玻璃基太阳能电池薄膜材料制备及其结构和性能研究

论文摘要

在平板玻璃衬底上开展大面积、低成本的透明导电薄膜和太阳能薄膜材料的制备技术研究，对开发利用太阳能、降低成本和推动实用化进程具有重要的意义。该项目的研究对发展新的环境协调型材料和生态建筑材料、保护环境和实现可持续发展具有重要意义。本文在系统总结和全面分析用于太阳能电池的透明导电薄膜、多晶硅薄膜材料和氟碳自洁净薄膜材料的研究现状基础上，深入研究了掺杂SnO2导电薄膜和ITO透明导电薄膜的制备技术，系统地研究了Sol-Gel制备工艺参数、F、Sb离子的掺杂量，磁控溅射ITO薄膜的工艺参数、热处理条件等对透明导电膜的的微观结构与电性能的影响。研究了等离子体增强化学气相沉积a-Si薄膜工艺参数和金属诱导晶化的工艺参数对制备的poly-Si薄膜的微观结构和光电性能的影响。通过大量实验研究，取得了如下一些创新性成果：（1）采用改进的Sol-Gel法制备出均匀致密、晶粒大小约为10nm的SnO2：F透明导电薄膜，其透光率达到85％，方块电阻约为20-30Ω／□。（2）利用Sol-Gel法制备出SnO2：Sb透明导电薄膜。Sb掺杂浓度为5％的SnO2透明导电薄膜具有最低的方块电阻78Ω／□，载流子浓度可达1.1×1021cm-3，迁移率为1.46cm2V-1·s-1，可见光平均透过率为75％。（3）以90 wt％In和10 wt％Sn铟锡合金和氧化铟锡陶瓷靶为靶材，采用直流和射频磁控反应溅射法在玻璃基片制备出透过率高于85％，方块电阻小于10Ω的高取向生长的ITO透明导电薄膜。通过对几种不同导电薄膜的制备技术和导电薄膜材料性能的对比研究，获得了满足太阳能电池工艺一致性和整体性要求的TCO薄膜。（4）利用PECVD设备在普通玻璃基片上沉积a-Si薄膜，采用铝诱导晶化法（AIC）在氮气气氛下进行快速退火处理成功地制备出晶化温度在500℃以下的poly-Si薄膜。（5）设计了太阳能电池自洁净薄膜，并用射频溅射法成功制备了氟碳高分子疏水自洁净薄膜并进行了相关的机理的研究。该工作为制备高憎水性自洁净薄膜提供了新的视野和方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅薄膜太阳能电池研究进展
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理
• 1.2.3 a-Si薄膜太阳能电池
• 1.2.4 poly-Si薄膜太阳能电池
• 1.2.5 硅基薄膜太阳能电池的发展趋势及应用前景
• 1.3 二氧化锡透明导电薄膜的研究进展
• 2薄膜'>1.3.1 纯SnO₂薄膜
• 2薄膜'>1.3.2 掺锑SnO₂薄膜
• 2薄膜'>1.3.3 掺氟SnO₂薄膜
• 1.4 ITO透明导电氧化物薄膜的性能
• 1.4.1 ITO薄膜的结构及能带
• 1.4.2 ITO薄膜的电学性质
• 1.4.3 ITO薄膜的光学性质
• 1.5 透明导电氧化物薄膜的制备方法
• 1.5.1 磁控溅射镀膜
• 1.5.2 脉冲激光沉积
• 1.5.3 化学气相沉积
• 1.5.4 溶胶—凝胶法
• 1.5.5 喷射热分解法
• 1.6 透明导电薄膜的研究现状及应用
• 1.7 等离子增强化学气相沉积a-Si薄膜
• 1.8 Poly-Si薄膜的制备方法
• 1.9 本课题研究的目的和主要内容
• 2薄膜溶胶-凝胶法制备及其性能研究'>第2章 玻璃基掺氟SnO₂薄膜溶胶-凝胶法制备及其性能研究
• 2.1 Sol-Gel工艺合成FTO薄膜的反应机理
• 2薄膜的导电机理'>2.2 掺氟的SnO₂薄膜的导电机理
• 2.3 实验过程
• 2和FTO溶胶的配制'>2.3.1 SiO₂和FTO溶胶的配制
• 2.3.2 玻璃衬底的清洗
• 2薄膜的制备'>2.3.3 SiO₂薄膜的制备
• 2.3.4 FTO导电薄膜的制备
• 2.4 氟掺杂二氧化锡薄膜的结构和性能表征
• 2.4.1 UV-Vis透过率分析
• 2.4.2 XRD分析
• 2.4.3 SEM分析
• 2.4.4 XPS分析
• 2薄膜'>2.5 喷涂法制备SnO₂薄膜
• 2.5.1 实验过程
• 2.5.2 结果与讨论
• 2.6 小结
• 2薄膜Sol-Gel法制备与性能研究'>第3章 玻璃基掺Sb的SnO₂薄膜Sol-Gel法制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 2:Sb材料的反应机理'>3.2.1 Sol-Gel工艺合成SnO₂:Sb材料的反应机理
• 2溶胶的配制'>3.2.2 Sb掺杂SnO₂溶胶的配制
• 2薄膜的制备'>3.2.3 Sb掺杂SnO₂薄膜的制备
• 3.3 不同热处理温度对薄膜结构和性能的影响
• 3.3.1 镀膜试样的XRD测试分析
• 3.3.2 镀膜试样的紫外-可见光透过率分析
• 3.3.3 薄膜样品的XPS分析
• 3.3.4 镀膜试样的SEM测试分析
• 3.3.5 结果讨论与分析
• 3.4 不同锑掺杂浓度对薄膜的结构和性能的影响
• 3.4.1 薄膜样品的XRD分析
• 3.4.2 薄膜试样的TEM测试分析
• 3.4.3 镀膜试样的紫外—可见光透过率测试分析
• 3.4.4 镀膜试样的XPS测试分析
• 3.4.5 镀膜试样的电学性能测试分析
• 3.4.6 结果与讨论分析
• 3.5 小结
• 第4章 磁控溅射制备ITO薄膜及其性能研究
• 4.1 实验过程
• 4.2 薄膜微观结构与性能表征的方法
• 4.2.1 薄膜结构的测定
• 4.2.2 薄膜表面形貌的测定
• 4.2.3 薄膜成分的测定
• 4.2.4 光学性能测定
• 4.2.5 薄膜方阻及电阻率的测试
• 4.3 铟锡合金靶制备ITO薄膜及性能表征
• 4.3.1 氧分压对ITO薄膜光电性能的影响
• 4.3.2 不同氧分压ITO薄膜XRD分析
• 4.3.3 不同氧分压ITO薄膜SEM分析
• 4.3.4 耐磨性和粘附性测试
• 4.3.5 化学稳定性测试和刻蚀性测试
• 4.4 铟锡陶瓷靶磁控溅射制备ITO薄膜
• 4.4.1 衬底温度对ITO薄膜紫外透射光谱的吸收截止边带的影响
• 4.4.2 衬底温度对ITO薄膜透过率的影响
• 4.4.3 衬底温度对ITO薄膜晶相结构的影响
• 4.4.4 氧分压对ITO薄膜透过率的影响
• 4.5 小结
• 第5章 a-Si薄膜PECVD制备及其性能研究
• 5.1 PECVD法制备a-Si薄膜生长机理
• 5.2 磷掺杂非晶硅薄膜的制备
• 5.3 硼掺杂非晶硅薄膜的制备
• 5.4 小结
• 第6章 金属铝诱导a-Si薄膜制备Poly-Si薄膜
• 6.1 铝膜厚度对非晶硅薄膜晶化的影响
• 6.1.1 XRD分析
• 6.1.2 Raman分析
• 6.1.3 表面形貌分析
• 6.2 退火温度对非晶硅薄膜晶化的影响
• 6.2.1 XRD分析
• 6.2.2 SEM分析
• 6.2.3 Raman分析
• 6.3 退火时间对非晶硅薄膜晶化的影响
• 6.3.1 XRD分析
• 6.3.2 Raman分析
• 6.3.3 薄膜样品的形貌分析
• 6.4 小结
• 第7章 氟碳疏水自洁净薄膜磁控溅射法制备及性能研究
• 7.1 前言
• 7.2 实验
• 7.2.1 薄膜的制备
• 7.2.2 薄膜的表征及表面能的测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 溅射气氛对薄膜表面形态的影响
• 7.3.2 XPS分析
• 7.3.3 薄膜疏水性及表面能分析
• 7.4 小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文