多晶硅及碲化镉薄膜光伏材料关键制备技术的研究

【摘要】：光伏材料需要兼顾较高的光电转换效率和较低成本的工业化生产的要求,而多晶硅薄膜兼具体硅的优异光电性能及非晶硅薄膜的低成本的优点,而且资源丰富没有毒性,又拥有高的转化效率的潜力；CdTe为直接能隙半导体,与太阳光谱接近理想的匹配,因此有较高的转化效率,且由于CdTe太阳电池结构简单,制备方法多样,也具低成本、便于大面积生产的特点。因此多晶硅薄膜太阳电池和碲化镉薄膜太阳电池很有可能成为未来市场的主导产品。 但是,多晶硅薄膜太阳电池和碲化镉薄膜太阳电池某些关键工艺还存在一些问题,使得这两种薄膜太阳电池距离满足廉价光伏材料的目标还有一定差距。本论文就针对多晶硅薄膜太阳电池后氢化处理工艺、铝诱导晶化工艺和碲化镉薄膜太阳电池中的背接触等关键工艺进行研究,试图从材料研究角度,使其满足光伏产业高转换效率和低成本的要求。 文中具有创新性的研究包括以下内容： (1)针对SPC法制备的CSG多晶硅薄膜太阳电池,其晶界和晶粒内部常含有的大量的缺陷态,严重影响其制备的器件性能和稳定性,需要进行后氢等离子钝化处理。当前使用该方法的多,但是对其微观机制深入揭示的较少。我们利用OES谱的直接观察将H等离子基元行为与被钝化物质关联起来,并对钝化后材料进行红外光谱、霍尔迁移率、拉曼光谱、吸收谱等手段的测试与详细分析,对其发挥关键作用的后氢化处理的等离子基元的表现及其与工艺(气压,温度,功率等)相结合,考察其微观效果,以期对氢化处理的物理机制进行探讨。发现氢化处理的开始阶段,氢等离子体的钝化作用占主导地位,H有能力进入薄膜内与硅键合,薄膜内的氢多以Si-H键形式存在的时候,其霍尔迁移率得到提高；而过长的氢化时间会使刻蚀和轰击作用更加明显,薄膜内Si-H2的数目明显增多,使薄膜的电学性能下降。氢化与多晶硅材料本身及其缺陷态类型有关。多晶硅材料氢化前所含的缺陷态数目越多,能够钝化的缺陷态就越多,霍尔迁移率提高的幅度就越大,氢化效果越明显。PE-SPC晶化的样品其缺陷态类型主要为晶界等处存在的大量悬挂键所造成的缺陷态,只需较低能量的H。实现钝化；而LP-SPC晶化样品以晶格缺陷为主,需要较高能量的Hβ和Hγ才能有效钝化其缺陷态；LP-MIC晶化样品主要含Ni杂质有关的缺陷态,能量适中的H*对其钝化效果更为明显。 利用这样的机理我们优化衬底温度、辉光功率和腔体压强等工艺参数,550℃10W 500 m Torr条件下PE-SPC poly-Si霍尔迁移率提高了84.9%；550℃10W 300m Torr条件下LP-MIC poly-Si霍尔迁移率提高了50.1%；550℃10W1200m Torr条件下LP-SPC poly-Si霍尔迁移率提高了56.7%。 (2)针对于使用Al诱导晶化的多晶硅电池,其实际效率低于理论值的主要原因是晶化多晶硅的内部含有残留的金属Al,成为复合中心,从而影响其制备的器件性能和稳定性。为此我们开发了溶液铝诱导晶化技术及氢等离子体铝诱导晶化技术,以期降低晶化工艺存在残留金属Al的浓度：前者利用控制铝溶液的浓度来控制非晶硅表面覆盖的铝含量,达到既能有效晶化又能减少晶化硅中金属残留的目的；后者将铝诱导晶化的退火过程在氢等离子体的气氛中进行来达到降低晶化工艺存在残留金属Al浓度的目的。另外这两种技术都试图以开辟更为廉价的电池制造工艺。前者省去真空过程,简化工艺。后者将铝诱导晶化的退火过程在氢等离子体的气氛中进行,这样可以将传统的退火与后氢化处理工艺合二为一。这样可以简化工艺,降低成本。通过实验发现它还能降低退火时间,克服铝诱导晶化低温时退火时间较长的缺点。利用这两种晶化方法制备多晶硅薄膜都尚属首次。 (3)针对CdTe薄膜太阳电池,其背接触问题成为目前实际制备的CdTe太阳电池效率与理论预期值相比有较大差距的主要原因之一。另外,CdCl2后处理在CdTe太阳电池的制备中起着重要作用。对此我们利用碳糊成膜法,将含Cu、Te的CdCl2浆状悬浊液涂覆在CdTe表面,进行一次后退火,将传统的CdCl2后处理和形成CuxTe缓冲层工艺合二为一。实验发现碳糊成膜法能达到使CdTe薄膜结晶、CdS和CdTe之间互溶的目的,实现CdCl2后处理的作用；形成CuxTe缓冲层,达到改善背接触的目的；此外,其制备的CdTe太阳电池含较少的Cu,能提高电池性能。碳糊成膜工艺制备CdTe太阳电池没有使用强酸也不包含真空过程,简单易行,可以较显著地降低成本,适合大面积生产。此种方法制备CdTe太阳电池背接触也尚属首次。 【关键词】：多晶硅太阳电池 后氢化处理 铝诱导晶化 CdTe太阳电池 背接触
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-42
• 第一节 光伏产业发展的重要意义14-17
• 1.1.1 能源危机、温室效应及太阳电池的发展14-15
• 1.1.2 世界各国对光伏产业的重视15-16
• 1.1.3 太阳电池对我国经济的重要意义16-17
• 第二节 太阳电池材料17-32
• 1.2.1 第一代太阳电池材料(体硅材料太阳电池)18-21
• 1.2.2 第二代太阳电池材料(薄膜太阳电池材料)21-32
• 第三节 多晶硅薄膜太阳电池研究现状及关键技术32-37
• 1.3.1 CSG多晶硅薄膜太阳电池33-35
• 1.3.2 铝诱导晶化多晶硅薄膜太阳电池35-37
• 第四节 碲化镉薄膜太阳电池研究现状及关键技术37-39
• 第五节 论文的研究内容和目的39-42
• 1.5.1 研究背景39
• 1.5.2 选题思路39-40
• 1.5.3 组织结构40-42
• 第二章 氢等离子钝化多晶硅薄膜的机理及优化研究42-70
• 第一节 引言42-44
• 2.1.1 氢钝化处理42-43
• 2.1.2 氢等离子体与多晶硅薄膜的相互作用43
• 2.1.3 氢钝化处理的物理机制43-44
• 第二节 实验过程44-47
• 2.2.1 氢化前驱物的制备44-45
• 2.2.2 氢化设备及工艺45-46
• 2.2.3 现场观测氢等离子体发射光谱46
• 2.2.4 氢化后薄膜光电性能的表征手段46-47
• 第三节 氢等离子对多晶硅薄膜的钝化作用47-52
• 2.3.1 氢等离子体钝化过程中的OES光谱47-48
• 2.3.2 氢等离子激元对多晶硅薄膜的钝化作用48-51
• 2.3.3 氢等离子体钝化多晶硅薄膜机制的探讨51-52
• 第四节 利用氢等离子钝化机制对氢化条件的优化52-60
• 2.4.1 衬底温度对氢化处理效果的影响52-57
• 2.4.2 RF功率对氢化处理效果的影响57-60
• 第五节 不同类型的多晶硅薄膜与其钝化所需等离子激元的对应关系60-66
• 2.5.1 不同钝化前趋物氢钝化过程中的OES谱60-62
• 2.5.2 氢化作用改善了不同钝化前趋物的电学性能62-63
• 2.5.3 氢化处理降低了不同钝化前趋物的缺陷态密度63-64
• 2.5.4 氢化处理改善了不同钝化前趋物结晶程度64-66
• 2.5.5 不同类型的多晶硅薄膜与其钝化所需等离子激元的对应关系66
• 第六节 利用不同类型的多晶硅薄膜所需等离子激元的对应关系对氢化条件的优化66-68
• 第七节 本章小结68-70
• 第三章 溶液铝诱导晶化技术70-91
• 第一节 引言70-71
• 第二节 铝诱导晶化技术71-78
• 3.2.1 铝诱导晶化技术发展历史71
• 3.2.2 铝诱导层交换晶化机制71-72
• 3.2.3 铝诱导晶化原理72-75
• 3.2.4 铝诱导晶化的晶化质量75-77
• 3.2.5 影响铝诱导晶化过程的主要因素77-78
• 3.2.6 溶液铝诱导晶化法78
• 第三节 实验过程78-80
• 第四节 溶液铝诱导晶化的晶化结果80-84
• 3.4.1 溶液铝诱导源成功晶化非晶硅薄膜80-82
• 3.4.2 溶液浓度的影响82-83
• 3.4.3 前驱物表面状态的影响83-84
• 第五节 溶液铝诱导源晶化机理的探讨84-90
• 3.5.1 溶液种类对晶化结果的影响的启示84-85
• 3.5.2 得到晶化样品表面的XPS测试85-86
• 3.5.3 得到晶化样品表面可能发生的化学反应86-87
• 3.5.4 得到晶化样品剖面的XPS测试87-88
• 3.5.5 溶液法铝诱导晶化的晶化机制88-90
• 第六节 本章小结90-91
• 第四章 氢等离子体铝诱导晶化多晶硅91-105
• 第一节 引言91
• 第二节 实验过程91-93
• 第三节 氢等离子体铝诱导晶化的晶化结果93-98
• 4.3.1 氢等离子体铝诱导晶化成功晶化非晶硅薄膜93-94
• 4.3.2 氢等离子体铝诱导晶化与传统的AIC进行对比94-95
• 4.3.3 不同退火温度的影响95-97
• 4.3.4 不同功率的影响97-98
• 第四节 氢等离子铝诱导晶化的机制探讨98-104
• 4.4.1 氢等离子氛围缩短铝诱导晶化的退火时间的机制探讨98-101
• 4.4.2 氢等离子氛围铝诱导晶化提高电学特性的机制探讨101-104
• 第五节 本章小结104-105
• 第五章 利用碳糊成膜法制备碲化镉薄膜太阳电池背接触105-118
• 第一节 引言105-106
• 第二节 碲化镉太阳电池的关键制备工艺106-112
• 5.2.1 CdTe薄膜太阳电池的背接触106-109
• 5.2.2 CdTe薄膜太阳电池的后退火处理109-110
• 5.2.3 CdS/CdTe界面互扩散110-111
• 5.2.4 碳糊成膜法制备CdTe背接触111-112
• 第三节 实验过程112-114
• 第四节 碳糊成膜制备碲化镉太阳电池背接触工艺性能表征114-117
• 5.4.1 材料特性114-115
• 5.4.2 I-V特性分析115-116
• 5.4.3 器件特性分析116-117
• 第五节 本章小结117-118
• 第六章 结论118-122
• 参考文献122-134
• 致谢134-135
• 个人简历135

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