納米硅薄膜太陽電池優(yōu)化研究.pdf

1、硅太陽電池在迅速發(fā)展的光伏發(fā)電技術領域中一直占據著主導地位，尤其單晶硅太陽電池和多晶硅太陽電池更被視為了太陽電池的主流產品，但由于其價格昂貴和材料短缺已不能滿足經濟社會快速發(fā)展的需求。目前第二代硅薄膜型太陽電池逐漸成為硅太陽電池應用和發(fā)展的主流，然而非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜等太陽電池均存在不同程度的光致衰退效應，也不可能產生“多重激發(fā)”效應，因此在理論和實踐上都無法突破太陽電池的Shockley Queisser極限(32.8

2、％)效率。隨著納米科學技術和納米光電子技術的興起和發(fā)展，人們已認識到利用納米材料所具有的獨特性能設計和研發(fā)太陽電池，是突破“低轉換效率、高制造成本、短使用壽命和低穩(wěn)定性”太陽電池瓶頸的唯一途徑。迄今為止，納米硅薄膜方面研究雖然已很多，但對納米硅薄膜沉積機制、微結構特征、光學特性、電學特性和力學特性仍未形成統(tǒng)一認識，這一問題嚴重阻礙了納米硅薄膜材料及其太陽電池的進一步研發(fā)。
　　 論文從硅薄膜材料入手，主要對納米硅薄膜太陽電池窗口

3、層和光吸收層進行了理論研究和實驗研究。通過給等離子體化學氣相沉積系統(tǒng)施加直流負偏壓的方法對納米硅薄膜的制備方法進行了改進與完善，深入地分析了納米硅薄膜的制備工藝及其沉積機制；利用原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀研究了納米硅薄膜的表面形貌特征和微結構特征；采用傅立葉變換紅外光譜研究了納米硅薄膜的組態(tài)特征；使用紫外-可見光透射光譜儀、四探針電阻測試儀和納米壓痕儀分別對薄膜的光學特性、電學特性和力學特性進行了較為系統(tǒng)地研究，獲得的主要研

4、究內容和成果包括以下幾個方面：
　　 首先，實驗發(fā)現(xiàn)納米硅薄膜正常生長時反應基團的成核與結晶過程受到硼摻入的影響而導致薄膜中形成大量不完整的細微硅晶粒。硼烷和硅烷之間的濃度比例由2％增加5％時，摻硼納米硅薄膜的晶態(tài)比和晶粒平均尺寸分別由40.5％和4.7nm減少到32.0％和2.3nm，說明其微結構向非晶態(tài)過渡。經過退火處理后，晶粒分布有序性增加，表現(xiàn)出較高的電導率和較寬的光學帶隙特征，因此摻硼納米硅薄膜是替代摻硼非晶硅薄膜作為

5、太陽電池窗口層的可選擇性材料。
　　 第二，基于等離子體化學氣相沉積技術制備納米硅薄膜的特點，論文分析了襯底溫度、射頻功率、直流負偏壓和硅烷濃度等關鍵工藝參數對本征納米硅薄膜微結構和光學特性的影響。實驗中發(fā)現(xiàn)氫原子可飽和薄膜中的部分懸掛鍵而形成Si-H鍵。薄膜的致密程度、鍵畸變程度和懸掛鍵數目與其晶態(tài)比有關。提高晶態(tài)比可使一部分帶尾態(tài)和帶隙態(tài)分別轉化為擴展態(tài)或消失。晶態(tài)比還影響了氫原子溢出的程度和Si-H鍵的數目而造成光學帶隙隨

6、晶態(tài)比增大而呈下降趨勢。
　　 此外，研究還發(fā)現(xiàn)納米硅薄膜中Si-Si鍵受氫原子的影響而造成薄膜的光學帶隙由間接帶隙向直接帶隙發(fā)生轉變，表明薄膜的光學帶隙與硅氫鍵合模式緊密相關。氫的摻入將引起薄膜價帶產生化學位移導致價帶移向更低的能量狀態(tài)；氫原子有利于提高非晶硅網絡中納米結構的有序性，并有效地降低硅薄膜中存在的懸掛鍵缺陷態(tài)密度，從而減少帶隙中非輻射復合中心。
　　 第三，納米硅薄膜中存在多種形式的硅氫鍵組合模式，這些組合

7、分別對應傅立葉變換透射光譜中不同的振動模峰。雙峰高斯擬合僅考慮SiH、SiH2的貢獻，忽略了SiH3鍵合模式，在計算納米硅薄膜的氫含量、結構因子和化學鍵合力學常數時存在一定的誤差。論文提出了三峰高斯擬合計算法，該計算法可較準確地得出納米硅薄膜的氫含量、結構因子和化學鍵合力學常數，基于此方法論文分析了薄膜化學組分上對納米硅薄膜光學帶隙的影響，得出薄膜中各種化學鍵、基團結構和內應力等因素的綜合作用是造成薄膜光學帶隙差異性的原因的結論。

8、>　　 第四，據于實驗結果，利用等效方法建立了納米硅薄膜的光學模型，對薄膜的吸收系數和光學帶隙進行了計算，將計算結果與實驗結果進行了比較；對實驗結果與模擬結果存在差異的原因進行了分析，并給出了合理解釋。在理論上得出了晶態(tài)比、晶粒平均尺寸與薄膜光學帶隙的定量變化關系表達式。
　　 最后，氫稀釋比是影響納米硅薄膜表面形貌特征和力學特性的關鍵因素之一。實驗發(fā)現(xiàn)適當控制氫稀釋比，可促進薄膜成核率，氫原子在薄膜表面移動(刻蝕)硅原子后使