纳米硅薄膜太阳能电池的制备和性能研究

【摘要】：目前人类面临的环境污染和能源危机越来越严峻，开发可再生的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为绿色能源，取之不尽，又无污染，是人类实现可持续发展的重要途径。到2010年，全球的太阳能电池发电总量已达到4GW，每年的增幅更是达到了30%。目前较为普及的晶体硅太阳能电池存在成本较高，原材料消耗较大的问题，而非晶硅又存在光致衰减，其他化合物太阳能电池对环境有污染。氢化纳米硅薄膜太阳能电池由于避免了前者的缺点，越来越被人们所重视。 氢化纳米硅(nc-Si:H)是一种硅纳米晶粒镶嵌在(a-Si:H)网络里的硅纳米材料。纳米尺寸效应使其拥有优异的光敏性、光电特性、高电导率、高光吸收系数和高光学带隙，其光电导在光照条件下衰减较小。量子尺寸效应使纳米硅薄膜的光学带隙与薄膜的晶态比和晶粒大小具有一定的变化规律。其优异的特性可用于制备氢化纳米硅(nc-Si:H)薄膜太阳能电池。 氢化纳米硅(nc-Si:H)/单晶硅(c-Si)异质结太阳能电池既发挥了晶体硅高迁移率的优势，又利用了低温的薄膜沉积工艺，同时，电池的制备工艺简单，拥有实现制备低成本、高效率太阳能电池的发展前景。 本论文主要研究内容如下： 1、利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)制备掺磷(nc-Si:H)薄膜，分析射频功率、硅烷浓度、衬底温度以及掺杂浓度对(nc-Si:H)薄膜的晶态比、晶粒大小、电导率和光学带隙的影响。通过调整工艺，优化了掺磷(nc-Si:H)薄膜的微结构和性能，为制备HIT异质结太阳能电池和p-i-n太阳能电池做好了铺垫。 2、介绍了nc-Si:H(N)/a-Si:H(I)/c-Si(P)异质结薄膜(HIT)太阳能电池的原理，制备过程；研究了N层掺杂浓度、厚度对HIT太阳能电池性能的影响；研究了有无本征层以及本征层的厚度对电池的影响；研究了Al_2O_3钝化层对电池性能的影响。 【关键词】：氢化纳米硅薄膜 异质结太阳能电池 等离子增强沉积
【学位授予单位】：常州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1. 绪论8-13
• 1.1 全球能源形势8-9
• 1.2 太阳能电池的特点和类型9
• 1.3 晶体硅太阳能电池的研究进展9-10
• 1.3.1 单晶硅太阳能电池9
• 1.3.2 多晶硅太阳能电池9-10
• 1.4 薄膜太阳能电池的研究进展10-12
• 1.4.1 硅基薄膜太阳能电池10-11
• 1.4.2 化合物半导体薄膜太阳能电池11
• 1.4.3 染料敏化太阳能电池11-12
• 1.5 本论文的目的和研究内容12
• 1.6 本论文的安排12-13
• 2. 氢化纳米硅薄膜的特性、制备方法以及表征测试13-21
• 2.1 氢化纳米硅薄膜的特性13
• 2.2 氢化纳米硅薄膜的制备方法13-14
• 2.3 PECVD 及其沉积原理14-15
• 2.3.1 等离子体化学气相沉积(PECVD)14-15
• 2.3.2 氢化纳米硅薄膜 PECVD 沉积机制15
• 2.4 氢化纳米硅薄膜的微结构，光电学特性的表征方法15-21
• 2.4.1 X 射线衍射（XRD）15-16
• 2.4.2 拉曼光谱（Raman）16-18
• 2.4.3 原子力显微镜（AFM）18
• 2.4.4 紫外透射光谱（UV）18
• 2.4.5 红外光谱（IR）18-19
• 2.4.6 场发射扫描电镜（FESEM）19
• 2.4.7 Keithely 2400 Series SourceMeter 电流源／电压源表19-20
• 2.4.8 光暗电导率测试（High Resistance Meter）20-21
• 3. PECVD 法制备掺磷纳米硅薄膜21-41
• 3.1 样品的制备21-26
• 3.1.1 实验设备22-24
• 3.1.2 反应气体与衬底24
• 3.1.3 样品的制备24-26
• 3.2 结果与分析26-40
• 3.2.1 掺杂浓度的影响27-33
• 3.2.1.1 掺杂对薄膜微结构的影响28-30
• 3.2.1.2 掺杂对薄膜电学性能的影响30-31
• 3.2.1.3 掺杂对薄膜光学性能的影响31-33
• 3.2.2 射频功率的影响33-35
• 3.2.2.1 功率对薄膜微结构的影响33-34
• 3.2.2.2 功率对薄膜电学性能的影响34
• 3.2.2.3 功率对薄膜光学性能的影响34-35
• 3.2.3 硅烷浓度的影响35-37
• 3.2.3.1 硅烷浓度对薄膜微结构的影响35-36
• 3.2.3.2 硅烷浓度对薄膜电学特性的影响36-37
• 3.2.3.3 硅烷浓度对薄膜光学特性的影响37
• 3.2.4 衬底温度的影响37-40
• 3.2.4.1 温度对薄膜微结构的影响38-39
• 3.2.4.2 温度对薄膜电学特性的影响39
• 3.2.4.3 温度对薄膜光学特性的影响39-40
• 3.3 本章小结40-41
• 4. HIT 异质结太阳能电池制备和性能研究41-54
• 4.1 HIT 异质结太阳能电池的制备和测试41-47
• 4.1.1 电池的结构和原理41-44
• 4.1.2 电池的基本参数44-45
• 4.1.3 电池的制备过程45-46
• 4.1.4 电池的测试46-47
• 4.2 N 层工艺对电池性能的影响47-49
• 4.2.1 掺杂对电池性能的影响48
• 4.2.2 N 层厚度对电池性能的影响48-49
• 4.3 I 层影响49-50
• 4.4 Al_2O_3钝化层对电池性能的影响50-53
• 4.4.1 ALD 制备 Al_2O_3薄膜50-51
• 4.4.2 Al_2O_3的特性51
• 4.4.3 Al_2O_3的工艺51-52
• 4.4.4 结果和分析52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5. 总结与展望54-55
• 参考文献55-61
• 攻读学位期间的研究成果61-62
• 致谢62

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