微晶硅鍺太陽電池的光電模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微晶硅鍺薄膜具有高吸收系數(shù)、窄帶隙等特點(diǎn),是非常有前景的太陽電池吸收層材料。目前,該材料經(jīng)過不斷的優(yōu)化已初步應(yīng)用于太陽電池中,但是如何才能發(fā)揮該材料的最大優(yōu)勢(shì)則需要從電池結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行全面的理論研究,為此,本論文首先采用RF-PECVD技術(shù),對(duì)微晶硅鍺薄膜的制備工藝進(jìn)行了探索,并以獲得的薄膜參數(shù)為基礎(chǔ),對(duì)微晶硅鍺太陽電池進(jìn)行了系統(tǒng)的光電模擬研究,本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　第一,通過實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化,我們確定出μc-Si1-xG

2、ex∶H薄膜的制備參數(shù):總流量、反應(yīng)氣壓、襯底溫度、輝光功率和電極間距分別為350 sccm、300Pa、200℃、10W和10mm。硅鍺濃度隨鍺含量的不同保持在2％至1％之間。為同時(shí)提取微晶硅鍺薄膜的兩個(gè)光學(xué)常數(shù)一折射率和吸收系數(shù),我們建立了一種由透射譜出發(fā)并結(jié)合多層結(jié)構(gòu)模型以及柯西色散公式的Matlab方法,與傳統(tǒng)Swanepeol方法、PUMA方法相比,Matlab法通過透射率極值的位置而非幅值來計(jì)算折射率,能夠有效避免幅值大小偏

3、差所造成的影響,得到更準(zhǔn)確的光學(xué)常數(shù),擬合精度能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。計(jì)算結(jié)果表明微晶硅鍺在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)有更高的吸收系數(shù)和折射率,并且二者隨鍺含量增加而增加。
　　第二,為了模擬微晶硅鍺電池結(jié)構(gòu)中的陷光結(jié)構(gòu),本文建立了一套完整的絨面散射建模方法,即基于Reyleigh-Sommerfeld理論的Matlab方法。并針對(duì)隨機(jī)形貌、周期形貌、疊加形貌三種不同形貌的四類散射(透射散射、反射散射、斜入透射射散、斜入射反射散射)特性分別進(jìn)行了建

4、模分析。并且提出了一種新型的散射結(jié)構(gòu),即由周期結(jié)構(gòu)和隨機(jī)結(jié)構(gòu)所疊加而成的復(fù)合結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn)由于存在隨機(jī)散射機(jī)制和周期散射機(jī)制兩種不同的散射機(jī)制,因而能夠?qū)崿F(xiàn)比任意分立結(jié)構(gòu)更好的散射特性,并且其散射特性由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尺寸占主導(dǎo)所對(duì)應(yīng)的散射機(jī)制來決定。
　　第三,基于微晶硅鍺的光學(xué)參數(shù)以及所建立的散射模型,對(duì)微晶硅鍺單結(jié)及疊層電池進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究。在光學(xué)結(jié)構(gòu)限制下單結(jié)微晶硅鍺電池的轉(zhuǎn)化效率極限可達(dá)14％以上。對(duì)于高鍺含量微晶硅鍺

5、電池,種子層加上平滑鍺烷梯度層這一復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效改善P/I界面。而對(duì)于I/N界面,硅烷梯度層是最佳的選擇。經(jīng)過優(yōu)化,在無背反、本征層厚度僅為650nm的情況下獲得了初始效率為4.63％(Jsc=19.17mA/cm2,Voc=0.43V, FF=0.56)的單結(jié)PIN型μc-Si0.65Ge0.35∶H電池。在電池總厚度約為0.9μm的情況下,獲得了初始效率為10.36％(Jsc=11.72mA/cm2,Voc=1.274V, FF=0

6、.684)的a-Si∶H/μc-Si0.65Ge0.35∶H疊層電池。
　　第四,為了實(shí)現(xiàn)微晶硅鍺疊層電池光電一體化模擬,我們建立了一種新型的TRJ-F/TRJ-M/TRJ-B隧穿結(jié)模型,并發(fā)現(xiàn)它需滿足三個(gè)核心梯度:帶隙梯度為1.7eV/1.1 eV/1.7eV,施主型隙態(tài)梯度為1×1015cm-3/5×1021cm-3/1×1020cm-3,受主型隙態(tài)梯度1×1015cm-3/5×1021cm-3/5×1021cm-3。通過對(duì)帶