晶体硅太阳电池中的电学复合行为

论文摘要

太阳能发电是一种非常有前景的可再生能源。当前,晶体硅太阳电池占据了超过80%的光伏市场份额。降低其成本是研究和产业界不断努力的目标,目前采用的主要策略是降低硅片的厚度和提高硅太阳电池的转换效率。随着硅片厚度的下降,表面复合的影响越来越大；同时,高的破碎率减少了电池产量。晶体硅中的复合中心,如光衰减缺陷,明显降低了太阳电池的效率。因此,研究晶体硅电池的表面及体复合行为,对于光伏产业发展薄片高效电池具有重要的意义。本文研究了晶体硅表面的复合,以及运用合适的钝化方法减少复合,并分析表面复合对薄片电池效率的影响。并研究了掺杂对晶体硅及太阳电池光衰减行为的影响。另外,还研究了太阳电池用硅片的力学性能。取得了如下主要创新的结果：（1）研究了硅表面复合及有效的表面钝化方法。对于p型<100>直拉单晶硅,采用合适的硅片预清洗以及0.01mol/1的碘酒／乙醇溶液钝化,表面复合速度小于50cm/S。采用合适的生长参数沉积的SiNx薄膜,通过外加电场在生长SiNx的硅表面沉积电荷,可以减少表面处电子或空穴的浓度,显著提高钝化效果。采用低温（400-450℃）快速热处理（10-15s）,也可以大大降低表面复合。这是由于SiNx中H扩散至Si-SiNx界面处,降低了表面态密度。（2）研究了表面复合对薄片电池效率的影响。随着硅片厚度的下降,太阳电池的长波长光学损失增加；量子效率和转换效率等参数也随之减少。180μm硅片制备的电池平均效率达到18.4%,而60μm的电池效率为16.8%。薄片电池效率的损失主要是由电池背表面复合以及部分长波长光的损失造成的。（3）研究了掺锗对晶体硅及电池光衰减的影响。确定了锗在硅中的有效分凝系数为0.56。锗浓度高于一定量级（1019cm-3）时,可以减少单晶硅中光衰减的生成；并且随锗浓度的升高,减少的比例增加。由于掺锗减少了硅中的双氧浓度,本质上是掺锗增加硼氧缺陷的生成激活能,即提高了双氧的扩散势垒;同时,也增大了缺陷的分解激活能,提高了硼对双氧的俘获截面。掺锗不会影响太阳电池的初始转换效率；在光照后,掺锗可以减少太阳电池的效率及相应组件输出功率的衰减。掺锗对多晶硅太阳电池也可以起到相似的作用。相比普通电池或组件,掺锗单晶和多晶的输出功率光衰减损失可以分别减少15%和17%。表明掺锗可以在一定程度上抑制太阳电池的光衰减行为。（4）单晶硅中掺锡（1018cm-3）也可以抑制光衰减的产生。掺锡显著减少了硼氧缺陷的浓度,影响了硼氧缺陷的动力学行为。掺锡提高硼氧缺陷的生成激活能,即提高了双氧的扩散势垒。同时,掺锡也增加了缺陷分解的激活能。（5）研究了太阳电池用硅片的机械性能。新颖的金刚线切割可以引起硅片表面结构发生相变,粗糙度比普通线切割的小,并且硅片的断裂强度更高。掺锗可以提高单晶硅的室温断裂强度,并显著降低了硅片切割和电池及组件制备过程中的碎片率,掺锗有利于提高薄片单晶硅电池的产量。切割损伤层会明显降低硅片的断裂强度；而多晶晶界可能会对裂纹的扩展起到一定的阻碍作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 前言
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 本研究的目的和内容
• 1.3 本文的结构安排及内容提要
• 第2章 文献综述
• 2.1 引言
• 2.2 太阳电池原理及其制备
• 2.2.1 p-n结
• 2.2.2 光照输出特性
• 2.2.3 晶体硅的生长及加工技术
• 2.2.4 太阳电池制备工艺
• 2.3 晶体硅的机械性能
• 2.3.1 硅材料的断裂
• 2.3.2 表面状况对断裂强度的影响
• 2.3.3 杂质原子对硅断裂的作用
• 2.3.4 强度的测试方法
• 2.4 硅表面的复合及钝化
• 2.4.1 载流子复合机制
• 2.4.2 硅表面的钝化
• 2.5 晶体硅太阳电池的光致衰减
• 2.5.1 光衰减缺陷成分和电学特性
• 2.5.2 硼氧复合体形成的机制
• 2.5.3 杂质原子对硼氧复合体的作用
• 2.5.4 硼氧复合体的第三态
• 2.5.5 抑制光衰减的措施
• 2.6 评论及存在的问题
• 第3章 实验样品和研究方法
• 3.1 实验样品
• 3.1.1 单晶硅的生长
• 3.1.2 多晶硅的生长
• 3.1.3 样品及电池的制备
• x薄膜的制备'>3.1.4 SiN_x薄膜的制备
• 3.2 研究方法及测试设备
• 3.2.1 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）
• 3.2.2 三点弯断裂强度测试
• 3.2.3 微波光电导衰减仪（MWPCD）
• 3.2.4 电流/电容-电压测量
• 3.2.5 量子效率
• 第4章 太阳电池用硅片的机械性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 不同线切割方式对硅片性能的影响
• 4.2.2 锗掺杂对单晶硅的机械性能的影响
• 4.2.3 晶界对硅的力学行为的作用
• 4.3 不同线切割方式对硅片性能的影响
• 4.3.1 线切割对硅片表面状况的影响
• 4.3.2 线切割对硅片断裂强度的影响
• 4.4 锗掺杂对单晶硅的机械性能的影响
• 4.4.1 锗在硅中的分凝
• 4.4.2 掺锗对单晶硅机械强度的作用
• 4.5 晶界对硅的力学行为的作用
• 4.6 小结
• 第5章 晶体硅表面复合及钝化
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 硅片表面化学溶液钝化
• x薄膜钝化'>5.2.2 硅片表面SiN_x薄膜钝化
• 5.3 硅片表面化学溶液钝化
• 5.3.1 碘酒溶液的钝化作用
• 5.3.2 碘酒溶液钝化的稳定性
• x薄膜钝化'>5.4 硅片表面SiN_x薄膜钝化
• x薄膜的生长参数对钝化的影响'>5.4.1 SiN_x薄膜的生长参数对钝化的影响
• x钝化的作用'>5.4.2 外加电场对SiN_x钝化的作用
• x薄膜钝化的作用'>5.4.3 快速热处理对SiN_x薄膜钝化的作用
• x薄膜钝化的机理'>5.4.4 快速热处理提高SiN_x薄膜钝化的机理
• 5.5 结论
• 第6章 晶体硅的光致衰减
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 光衰减的产生
• 6.2.2 掺锗对光衰减的影响
• 6.2.3 掺锡对光衰减的影响
• 6.2.4 多晶硅中的光衰减
• 6.3 光衰减的产生
• 6.4 掺锗对光衰减的影响
• 6.4.1 掺锗晶体硅的表征
• 6.4.2 掺锗对硼氧缺陷含量的影响
• 6.4.3 掺锗对光衰减动力学行为的作用
• 6.5 掺锡对光衰减的影响
• 6.6 多晶硅中的光衰减
• 6.7 总结
• 第7章 复合中心对太阳电池效率的影响
• 7.1 引言
• 7.2 实验
• 7.2.1 表面复合对薄片电池效率的影响
• 7.2.2 掺锗对电池效率的作用
• 7.3 表面复合对薄片电池效率的影响
• 7.4 掺锗对电池效率的作用
• 7.4.1 掺锗对单晶硅电池的影响
• 7.4.2 掺锗对多晶硅电池的影响
• 7.5 小结
• 第8章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果