氢化纳米硅（na-Si：H）薄膜太阳电池研究

论文题目: 氢化纳米硅（na-Si：H）薄膜太阳电池研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 于化丛

导师: 崔容强

关键词: 渐变光学带隙,氢化纳米硅薄膜,等离子增强化学气相沉积,太阳电池,光电特性,射频溅射

文献来源: 上海交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 人类社会的和平、文明进步和可持续发展是其永恒主题。一次能源面临枯竭和其使用引起的环境污染问题难以满足人类社会可持续发展的需要。因此,开发利用可再生的清洁能源并作为替代能源成为全社会急需解决的大问题。太阳能作为取之不尽、用之不竭且无污染的绿色能源,成为首选目标之一。太阳电池是将太阳光能直接转换成电能的一种器件,目前已商业化的太阳电池是晶体硅(单晶硅和多晶硅)太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池等硅系列太阳电池,但晶体硅太阳电池具有原材料消耗大、成本高和能源偿还时间(EPT)长的缺点,而非晶硅薄膜太阳电池虽克服了晶体硅太阳电池的上述缺点,又存在转换效率低和光致衰减(S-W效应)问题,其他诸多化合物太阳电池则受资源限制并存在对环境的友善问题。因此寻找一种转换效率高、低衰减且成本低、资源丰富无污染并适于大面积生产的太阳电池,是光伏科学界的挑战,也是太阳能光伏发电承担从补充能源到替代能源转换的历史任务必须优先解决的问题。氢化纳米硅薄膜(na-Si:H)是由纳米级硅晶粒和晶粒间界的非晶硅(a-Si:H)组成的两相混合体系。纳米尺度效应使其具有优异的光电特性和光敏性,高光吸收系数;高电导率,光电导在光照下的衰减小。特别是量子尺寸效应导致na-Si:H的光学带隙与其平均晶粒尺寸及晶态比具有一定的变化规律。利用na-Si:H的上述特点,根据太阳电池能带工程理论,可按太阳电池各功能层对光电参数的需要,设计并制作纳米硅薄膜太阳电池。本论文用量子隧穿模型理论(HQD)研究了纳米硅薄膜的电学特性;用AMPS1D软件模拟计算了渐变光学带隙的na-Si:H薄膜p-i-n太阳电池的理论效率可达22.13%;采用射频溅射(RFS)法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备了氢化纳米硅薄膜,并通过原子力显微镜(AFM)、高清晰度电镜(HREM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、红外光谱(IR)以及吸收透射谱等方法进行表征、测试和研究了na-Si:H的结构、光学、电学特性,并根据纳米尺度效应机理,运用量子尺寸效应引起的带隙展宽效应理论,分析了实验中获得的na-Si:H颗粒尺度和晶态比与其光学带隙的关系规律;采用能带工程原理,首次设计出渐变光学带隙的氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池并建立该型太阳电池能带模型。首次采用na-Si:H,运用PECVD方法成功制备了渐变光学带隙氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池,光电转换效率达11.43%(有效面积:75.4mm2)和9.82% (有效面积:121.2mm2)(标准测试条件STC:AM1.5,1000W/m2,25℃);同时还制备了氢化纳米硅/单晶硅异质结太阳电池,光电转换效率达13.80%和13.50%(外形面积:800mm2,标准测试条件STC:AM1.5,1000W/m2,25℃),该指标达到了同类太阳电池的国际先进和国内领先水平。从理论和实验两方面证明了纳米硅薄膜太阳电池具有高效率、低成本和可大规模生产的特点,对na-Si:H薄膜太阳电池的规模化工业生产有重要意义。本论文共七章,第一章和第二章为概述,分析了人类社会面临的能源和环境形势,介绍了国内外太阳电池和纳米硅薄膜的科研和产业的发展及水平,论述了氢化纳米硅薄膜的结构、制备方法及光电性质,分析了纳米硅薄膜的导电机制和I-V特性,给出了修正的纳米硅薄膜能带模型,简介了纳米硅薄膜的射频溅射和PECVD制备方法,分析了在室温条件下理论计算与实际测量结果之间存在差别的原因及存在问题,导入纳米硅薄膜太阳电池的优势。第三章主要运用能带工程原理和na-Si:H颗粒尺度和晶态比与其光学带隙的关系规律,论述了na-Si:H可以根据太阳电池的各功能层的需要,调制光学带隙和设计其他光电参数,实现了渐变带隙na-Si:H pin太阳电池的结构和能带设计。并通过采用依据有限元法和Newton-Raphson算法解基于连续性原理的载流子连续性方程和Poisson方程的AMPS1D软件对其进行了模拟,比较了渐变带隙纳米硅薄膜太阳电池与常规纳米硅薄膜太阳电池的模拟结果,优化了i层厚度,表明渐变带隙的na-Si:H薄膜太阳电池具有更高转换效率和光谱响应,获得了渐变带隙的na-Si:H薄膜太阳电池的理论效率,这为渐变带隙薄膜太阳电池的制备提供了理论依据。第四章测试分析了氢化纳米硅薄膜样品的结构特性、光学特性、电学特性等。利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、红外光谱(IR)、椭圆偏振仪(SE)、扫描电镜(SEM)等测试手段,对用射频溅射法制备的氢化纳米硅薄膜样品进行了表征测试分析研究。结果表明,两种方法制备的纳米硅薄膜内颗粒尺寸都与薄膜生长过程中的氢气分压有密切关系。第五章介绍了PECVD方法制备纳米硅薄膜的原理和纳米硅/单晶硅异质结太阳电池的结构及工作原理,并采用高清晰透射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、霍尔(Hall)测试等测试手段,对该方法制备的纳米硅薄膜进行了表征。通过工艺设计和优化,采用PECVD技术成功制备了纳米硅/单晶硅异质结太阳电池,该类太阳电池的I-V特性、温度特性和光照衰减特性进一步证明该类太阳电池的优异的性能,是一个具有突破性的成果。第六章介绍了首次设计出渐变光学带隙氢化纳米硅薄膜p-i-n太阳电池并建立该型太阳电池能带模型,论述了该类太阳电池的结构和工作原理,并在实验上首次采用na-Si:H,运用PECVD方法成功制备了渐变光学带隙太阳电池;光谱响应测试证明该类太阳电池比同类型非晶硅叠层太阳电池吸收了更大范围太阳光,而且光照稳定性好,具有可大规模生产和高效率、低衰减的特点,对太阳电池的规模化生产有重要意义。第七章从理论和试验两方面对本论文进行了讨论,凝炼了本论文的创新点,并进一步对工作进行了展望。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 全球能源形势及21 世纪太阳能发电的战略地位

1.2 太阳电池的特点和分类

1.3 国际太阳电池的研究进展

1.4 中国太阳电池的研究进展

1.5 第三代薄膜太阳电池的机遇

参考文献

第二章 氢化纳米硅薄膜的结构、制备方法及光电性质

2.1 纳米材料的特性

2.2 氢化纳米硅薄膜结构、性质的表征研究方法

2.3 氢化纳米硅薄膜的结构、电导机制和I-V 特性研究

2.3.1 氢化纳米硅薄膜的结构

2.3.2 氢化纳米硅薄膜的能带结构

2.4 氢化纳米硅薄膜的制备方法

2.4.1 物理气相沉积及溅射法

2.4.2 化学气相沉积

2.5 氢化纳米硅薄膜太阳电池

参考文献

第三章 渐变带隙NA-SI:H PIN 太阳电池的设计和模拟

3.1 设计和数值计算

3.1.1 太阳光谱

3.1.2 半导体的光吸收

3.1.3 材料和结构设计

3.1.4 能带工程设计

3.1.5 短路电流J_(SC) 和光电流J_0

3.1.6 开路电压Voc

3.1.7 填充因子FF 和转换效率η

3.1.8 串联电阻R_S、并联电阻R_(Sh) 与短路电流J_(SC) 和开路电压V_(oc)的关系

3.2 AMPS-1D 的原理及算法依据

3.2.1 AMPS 的原理和算法依据

3.2.2 AMPS 的条件设定和操作界面

3.3 P-A-SI/I-NA-SI/N-A-SI 型太阳电池计算机模拟

3.3.1 不同晶化度na-Si:H 薄膜作为i 层的太阳电池模拟

3.3.2 i 层厚度对太阳电池性能的影响

3.4 渐变带隙P-A-SI/I-NA-SI/N-A-SI 太阳电池计算机模拟

3.5 小结

参考文献

第四章 射频溅射法低温制备氢化纳米硅薄膜

4.1 射频溅射法的原理

4.2 实验研究

4.2.1 实验设备

4.2.2 薄膜制备工艺流程及样品沉积

4.3 NA-SI:H 的表征测试分析

4.3.1 表面形貌

4.3.2 测量膜厚

4.3.3 XRD 测试

4.3.4 激光Raman 谱

4.3.5 红外吸收谱（FTIR）

4.3.6 纳米硅薄膜的伏安特性

4.4 小结

参考文献

第五章 氢化纳米硅/单晶硅异质结薄膜太阳电池

5.1 PECVD 制备纳米硅薄膜原理

5.2 PECVD 制备纳米硅薄膜试验及分析表征

5.2.1 原子排布表征和测试

5.2.2 纳米硅薄膜的透射谱、吸收谱及光学带隙

5.2.3 纳米硅薄膜的激光Raman 测试

5.2.4 纳米硅薄膜的XRD 测试

5.2.5 纳米硅薄膜的Hall 测试

5.3 纳米硅/单晶硅异质结太阳电池的结构和工作原理

5.3.1 结构

5.3.2 工作原理

5.3.4 异质结太阳电池的制备和I-V 特性测试

5.3.5 I-V 和温度特性测试

5.4 分析和讨论

5.4.1 异质结能带补偿对太阳电池的影响

5.4.2 界面态密度对太阳电池的影响

5.4.3 背表面场（BSF）的影响

5.5 小结

参考文献

第六章 渐变带隙氢化纳米硅薄膜PIN 太阳电池

6.1 渐变带隙氢化纳米硅PIN 太阳电池结构和工作原理

6.1.1 结构

6.1.2 工作原理

6.2 纳米硅本征层的渐变带隙PIN 太阳电池能带工程设计

6.2.1 纳米硅薄膜光学带隙设计规律依据

6.2.2 能带工程设计

6.3 氢化纳米硅薄膜的制备实验

6.4 I-V 特性和光谱响应测试

6.4.1 I-V 特性测试

6.4.2 光谱响应测试

6.5 讨论

6.5.1 光电转换效率

6.5.2 温度稳定性

6.5.3 S-W 效应

6.6 小结

参考文献

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 研究成果

7.2.1 理论工作

7.2.2 实验工作

7.3 创新点

7.4 展望

7.4.1 薄膜方面

7.4.2 太阳电池方面

附件

附件一：天津国防计量站3004 校准实验室纳米硅太阳电池样品电性能测试报告

附件二：中华人民共和国国家发明专利和实用新型专利证书

附件三：中华人民共和国教育部科技成果奖励证书

附件四：上海市科学技术进步奖证书

附件五：15~(TH) INTENATIONAL PHOTOVOLTAIC SCIENCE AND ENGINEERING CONFERENCE（PVSEC-15 第15 届国际光伏科学与工程大会)优秀论文奖励证书

附件六：15~(TH) INTENATIONAL PHOTOVOLTAIC SCIENCE AND ENGINEERING CONFERENCE（PVSEC-15 第15 届国际光伏科学与工程大会)科研亮点

致谢

攻读博士学位期间发表和完成的学术论文

攻读博士期间完成的科研项目、标准、专利和获奖情况

上海交通大学学位论文答辩决议书

发布时间: 2008-05-22

参考文献

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