非晶硅-晶體硅異質(zhì)結(jié)界面及電池性能研究.pdf

1、太陽能光伏發(fā)電是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，太陽電池是直接將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的半導體器件。提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率并降低電池制造成本是光伏發(fā)電的必然趨勢。
　　 目前，單結(jié)晶體硅電池的實驗室最高效率為25％，商業(yè)化電池的最高效率也達到20％以上，其中以日本三洋HIT電池和美國Sunpower的全背接觸電池為典型，效率分別為(23％，2009年；24.2％，2010年)。HIT結(jié)構(gòu)電池相對而言結(jié)構(gòu)簡單，受到更多科研人員的青睞。

2、　　 本論文對a-Si/c-Si異質(zhì)結(jié)及其太陽電池性能進行了以下幾個方面的研究：(1)研究了非晶硅/晶體硅(a-Si/c-Si)界面的復合中心和復合機制，并提出改進界面質(zhì)量和降低界面復合速度的方案；(2)從理論和實驗上驗證了改善非晶硅/晶體硅(a-Si/c-Si)界面質(zhì)量的可行性，結(jié)合實驗進行詳細分析；(3)分析了鈍化介質(zhì)膜中電荷極性和密度在不同摻雜類型/摻雜濃度的襯底上，對襯底表面鈍化質(zhì)量的影響；(4)建立TCO/a-si(n+)/

3、C-si(p)/Al-BSF(p+)異質(zhì)結(jié)電池模型，采用AFORS-HET軟件系統(tǒng)分析了影響異質(zhì)結(jié)電池性能的主要參數(shù)，并通過參數(shù)優(yōu)化在P-type襯底上獲得了22.27％的電池效率。
　　 論文第二章主要研究了載流子不同注入條件下，限制晶體硅體材料中光生載流子復合速度的主要因素。分析發(fā)現(xiàn)，晶體硅襯底表面鈍化質(zhì)量的改善能顯著提高電池的開路電壓(Voc)。在載流子低注入條件下，襯底表面空間電荷區(qū)內(nèi)復合是降低電池填充因子(FF)的主要

4、因素。對實現(xiàn)高效非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池的關(guān)鍵因素進行了詳細分析。
　　 論文第三章研究分析了非晶硅/晶體硅界面的復合機制，研究發(fā)現(xiàn)帶尾缺陷態(tài)對載流子的俘獲截面遠小于懸掛鍵復合中心的俘獲截面，從而在非晶硅體材料內(nèi)部，僅考慮懸掛鍵復合中心對載流子的復合；非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)界面復合與非晶硅體材料內(nèi)部復合機制類似，都是以懸掛鍵為主導的復合機制。提出了改善非晶硅/晶體硅界面鈍化質(zhì)量的主要方向及可行性方案。
　　 論文第四章從實

5、驗上分析了影響HWCVD沉積硅薄膜性能的主要參數(shù)：氫稀釋比例、襯底溫度，沉積氣壓及摻雜濃度等。研究了非晶硅/晶體硅界面鈍化質(zhì)量改善的新思路。實驗證明，在載流子低注入條件下，對于a-Si/c-Si結(jié)構(gòu)，輕摻雜非晶硅(P-type或N-type)比本征非晶硅在c-Si襯底上能產(chǎn)生更有效的鈍化質(zhì)量；(2)采用a-SiNx/a-Si(i)疊層鈍化結(jié)構(gòu)，利用a-SiNx薄膜中的高密度正電荷，實現(xiàn)對a-Si(i)/c-Si界面懸掛鍵帶電狀態(tài)的調(diào)控。

6、實驗證明，在一定程度上，a-SiNx薄膜能調(diào)控a-Si(i)/c-Si界面懸掛鍵的帶電狀態(tài)，實現(xiàn)界面鈍化質(zhì)量的提高。此外，本章節(jié)還研究了高效晶體硅電池中常用的鈍化介質(zhì)膜SiO2、a-SiNx、Al2O3的鈍化機理。研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)中的電荷極性和密度對介質(zhì)在不同摻雜類型/摻雜濃度的襯底上的鈍化質(zhì)量有顯著影響。對輕摻雜襯底(P-type/N-type)：表面介質(zhì)高密度正/負電荷都能顯著降低界面復合速度，但是由于界面缺陷態(tài)對電子和空穴俘獲截面的

7、嚴重不對稱性，不同極性電荷在襯底表面產(chǎn)生的最低復合速度有明顯差別；對高摻雜襯底或發(fā)射結(jié)表面(P-type/N-type)：介質(zhì)中電荷極性的選擇對發(fā)射結(jié)表面鈍化質(zhì)量的提高非常重要，特別是載流子低注入水平條件下，襯底表面空間電荷區(qū)內(nèi)的復合受鈍化介質(zhì)中電荷極性的影響非常大。富含正電的鈍化介質(zhì)膜在N-type發(fā)射結(jié)表面有較優(yōu)的鈍化效果(如SiO2，a-SiNx)，而富含負電的鈍化介質(zhì)膜在P-type發(fā)射結(jié)表面有較優(yōu)的鈍化效果(如Al2O3)。<

8、br>　　 論文第五章首先建立了TCO/a-si(n+)/c-si(p)/Al-BSF(p+)異質(zhì)結(jié)電池模型，采用AFORS-HET軟件對影響異質(zhì)結(jié)電池性能的各項參數(shù)進行了系統(tǒng)分析。模擬研究發(fā)現(xiàn)，TCO材料和a-Si(n+)發(fā)射結(jié)特性(摻雜濃度、厚度以及電子親和勢)顯著影響電池的Voc和Jsc。對于引入本征層的異質(zhì)結(jié)電池，發(fā)射結(jié)Ndop>1E20是獲得高效異質(zhì)結(jié)電池效率的必要條件，對于無本征層的異質(zhì)結(jié)電池，其需要更高的發(fā)射結(jié)摻雜濃度來

9、達到相似的電池性能，但發(fā)射結(jié)高摻雜會使a-Si/c-Si界面懸掛鍵態(tài)密度強烈依賴摻雜濃度；由于高摻雜發(fā)射結(jié)內(nèi)部載流子俄歇復合概率非常高，對發(fā)射結(jié)厚度的優(yōu)化也非常重要。非晶硅發(fā)射結(jié)最優(yōu)厚度為TCO/a-Si(n+)和a-Si(n+)/c-si(p)分別在a-si(n+)的耗盡層厚度之和，當其厚度小于最優(yōu)厚度，TCO/a-Si(n+)和a-Si(n+)/c-Si(p)在空間電荷區(qū)發(fā)生電場重疊，從而導致異質(zhì)結(jié)電池Voc的降低；a-Si/c-S

10、i界面態(tài)密度Dit的研究顯示，相對異質(zhì)結(jié)電池短路電流(Jsc)，Voc更容易受到界面態(tài)的影響。當Dit>1E11，異質(zhì)結(jié)電池voc牛苷會被限制在600mV以下，而異質(zhì)結(jié)電池短路電流在Dit>8E12才開始有比較明顯的降低。從而降低a-Si/c-Si界面懸掛鍵復合中心以及沉積高質(zhì)量非晶硅材料是獲得高效率異質(zhì)結(jié)電池的關(guān)鍵。通過各項參數(shù)優(yōu)化，最后獲得了P-type晶體硅22.27％的電池效率，對實驗上制備高效非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)電池有一定的指