纳米硅薄膜太阳能电池的制备和性能研究

论文摘要

目前人类面临的环境污染和能源危机越来越严峻，开发可再生的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为绿色能源，取之不尽，又无污染，是人类实现可持续发展的重要途径。到2010年，全球的太阳能电池发电总量已达到4GW，每年的增幅更是达到了30%。目前较为普及的晶体硅太阳能电池存在成本较高，原材料消耗较大的问题，而非晶硅又存在光致衰减，其他化合物太阳能电池对环境有污染。氢化纳米硅薄膜太阳能电池由于避免了前者的缺点，越来越被人们所重视。氢化纳米硅（nc-Si:H）是一种硅纳米晶粒镶嵌在（a-Si:H）网络里的硅纳米材料。纳米尺寸效应使其拥有优异的光敏性、光电特性、高电导率、高光吸收系数和高光学带隙，其光电导在光照条件下衰减较小。量子尺寸效应使纳米硅薄膜的光学带隙与薄膜的晶态比和晶粒大小具有一定的变化规律。其优异的特性可用于制备氢化纳米硅（nc-Si:H）薄膜太阳能电池。氢化纳米硅（nc-Si:H）/单晶硅（c-Si）异质结太阳能电池既发挥了晶体硅高迁移率的优势，又利用了低温的薄膜沉积工艺，同时，电池的制备工艺简单，拥有实现制备低成本、高效率太阳能电池的发展前景。本论文主要研究内容如下：1、利用等离子增强化学气相沉积（PECVD）制备掺磷（nc-Si:H）薄膜，分析射频功率、硅烷浓度、衬底温度以及掺杂浓度对（nc-Si:H）薄膜的晶态比、晶粒大小、电导率和光学带隙的影响。通过调整工艺，优化了掺磷（nc-Si:H）薄膜的微结构和性能，为制备HIT异质结太阳能电池和p-i-n太阳能电池做好了铺垫。2、介绍了nc-Si:H（N）/a-Si:H（I）/c-Si（P）异质结薄膜（HIT）太阳能电池的原理，制备过程；研究了N层掺杂浓度、厚度对HIT太阳能电池性能的影响；研究了有无本征层以及本征层的厚度对电池的影响；研究了Al2O3钝化层对电池性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 全球能源形势
• 1.2 太阳能电池的特点和类型
• 1.3 晶体硅太阳能电池的研究进展
• 1.3.1 单晶硅太阳能电池
• 1.3.2 多晶硅太阳能电池
• 1.4 薄膜太阳能电池的研究进展
• 1.4.1 硅基薄膜太阳能电池
• 1.4.2 化合物半导体薄膜太阳能电池
• 1.4.3 染料敏化太阳能电池
• 1.5 本论文的目的和研究内容
• 1.6 本论文的安排
• 2. 氢化纳米硅薄膜的特性、制备方法以及表征测试
• 2.1 氢化纳米硅薄膜的特性
• 2.2 氢化纳米硅薄膜的制备方法
• 2.3 PECVD 及其沉积原理
• 2.3.1 等离子体化学气相沉积（PECVD）
• 2.3.2 氢化纳米硅薄膜 PECVD 沉积机制
• 2.4 氢化纳米硅薄膜的微结构，光电学特性的表征方法
• 2.4.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.2 拉曼光谱（Raman）
• 2.4.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.4.4 紫外透射光谱（UV）
• 2.4.5 红外光谱（IR）
• 2.4.6 场发射扫描电镜（FESEM）
• 2.4.7 Keithely 2400 Series SourceMeter 电流源／电压源表
• 2.4.8 光暗电导率测试（High Resistance Meter）
• 3. PECVD 法制备掺磷纳米硅薄膜
• 3.1 样品的制备
• 3.1.1 实验设备
• 3.1.2 反应气体与衬底
• 3.1.3 样品的制备
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 掺杂浓度的影响
• 3.2.1.1 掺杂对薄膜微结构的影响
• 3.2.1.2 掺杂对薄膜电学性能的影响
• 3.2.1.3 掺杂对薄膜光学性能的影响
• 3.2.2 射频功率的影响
• 3.2.2.1 功率对薄膜微结构的影响
• 3.2.2.2 功率对薄膜电学性能的影响
• 3.2.2.3 功率对薄膜光学性能的影响
• 3.2.3 硅烷浓度的影响
• 3.2.3.1 硅烷浓度对薄膜微结构的影响
• 3.2.3.2 硅烷浓度对薄膜电学特性的影响
• 3.2.3.3 硅烷浓度对薄膜光学特性的影响
• 3.2.4 衬底温度的影响
• 3.2.4.1 温度对薄膜微结构的影响
• 3.2.4.2 温度对薄膜电学特性的影响
• 3.2.4.3 温度对薄膜光学特性的影响
• 3.3 本章小结
• 4. HIT 异质结太阳能电池制备和性能研究
• 4.1 HIT 异质结太阳能电池的制备和测试
• 4.1.1 电池的结构和原理
• 4.1.2 电池的基本参数
• 4.1.3 电池的制备过程
• 4.1.4 电池的测试
• 4.2 N 层工艺对电池性能的影响
• 4.2.1 掺杂对电池性能的影响
• 4.2.2 N 层厚度对电池性能的影响
• 4.3 I 层影响
• 2O₃钝化层对电池性能的影响'>4.4 Al₂O₃钝化层对电池性能的影响
• 2O₃薄膜'>4.4.1 ALD 制备 Al₂O₃薄膜
• 2O₃的特性'>4.4.2 Al₂O₃的特性
• 2O₃的工艺'>4.4.3 Al₂O₃的工艺
• 4.4.4 结果和分析
• 4.5 本章小结
• 5. 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢