优质氢化非晶硅薄膜的沉积及其太阳能电池模拟

论文摘要

非晶硅（a-Si）与晶态硅的结构差异,使非晶硅具有特殊的光学、电学性质,并且呈现出了巨大的应用前景。但是由于它含有大量的缺陷态,使其在实际应用方面受到了限制。对于氢化非晶硅（a-Si:H）,由于氢的钝化作用,使得a-Si:H的缺陷密度大大降低,从而使a-Si:H符合器件级质量材料的要求。a-Si:H薄膜己经广泛应用于太阳能电池。但是a-Si:H的沉积速率和品质很大程度上受制于制备工艺。由于微波电子回旋共振化学气相沉积（MWECR CVD）方法具有电子和离子产生率高等优点,为此,本文用MWECRCVD系统制备手段研究了器件级a-Si:H薄膜的工艺条件,并用AMPS-1D程序模拟分析了用这种薄膜制备的太阳能电池的性能参数。a-Si:H薄膜光电特性同膜中的氢有密切关系。Fourier红外透射（FTIR）谱是研究a-Si:H薄膜中氢含量（CH）及硅-氢键合模式最有效的手段,本文通过红外透射光谱的基线拟合、高斯拟合方法,分析了不同H2/SiH4稀释比下制备出的氢化非晶硅薄膜的氢含量、硅氢键合方式及其组分,得到了这些参数随H2/SiH4稀释比变化的规律。影响a-Si:H薄膜沉积速率的机制非常复杂,这些机制与制备工艺条件有着密切的联系。本文研究了工作气压、SiH4气体流量和衬底温度及磁场梯度等工艺条件对a-Si:H薄膜沉积速率的影响。结果表明:工作气压、SiH4气体流量和衬底温度等这些参数有最佳值,太大或太小都会造成沉积速率的下降;改变等离子体的磁场形貌为磁镜磁场可获得高沉积速率、大面积均匀的a-Si:H薄膜。在薄膜的均匀性研究方面,本文通过研究认为,对于单磁场线圈MWECR CVD系统,ECR区的不均匀性和沉积室的磁场梯度的不均匀,是影响薄膜均匀性的主要原因,通过改进矩形耦合波导和热丝辅助及减小磁场线圈电流的方法,在直径为6cm的衬底上,沉积得到了厚度均匀性＜3.5%的a-Si:H薄膜。本文用氢等离子体处理间隙生长堆积层表面（LBL）技术制备了氢化微晶硅（μc-Si:H）薄膜。发现,当薄膜厚度在0.55μm以下时,样品具有较为典型的非晶硅特征,光电导衰退率很大:当薄膜厚度为0.60μm～0.70μm之间时,样品兼备非晶和微晶的特点,在这一厚度值范围内,光电导随薄膜厚度变化非常敏感,光电导衰退率较小;当薄膜厚度为0.80μm以上时,薄膜表现为明显的微晶硅性质,光电导衰退率非常小。这种LBL技术能实现控制沉积微晶硅薄膜的厚度,制备出适合制备太阳电池的微晶薄膜,具有重要的实用价值。a-Si:H薄膜在太阳能电池应用,本文用AMPS-1D程序模拟分析了p-型非晶硅（p+a-Si:H）/n-型晶体硅（n-c-Si）/n-型非晶硅（n+-a-Si:H）异质结太阳电池光伏特性。结果表明界面缺陷态对太阳电池光伏性能有很大影响;背电场对较薄的电池光伏性能影响较大,而对厚电池影响较小;背电场能有效抑制其界面缺陷态对电池效率的衰退。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 同类研究工作国内外研究现状分析
• 1.2.1 氢化非晶硅薄膜制备技术的研究现状
• 1.2.2 微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术研究现状
• 1.2.3 单磁场线圈MWECR CVD沉积a-Si:H薄膜研究现状及存在的问题
• 1.2.4 氢化非晶硅薄膜光电特性的研究
• 1.2.5 大面积均匀氢化非晶硅薄膜制备的研究
• 1.3 相关测试手段和方法的研究
• 1.3.1 红外分析技术的应用和研究
• 1.3.2 紫外测试技术及应用研究
• 1.3.3 拉曼测试技术及应用研究
• 1.3.4 暗电导激活能测试原理
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 本文结构
• 第2章 a-Si:H薄膜中氢含量及键合方式的红外分析
• 2.1 引言
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 红外吸收谱的的基线拟合
• 2.2.2 红外吸收谱的高斯拟合
• 2.2.3 氢含量及硅氢键合方式组分的计算
• 2/SiH₄稀释比与氢含量及硅氢键合模式的关系'>2.3 H₂/SiH₄稀释比与氢含量及硅氢键合模式的关系
• 2/SiH₄稀释比对总氢含量的影响'>2.3.1 H₂/SiH₄稀释比对总氢含量的影响
• 2/SiH₄稀释比对薄膜中键结构和组分的影响'>2.3.2 H₂/SiH₄稀释比对薄膜中键结构和组分的影响
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 a-Si:H薄膜MWECR CVD的高速均匀沉积
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 样品测试
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 工作气压与a-Si:H薄膜的沉积速率
• 4气体流量与a-Si:H薄膜的沉积速率'>3.3.2 SiH₄气体流量与a-Si:H薄膜的沉积速率
• 3.3.3 衬底温度与a-Si:H薄膜的沉积速率
• 3.3.4 磁场梯度与a-Si:H薄膜的沉积速率
• 3.4 本章小结
• 第4章 用HW-MWECR CVD系统沉积大面积均匀氢化非晶硅薄膜的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 HW-MWECR CVD系统（介绍）
• 4.2.2 氢化非晶硅薄膜的制备及测试
• 4.3 结构与讨论
• 4.3.1 厚度不均匀性
• 4.3.2 结构不均匀性
• 4.4 本章小结
• 第5章 用LBL技术制备氢化非晶/微晶硅薄膜及其特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 结果分析与讨论
• 5.3.1 暗电导测试结果
• 5.3.2 拉曼散射（Raman）谱测试结果
• 5.3.3 红外（IR）谱测试结果
• 5.3.4 光吸收系数与氢含量结果
• 5.3.5 光电导衰退结果
• 5.4 本章小结
• +型结构太阳能电池数值模拟分析'>第6章 新型p-n-n⁺型结构太阳能电池数值模拟分析
• 6.1 引言
• 6.2 物理模型及模拟方法
• 6.2.1 器件结构
• 6.2.2 Poisson方程和连续性方程
• 6.2.3 边界条件和数值计算方法
• 6.3 结果分析与讨论
• 6.3.1 电池效率
• 6.3.2 电池的短路电流
• 6.3.3 电池的开路电压
• 6.3.4 电池的填充因子
• 6.3.5 电池最佳性能模拟结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献