多晶硅及碲化鎘薄膜光伏材料關(guān)鍵制備技術(shù)的研究.pdf

1、光伏材料需要兼顧較高的光電轉(zhuǎn)換效率和較低成本的工業(yè)化生產(chǎn)的要求,而多晶硅薄膜兼具體硅的優(yōu)異光電性能及非晶硅薄膜的低成本的優(yōu)點(diǎn),而且資源豐富沒有毒性,又擁有高的轉(zhuǎn)化效率的潛力；CdTe為直接能隙半導(dǎo)體,與太陽光譜接近理想的匹配,因此有較高的轉(zhuǎn)化效率,且由于CdTe太陽電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制備方法多樣,也具低成本、便于大面積生產(chǎn)的特點(diǎn)。因此多晶硅薄膜太陽電池和碲化鎘薄膜太陽電池很有可能成為未來市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。
　　 但是,多晶硅薄膜太陽電

2、池和碲化鎘薄膜太陽電池某些關(guān)鍵工藝還存在一些問題,使得這兩種薄膜太陽電池距離滿足廉價(jià)光伏材料的目標(biāo)還有一定差距。本論文就針對(duì)多晶硅薄膜太陽電池后氫化處理工藝、鋁誘導(dǎo)晶化工藝和碲化鎘薄膜太陽電池中的背接觸等關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究,試圖從材料研究角度,使其滿足光伏產(chǎn)業(yè)高轉(zhuǎn)換效率和低成本的要求。
　　 文中具有創(chuàng)新性的研究包括以下內(nèi)容:
　　 (1)針對(duì)SPC法制備的CSG多晶硅薄膜太陽電池,其晶界和晶粒內(nèi)部常含有的大量的缺陷態(tài),嚴(yán)

3、重影響其制備的器件性能和穩(wěn)定性,需要進(jìn)行后氫等離子鈍化處理。當(dāng)前使用該方法的多,但是對(duì)其微觀機(jī)制深入揭示的較少。我們利用OES譜的直接觀察將H等離子基元行為與被鈍化物質(zhì)關(guān)聯(lián)起來,并對(duì)鈍化后材料進(jìn)行紅外光譜、霍爾遷移率、拉曼光譜、吸收譜等手段的測(cè)試與詳細(xì)分析,對(duì)其發(fā)揮關(guān)鍵作用的后氫化處理的等離子基元的表現(xiàn)及其與工藝(氣壓,溫度,功率等)相結(jié)合,考察其微觀效果,以期對(duì)氫化處理的物理機(jī)制進(jìn)行探討。發(fā)現(xiàn)氫化處理的開始階段,氫等離子體的鈍化作用占

4、主導(dǎo)地位,H有能力進(jìn)入薄膜內(nèi)與硅鍵合,薄膜內(nèi)的氫多以Si-H鍵形式存在的時(shí)候,其霍爾遷移率得到提高；而過長(zhǎng)的氫化時(shí)間會(huì)使刻蝕和轟擊作用更加明顯,薄膜內(nèi)Si-H2的數(shù)目明顯增多,使薄膜的電學(xué)性能下降。氫化與多晶硅材料本身及其缺陷態(tài)類型有關(guān)。多晶硅材料氫化前所含的缺陷態(tài)數(shù)目越多,能夠鈍化的缺陷態(tài)就越多,霍爾遷移率提高的幅度就越大,氫化效果越明顯。PE-SPC晶化的樣品其缺陷態(tài)類型主要為晶界等處存在的大量懸掛鍵所造成的缺陷態(tài),只需較低能量的H

5、α實(shí)現(xiàn)鈍化；而LP-SPC晶化樣品以晶格缺陷為主,需要較高能量的Hβ和Hγ才能有效鈍化其缺陷態(tài)；LP-MIC晶化樣品主要含Ni雜質(zhì)有關(guān)的缺陷態(tài),能量適中的H*對(duì)其鈍化效果更為明顯。
　　 利用這樣的機(jī)理我們優(yōu)化襯底溫度、輝光功率和腔體壓強(qiáng)等工藝參數(shù),550℃10W500 m Torr條件下PE-SPC poly-Si霍爾遷移率提高了84.9％；550℃10W300 m Torr條件下LP-MIC poly-Si霍爾遷移率提高了5

6、0.1％；550℃10W1200m Torr條件下LP-SPC poly-Si霍爾遷移率提高了56.7％。
　　 (2)針對(duì)于使用Al誘導(dǎo)晶化的多晶硅電池,其實(shí)際效率低于理論值的主要原因是晶化多晶硅的內(nèi)部含有殘留的金屬Al,成為復(fù)合中心,從而影響其制備的器件性能和穩(wěn)定性。為此我們開發(fā)了溶液鋁誘導(dǎo)晶化技術(shù)及氫等離子體鋁誘導(dǎo)晶化技術(shù),以期降低晶化工藝存在殘留金屬Al的濃度:前者利用控制鋁溶液的濃度來控制非晶硅表面覆蓋的鋁含量,達(dá)到既

7、能有效晶化又能減少晶化硅中金屬殘留的目的；后者將鋁誘導(dǎo)晶化的退火過程在氫等離子體的氣氛中進(jìn)行來達(dá)到降低晶化工藝存在殘留金屬Al濃度的目的。另外這兩種技術(shù)都試圖以開辟更為廉價(jià)的電池制造工藝。前者省去真空過程,簡(jiǎn)化工藝。后者將鋁誘導(dǎo)晶化的退火過程在氫等離子體的氣氛中進(jìn)行,這樣可以將傳統(tǒng)的退火與后氫化處理工藝合二為一。這樣可以簡(jiǎn)化工藝,降低成本。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它還能降低退火時(shí)間,克服鋁誘導(dǎo)晶化低溫時(shí)退火時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。利用這兩種晶化方法制備多晶

8、硅薄膜都尚屬首次。
　　 (3)針對(duì)CdTe薄膜太陽電池,其背接觸問題成為目前實(shí)際制備的CdTe太陽電池效率與理論預(yù)期值相比有較大差距的主要因?yàn)橹弧Ａ硗?CdCl2后處理在CdTe太陽電池的制備中起著重要作用。對(duì)此我們利用碳糊成膜法,將含Cu、Te的CdCl2漿狀懸濁液涂覆在CdTe表面,進(jìn)行一次后退火,將傳統(tǒng)的CdCl2后處理和形成CuxTe緩沖層工藝合二為一。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳糊成膜法能達(dá)到使CdTe薄膜結(jié)晶、CdS和CdTe之間