基于硅納米線-硅薄膜-ZnO-Al異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽電池材料研究.pdf

1、為了開發(fā)低成本、高效、環(huán)境友好以及材料來源豐富的新一代光伏電池,迫切需要人們對太陽電池的理論研究、新材料開發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行創(chuàng)新,發(fā)展第三代太陽電池技術(shù)。本文主要從新型第三代太陽電池以上特征角度出發(fā),提出了基于硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的新型異質(zhì)太陽電池,它采用來源豐富、產(chǎn)業(yè)化成熟的硅作為其主要原材料,將低品質(zhì)的單晶硅通過金屬催化腐蝕法刻蝕成納米線陣列結(jié)構(gòu);然后在其上通過增強等離子體氣相沉積法(PECVD)沉積本征微晶硅及摻雜非晶硅薄膜層;同

2、時,采用對環(huán)境無污染的摻鋁氧化鋅(ZnO:Al)透明導(dǎo)電膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬柵形電極和有毒的氧化銦錫(ITO)薄膜進一步降低對環(huán)境污染,最終制備出具有產(chǎn)業(yè)化前景的新型高效異質(zhì)太陽電池。具體研究內(nèi)容如下:
　　首先采用新發(fā)展起來的金屬納米顆粒輔助無電極化學(xué)腐蝕方法,對普通單晶硅片進行刻蝕,制備硅納米線陣列結(jié)構(gòu)。研究了刻蝕過程中銀離子濃度、氫氟酸濃度以及刻蝕時間主要參數(shù)對制備硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律:硝酸銀濃度決定著前期吸附在

3、硅片表面銀顆粒的數(shù)量及顆粒尺寸大小,它直接影響對硅的氧化能力和刻蝕劑對硅片的刻蝕能力,對硅納米線陣列形成初期至關(guān)重要;當氫氟酸超過15％,刻蝕能力超過銀離子對硅的氧化能力,有效形成硅納米線陣列結(jié)構(gòu),超過該濃度后,其對硅納米線陣列的影響主要體現(xiàn)在刻蝕速率方面;刻蝕時間對硅納米線陣列形成影響較小,只隨著刻蝕時間繼續(xù)增加,硅納米線長度呈線性增加。然后根據(jù)主要影響參數(shù)對硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律的研究,改進方法,進一步提高對硅納米線陣列制備的控

4、制,研究了硅納米線陣列生長機制,得到了以下結(jié)果:硅片表面起初是由銀納米顆粒形成的網(wǎng)絡(luò)所覆蓋,通過觀察刻蝕前后銀納米顆粒的位置和刻蝕硅納米線陣列所形成的腐蝕坑道路徑,確定了硅納米線陣列形成是隨著刻蝕的進行銀顆粒最終沉陷到硅納米線底部,硅納米線間的空隙為銀納米顆粒網(wǎng)絡(luò)下陷時所形成的路徑;因此通過改變第一步中銀納米顆粒的沉積時間,有效控制了吸附在硅片表面的銀納米顆粒大小及分布,最終能夠很好的控制硅納米線陣列結(jié)構(gòu)。
　　然后在制備好的納米

5、線陣列單晶硅片襯底上沉積制備本征微晶硅層為重點,通過SEM圖、Raman光譜、FTIR吸收譜等測試分析,研究了硅烷濃度和襯底溫度對微晶硅薄膜的表面形貌、晶化率、氧含量等影響。然后在其上在沉積一層N型非晶硅摻雜層,通過改變摻雜濃度和射頻功率,研究了其對N層非晶硅薄膜沉積速率及其性能的影響。最終確定制備微晶硅本征薄膜最佳參數(shù)為:硅烷濃度為4%、襯底溫度為300℃、射頻功率為200W,沉積氣壓為133Pa,沉積速率為1.81nm/min;N層

6、非晶硅薄膜的最佳參數(shù):磷摻雜濃度為2%,射頻功率為180W,硅烷濃度為10%,襯底溫度為300℃,腔室氣壓為133Pa,暗電導(dǎo)率為2.37×10-3S/cm,沉積速率為2.5nm/min。
　　接著對太陽電池透明窗口電極進行研究,采用射頻磁控濺射方法,動態(tài)沉積制備了大尺寸 ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜,并在分析薄膜均勻性基礎(chǔ)上,通過對ZnO:Al薄膜沉積速率、結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)的分析,研究了不同濺射功率、襯底溫度、沉積氣壓的影響。為了進一

7、步降低薄膜電阻率,通過在濺射氣氛中通入一定比例H2對ZnO:Al薄膜進行氫化處理,研究了氫化處理后襯底溫度和濺射氣氛中H2含量對ZnO:Al薄膜性能的影響。氫化處理可以有效提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量、降低電阻率,且在低溫條件下對薄膜結(jié)晶質(zhì)量和電阻率的改善更為明顯,最終在低溫100℃通入4%H2含量時,獲得本文最低電阻率6.0×10-4??cm。
　　最后,通過對電池結(jié)構(gòu)中的三種關(guān)鍵材料進行了深入研究,提出了基于硅納米線陣列的異質(zhì)太陽電池的設(shè)

8、計,制備出了基于硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的新型異質(zhì)太陽電池。研究不同 ZnO:Al透明導(dǎo)電膜厚度和硅納米線陣列長度對p-SiNWs/i-μc-Si/n-a-Si/ZnO:Al結(jié)構(gòu)HIT太陽電池的性能影響發(fā)現(xiàn):采用50nm厚的 ZnO:Al透明導(dǎo)電膜作為電池的窗口電極、5μm長的硅納米線陣列后,電池開路電壓、短路電流、填充因子和轉(zhuǎn)化效率獲得最大值,分別為527.77mV、22.16mA/cm2、50.40%和5.89%,此時光譜響應(yīng)也獲得了最佳值