晶體硅太陽電池中硼氧復合體的基礎性質及其抑制途徑研究.pdf

1、太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的可再生清凈能源近年來引起了國際學術界的廣泛研究和世界各國的極大重視。在所有的光伏產(chǎn)品中，基于p型摻硼晶體硅的太陽電池是最主要的商用產(chǎn)品，目前其市場占有份額達到了80％以上。為了降低光伏發(fā)電的成本，降低生產(chǎn)成本和提高電池轉換效率是晶體硅太陽電池最主流的途徑。對于晶體硅電池而言，電池在光照使用過程中會出現(xiàn)轉換效率顯著衰減（光致衰減）現(xiàn)象嚴重影響了太陽電池效率。該現(xiàn)象自1973年被首次發(fā)現(xiàn)以來，其研究已經(jīng)

2、持續(xù)了近半個世紀，卻依然沒有解決，是長期以來國際上晶體硅材料和太陽電池研究領域關注的重點問題之一。因此，研究在不同晶體硅材料中光致衰減現(xiàn)象的性質和機理具有非常重要的科學研究和實際應用意義。
　　本文系統(tǒng)研究了硼和不同摻雜劑共摻的晶體硅和太陽電池中光致衰減的基本性質和動力學行為，探索了抑制其作用的有效途徑，最終取得了如下主要創(chuàng)新結果:
　　(1)提出了雙指數(shù)動力學模型，精確擬合了p型硼磷補償單晶硅中硼氧復合體的生成過程。通過該

3、方法成功提取出不同溫度下快、慢衰減過程的硼氧復合體生成速率，得到相應的生成激活能分別為0.29 eV和0.44 eV，由此證明磷補償會提高直拉單晶硅快衰減過程中雙氧的擴散勢壘。同時，p型摻硼普通和硼磷補償直拉單晶硅中硼氧復合體的飽和濃度均與空穴濃度成正比，而它們的生成指前因子也都正比于空穴濃度的平方，證實磷原子沒有增大雙氧向固定硼原子擴散過程中所受的庫侖力散射，進而有力支持了硼氧復合體“潛在態(tài)”的存在。
　　(2)研究了空穴濃度大

4、于硼濃度環(huán)境下硼氧復合體的動力學行為。通過調(diào)節(jié)晶體硅中摻鎵濃度或改變激光注入強度，改變p型摻硼單晶硅中空穴濃度與硼濃度的比例，實驗發(fā)現(xiàn):快、慢過程中生成的硼氧復合體飽和濃度分別正比于硼濃度和空穴濃度，由此可以推斷硼原子直接參與了快過程中硼氧復合體的形成;隨著空穴濃度的增大，光致衰減現(xiàn)象逐漸由快過程占主導變?yōu)橛陕^程占主導，即光致衰減快、慢過程中產(chǎn)生的硼氧復合體飽和濃度比例會不斷減小。同時，快、慢過程中硼氧復合體的生成速率均與空穴濃度的平

5、方成正比，驗證了硼氧復合體新理論模型中“雙氧憑借二次俘獲空穴從而在潛在態(tài)內(nèi)進行短程擴散”的理論假設。此外，實驗指出:p型鎵硼共摻直拉單晶硅中硼氧復合體的慢過程生成激活能約為0.42 eV。
　　(3)研究了碳摻雜對直拉單晶硅中硼氧復合體的影響機理。通過第一性原理計算和實驗發(fā)現(xiàn):碳原子會優(yōu)先與雙氧結合形成結合能更?。ǜ€(wěn)定）的碳氧復合體，從而降低硼氧復合體的飽和濃度。研究發(fā)現(xiàn):碳硼共摻硅晶體中硼氧復合體生成激活能約為0.56 eV，

6、比普通摻硼硅晶體的響應值增大了0.14 eV;由此認為:一方面替位碳原子向硅晶格中引入的拉應力會阻礙潛在態(tài)硼氧復合體的形成，另一方面基于kick-out機制產(chǎn)生的間隙碳原子會擴散到潛在態(tài)硼氧復合體中的雙氧附近，對雙氧的短程擴散產(chǎn)生較強的散射作用，從而提高了擴散勢壘。但是，碳硼共摻和摻硼普通硅片中硼氧復合體的消除激活能和結合能均分別為1.35eV和0.93 eV，證實碳原子沒有與硼氧復合體結合形成更為復雜的復合體。
　　(4)研究了

7、碳硼共摻和第三態(tài)轉變對直拉單晶硅電池光致衰減后性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):碳原子會促進氧沉淀的生成，增加少數(shù)載流子的復合強度和結區(qū)的漏電通道，從而導致碳硼共摻電池光致衰減前的性能較差;但由于摻碳可以有效抑制硼氧復合體的生成，因此碳硼共摻電池光致衰減后在短路電流、開路電壓、轉換效率等性能上反而優(yōu)于普通摻硼電池。此外，第三態(tài)轉變處理可以顯著降低電池的光致衰減程度，而碳硼共摻能進一步將該過程的激活能由0.64 eV降低為0.59 eV。因此，碳硼共