境的友善問題。因此尋找一種轉(zhuǎn)換效率高、低衰減且成本低、資源豐富無污染并適于大面積生產(chǎn)的太陽電池，是光伏科學(xué)界的挑戰(zhàn)，也是太陽能光伏發(fā)電承擔(dān)從補(bǔ)充能源到替代能源轉(zhuǎn)換的歷史任務(wù)必須優(yōu)先解決的問題。 氫化納米硅薄膜(na-Si：H)是由納米級(jí)硅晶

3、粒和晶粒間界的非晶硅(a-Si：H)組成的兩相混合體系。納米尺度效應(yīng)使其具有優(yōu)異的光電特性和光敏性，高光吸收系數(shù)；高電導(dǎo)率，光電導(dǎo)在光照下的衰減小。特別是量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致na-Si：H的光學(xué)帶隙與其平均晶粒尺寸及晶態(tài)比具有一定的變化規(guī)律。利用na-Si：H的上述特點(diǎn)，根據(jù)太陽電池能帶工程理論，可按太陽電池各功能層對(duì)光電參數(shù)的需要，設(shè)計(jì)并制作納米硅薄膜太陽電池。 本論文用量子隧穿模型理論(HQD)研究了納米硅薄膜的電學(xué)特性；用AM

4、PS1D軟件模擬計(jì)算了漸變光學(xué)帶隙的na-Si：H薄膜p-i-n太陽電池的理論效率可達(dá)22.13﹪；采用射頻濺射(RFS)法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備了氫化納米硅薄膜，并通過原子力顯微鏡(AFM)、高清晰度電鏡(HREM)、X射線衍射(XRD)、拉曼(Raman)光譜、紅外光譜(IR)以及吸收透射譜等方法進(jìn)行表征、測試和研究了na-Si：H的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)特性，并根據(jù)納米尺度效應(yīng)機(jī)理，運(yùn)用量子尺寸效應(yīng)引起的帶隙展

5、寬效應(yīng)理論，分析了實(shí)驗(yàn)中獲得的na-Si：H顆粒尺度和晶態(tài)比與其光學(xué)帶隙的關(guān)系規(guī)律；采用能帶工程原理，首次設(shè)計(jì)出漸變光學(xué)帶隙的氫化納米硅薄膜p-i-n太陽電池并建立該型太陽電池能帶模型。首次采用na-Si：H，運(yùn)用PECVD方法成功制備了漸變光學(xué)帶隙氫化納米硅薄膜p-i-n太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.43﹪(有效面積：75.4mm2)和9.82﹪(有效面積：121.2mm2)(標(biāo)準(zhǔn)測試條件STC：AM1.5，1000W/m2，25℃)

6、；同時(shí)還制備了氫化納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)13.80﹪和13.50﹪(外形面積：800mm2，標(biāo)準(zhǔn)測試條件STC：AM1.5，1000W/m2，25℃)，該指標(biāo)達(dá)到了同類太陽電池的國際先進(jìn)和國內(nèi)領(lǐng)先水平。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證明了納米硅薄膜太陽電池具有高效率、低成本和可大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，對(duì)na-Si：H薄膜太陽電池的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)有重要意義。 本論文共七章，第一章和第二章為概述，分析了人類社會(huì)面臨的能源和環(huán)境形

7、勢(shì)，介紹了國內(nèi)外太陽電池和納米硅薄膜的科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及水平，論述了氫化納米硅薄膜的結(jié)構(gòu)、制備方法及光電性質(zhì)，分析了納米硅薄膜的導(dǎo)電機(jī)制和I-V特性，給出了修正的納米硅薄膜能帶模型，簡介了納米硅薄膜的射頻濺射和PECVD制備方法，分析了在室溫條件下理論計(jì)算與實(shí)際測量結(jié)果之間存在差別的原因及存在問題，導(dǎo)入納米硅薄膜太陽電池的優(yōu)勢(shì)。 第三章主要運(yùn)用能帶工程原理和na-Si：H顆粒尺度和晶態(tài)比與其光學(xué)帶隙的關(guān)系規(guī)律，論述了na-Si：

8、H可以根據(jù)太陽電池的各功能層的需要，調(diào)制光學(xué)帶隙和設(shè)計(jì)其他光電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了漸變帶隙na-Si：Hpin太陽電池的結(jié)構(gòu)和能帶設(shè)計(jì)。并通過采用依據(jù)有限元法和Newton-Raphson算法解基于連續(xù)性原理的載流子連續(xù)性方程和Poisson方程的AMPS1D軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬，比較了漸變帶隙納米硅薄膜太陽電池與常規(guī)納米硅薄膜太陽電池的模擬結(jié)果，優(yōu)化了i層厚度，表明漸變帶隙的na-Si：H薄膜太陽電池具有更高轉(zhuǎn)換效率和光譜響應(yīng)，獲得了漸變帶隙的

9、na-Si：H薄膜太陽電池的理論效率，這為漸變帶隙薄膜太陽電池的制備提供了理論依據(jù)。 第四章測試分析了氫化納米硅薄膜樣品的結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性等。利用原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射(XRD)、拉曼(Raman)光譜、紅外光譜(IR)、橢圓偏振儀(SE)、掃描電鏡(SEM)等測試手段，對(duì)用射頻濺射法制備的氫化納米硅薄膜樣品進(jìn)行了表征測試分析研究。結(jié)果表明，兩種方法制備的納米硅薄膜內(nèi)顆粒尺寸都與薄膜生長過程中的氫氣分壓有

10、密切關(guān)系。 第五章介紹了PECVD方法制備納米硅薄膜的原理和納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)及工作原理，并采用高清晰透射電鏡(HRTEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼(Raman)光譜、霍爾(Hall)測試等測試手段，對(duì)該方法制備的納米硅薄膜進(jìn)行了表征。通過工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化，采用PECVD技術(shù)成功制備了納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，該類太陽電池的I-V特性、溫度特性和光照衰減特性進(jìn)一步證明該類太陽電池的優(yōu)異的性能，是一個(gè)具有突破

11、性的成果。 第六章介紹了首次設(shè)計(jì)出漸變光學(xué)帶隙氫化納米硅薄膜p-i-n太陽電池并建立該型太陽電池能帶模型，論述了該類太陽電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，并在實(shí)驗(yàn)上首次采用na-Si：H，運(yùn)用PECVD方法成功制備了漸變光學(xué)帶隙太陽電池；光譜響應(yīng)測試證明該類太陽電池比同類型非晶硅疊層太陽電池吸收了更大范圍太陽光，而且光照穩(wěn)定性好，具有可大規(guī)模生產(chǎn)和高效率、低衰減的特點(diǎn)，對(duì)太陽電池的規(guī)?；a(chǎn)有重要意義。 第七章從理論和試驗(yàn)兩方面對(duì)本