CdS/Si-NPA异质结构阵列的光伏特性研究

论文摘要

硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）独特的多孔阵列结构,以及其优异的光吸收性能,使得宽带隙半导体/Si-NPA复合体系在太阳能电池领域具有重要的科学意义和应用价值。本文采用水热腐蚀技术及两步腐蚀法分别在（111）晶向和（100）晶向的单晶硅片上制备出了Si-NPA,并采用简单易行的化学水浴沉积技术（CBD）在Si-NPA表面沉积了一层连续、致密的CdS薄膜。通过对CdS/Si-NPA异质结构阵列的形貌结构、光学性能、电学性能以及光伏特性的研究,论文得到的主要研究结果如下：1. CdS/Si-NPA异质结构阵列的制备与形貌结构特征通过水热腐蚀和两步腐蚀法,分别在（111）晶向和（100）晶向的单晶硅片表面制备出了Si-NPA。随后采用化学水浴沉积技术制备得到了CdS/Si-NPA异质结构阵列体系,并从形貌结构特征、成分组成等方面进行了分析。通过SEM图像可以看出,采用CBD技术在Si-NPA表面沉积了一层连续、致密的CdS薄膜。XRD测试结果表明,CBD-CdS薄膜为亚稳态的立方相,而在经过高纯Ar气氛下500℃退火60 min后转变为六方相。通过对CdS最高衍射峰进行估算,得到退火前CdS的平均晶粒尺寸为～7.7 nm,而退火后CdS的平均晶粒尺寸为～16.7nm,即经过退火处理后的CdS纳米晶粒的平均尺寸有所增加,但仍为纳米级。对表面三个典型区域EDS测试结果表明CBD技术制备出的CdS薄膜中含有大量的Vs或ICd和O成分。由于Vs或ICd在CdS中均为施主能级,可以推断CdS薄膜为n型,而O则认为来自样品表面吸附的氧气,或者来自于水浴过程中所生成的Cd（OH）2, Cd（OH）2受热时将分解为CdO。综上所述,CBD-CdS可以与Si-NPA形成异质结构,从而为CdS/Si-NPA在太阳能领域的应用提供了技术可行性。2. CdS/Si-NPA异质结构阵列的光学和电学特性通过对化学水浴沉积溶液中CdS颗粒的提取,我们得到了橙黄色的CdS粉体。CdS粉体在500℃退火后同样发生了由立方相向六方相的转变,不同之处在于,退火后CdS粉体中出现了具有立方晶格结构的CdO。采用谢乐公式对相应峰位的晶粒大小进行估算,得到退火前CdS的平均粒径尺寸为～10.2 nm,退火后CdS的平均晶粒尺寸为～43.3 nm,CdO的平均晶粒尺寸为～33.3 nm。在450 nm激发波长激发下,发现CdS粉体的发光谱在480～750 nm范围内存在有多个发光峰位,并对发光峰产生的机理进行了合理地解释,认为这些发光峰的存在可能是由于CdS粉体中大量的Vs、ICd、VCd和ICd-VCd合缺陷所导致的。由于在CdS薄膜生长过程中,均质成核生长所形成的CdS将不可避免地吸附在Si-NPA表面,即CdS薄膜实际上包含有两种不同生长机理所形成的CdS。通过研究相同制备条件下所得到的CdS粉体的性质,可以进一步探究CBD过程的反应机理,从而获得性能更佳的CdS薄膜。此外,对CdS粉体的分析还可以为后面探究CdS薄膜对CdS/Si-NPA的光电特性的影响提供相应的依据。CdS/Si-NPA的光吸收性能。不同退火条件下,CdS/Si-NPA异质结构阵列都表现出良好的光吸收特性（在所测波段的平均积分反射率均小于7%）。对退火前和500℃退火后的样品的积分反射谱进行分析得,CdS在退火前的光学带隙为-2.28 eV,而在退火后变为～2.34 eV。这里退火前的CdS带隙（-2.28 eV）较小的原因可能是由于CdS和Si-NPA之间存在晶格失配,进而在界面间产生应力；而应力将会导致晶格常数的变化,从而改变CdS的带隙宽度所致。CdS/Si-NPA的J-V特性及载流子的传输机理。室温下J-V曲线的测试结果表明CdS/Si-NPA具有良好的整流特性,其开启电压～3.4 V,对应的电流密度为-1.3 mAcm-2,在～7.4 V正向电压下,电流密度为～93.6 mA cm-2；在～7.4 V反向电压下,漏电流密度为～0.63 mA cm-2,反向截止电压为～8V；在±7.4 V偏压下整流率为～149。由于Si-NPA/sc-Si之间为欧姆接触,因此CdS/Si-NPA异质结构阵列属于典型的异型异质结结构。其正向偏置下载流子的传输机理可以通过SCLC模型来解释。分析可知,由于CdS薄膜与Si-NPA衬底之间存在的晶格失配以及在沉积CdS薄膜时形成的大量的VS、ICd、VCd（?）口ICd-VCd复合缺陷,使得异质结构阵列中存在有大量的缺陷态,这些缺陷态将会限制异质结构阵列光伏性能的进一步提高。CdS/Si-NPA异质结构阵列的光伏特性。光伏测试结果可以看出,CdS/Si-NPA异质结构阵列具有明显的光伏效应,其开路电压Voc=265 mV,短路电流Isc=1.32μA,最大工作电压Vmax=157 mV,最大工作电流Imax=0.73 gA,填充因子FF=32.8%,光电转换效率Efficiency=1.15×10-4%,串联电阻Rs=107702Ω,并联电阻Rsh=296458Ω。可以看出,CdS/Si-NPA/sc-Si异质结构阵列器件有着相对较大的Voc,但是其相对较小的Isc和FF限制了器件的光电转换效率。如果Rs降为100Ω,其它条件均不变,由欧姆定律定律可知,通过Rs的电流将会有所增加,计算可得,此时器件的光电转换效率为～0.12%。因此,通过对实验条件的优化以及器件成本的降低,有望实现CdS/SiNPA异质结构阵列的光伏应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 引言
• 1.1 可再生能源
• 1.2 太阳能电池
• 1.2.1 太阳能电池的基本原理
• 1.2.2 太阳能电池研究简介
• 1.2.3 第三代太阳能电池
• 1.2.4 选题依据和研究内容
• 2 CdS/Si-NPA异质结构阵列的制备与形貌结构特征
• 2.1 引言
• 2.2 Si-NPA的制备与形貌表征
• 2.2.1 Si-NPA的制备
• NPA的SEM形貌'>2.2.2 Si_NPA的SEM形貌
• 2.2.3 采用（100）取向的单晶硅片制备Si-NPA
• 2.3 CdS/Si-NPA的制备与表征
• 2.3.1 CdS/Si-NPA的制备
• 2.3.2 退火对CdS/Si-NPA表面形貌和结构的影响
• 2.3.3 CdS/Si-NPA表面成分分析
• 2.4 本章小结
• 3 CdS/Si-NPA异质结构阵列的光学和电学特性
• 3.1 引言
• 3.2 CBD-CdS粉体的光学性能
• 3.2.1 退火对CdS粉体形貌和结构的影响
• 3.2.2 CdS粉体的光致发光特性
• 3.3 CdS/Si-NPA的光吸收性能
• 3.3.1 退火对CdS/Si-NPA光吸收性能的影响
• 3.3.2 CdS光学带隙的计算
• 3.4 CdS/Si-NPA的电学特性
• 3.4.1 CdS/Si-NPA的电极制备
• 3.4.2 CdS/Si-NPA的电学特性
• 3.4.3 CdS/Si-NPA的光伏特性
• 3.5 本章小结
• 4 结论与展望
• 第一部分 CdsS/i-NAP异质结构阵列的制备与形貌结构特征
• 第二部分 cdsS/i-N队异质结构阵列的光学和电学特性
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果