玻璃基太阳能电池薄膜材料制备及其结构和性能研究

【摘要】： 在平板玻璃衬底上开展大面积、低成本的透明导电薄膜和太阳能薄膜材料的制备技术研究，对开发利用太阳能、降低成本和推动实用化进程具有重要的意义。该项目的研究对发展新的环境协调型材料和生态建筑材料、保护环境和实现可持续发展具有重要意义。 本文在系统总结和全面分析用于太阳能电池的透明导电薄膜、多晶硅薄膜材料和氟碳自洁净薄膜材料的研究现状基础上，深入研究了掺杂SnO_2导电薄膜和ITO透明导电薄膜的制备技术，系统地研究了Sol-Gel制备工艺参数、F、Sb离子的掺杂量，磁控溅射ITO薄膜的工艺参数、热处理条件等对透明导电膜的的微观结构与电性能的影响。研究了等离子体增强化学气相沉积a-Si薄膜工艺参数和金属诱导晶化的工艺参数对制备的poly-Si薄膜的微观结构和光电性能的影响。通过大量实验研究，取得了如下一些创新性成果： (1)采用改进的Sol-Gel法制备出均匀致密、晶粒大小约为10nm的SnO_2：F透明导电薄膜，其透光率达到85％，方块电阻约为20-30Ω／□。 (2)利用Sol-Gel法制备出SnO_2：Sb透明导电薄膜。Sb掺杂浓度为5％的SnO_2透明导电薄膜具有最低的方块电阻78Ω／□，载流子浓度可达1.1×10~(21)cm~(-3)，迁移率为1.46cm~2V~(-1)·s~(-1)，可见光平均透过率为75％。 (3)以90 wt％In和10 wt％Sn铟锡合金和氧化铟锡陶瓷靶为靶材，采用直流和射频磁控反应溅射法在玻璃基片制备出透过率高于85％，方块电阻小于10Ω的高取向生长的ITO透明导电薄膜。通过对几种不同导电薄膜的制备技术和导电薄膜材料性能的对比研究，获得了满足太阳能电池工艺一致性和整体性要求的TCO薄膜。 (4)利用PECVD设备在普通玻璃基片上沉积a-Si薄膜，采用铝诱导晶化法(AIC)在氮气气氛下进行快速退火处理成功地制备出晶化温度在500℃以下的poly-Si薄膜。 (5)设计了太阳能电池自洁净薄膜，并用射频溅射法成功制备了氟碳高分子疏水自洁净薄膜并进行了相关的机理的研究。该工作为制备高憎水性自洁净薄膜提供了新的视野和方法。 【关键词】：磁控溅射 溶胶-凝胶法 ITO PECVD 金属诱导晶化 a-Si薄膜 Poly-Si薄膜 疏水性
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TB383.2;TM914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-44
• 1.1 引言12-14
• 1.2 硅薄膜太阳能电池研究进展14-22
• 1.2.1 引言14-15
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理15-16
• 1.2.3 a-Si薄膜太阳能电池16-20
• 1.2.4 poly-Si薄膜太阳能电池20-21
• 1.2.5 硅基薄膜太阳能电池的发展趋势及应用前景21-22
• 1.3 二氧化锡透明导电薄膜的研究进展22-24
• 1.3.1 纯SnO_2薄膜22-23
• 1.3.2 掺锑SnO_2薄膜23
• 1.3.3 掺氟SnO_2薄膜23-24
• 1.4 ITO透明导电氧化物薄膜的性能24-28
• 1.4.1 ITO薄膜的结构及能带24-25
• 1.4.2 ITO薄膜的电学性质25-26
• 1.4.3 ITO薄膜的光学性质26-28
• 1.5 透明导电氧化物薄膜的制备方法28-34
• 1.5.1 磁控溅射镀膜28
• 1.5.2 脉冲激光沉积28-29
• 1.5.3 化学气相沉积29-30
• 1.5.4 溶胶—凝胶法30-33
• 1.5.5 喷射热分解法33-34
• 1.6 透明导电薄膜的研究现状及应用34-38
• 1.7 等离子增强化学气相沉积a-Si薄膜38-40
• 1.8 Poly-Si薄膜的制备方法40-42
• 1.9 本课题研究的目的和主要内容42-44
• 第2章 玻璃基掺氟SnO_2薄膜溶胶-凝胶法制备及其性能研究44-57
• 2.1 Sol-Gel工艺合成FTO薄膜的反应机理44
• 2.2 掺氟的SnO_2薄膜的导电机理44-46
• 2.3 实验过程46-49
• 2.3.1 SiO_2和FTO溶胶的配制46-47
• 2.3.2 玻璃衬底的清洗47-48
• 2.3.3 SiO_2薄膜的制备48
• 2.3.4 FTO导电薄膜的制备48-49
• 2.4 氟掺杂二氧化锡薄膜的结构和性能表征49-54
• 2.4.1 UV-Vis透过率分析49-50
• 2.4.2 XRD分析50-52
• 2.4.3 SEM分析52-53
• 2.4.4 XPS分析53-54
• 2.5 喷涂法制备SnO_2薄膜54-56
• 2.5.1 实验过程54-55
• 2.5.2 结果与讨论55-56
• 2.6 小结56-57
• 第3章 玻璃基掺Sb的SnO_2薄膜Sol-Gel法制备与性能研究57-70
• 3.1 引言57
• 3.2 实验过程57-60
• 3.2.1 Sol-Gel工艺合成SnO_2:Sb材料的反应机理57-58
• 3.2.2 Sb掺杂SnO_2溶胶的配制58-59
• 3.2.3 Sb掺杂SnO_2薄膜的制备59-60
• 3.3 不同热处理温度对薄膜结构和性能的影响60-64
• 3.3.1 镀膜试样的XRD测试分析60
• 3.3.2 镀膜试样的紫外-可见光透过率分析60-61
• 3.3.3 薄膜样品的XPS分析61-63
• 3.3.4 镀膜试样的SEM测试分析63
• 3.3.5 结果讨论与分析63-64
• 3.4 不同锑掺杂浓度对薄膜的结构和性能的影响64-69
• 3.4.1 薄膜样品的XRD分析64-65
• 3.4.2 薄膜试样的TEM测试分析65
• 3.4.3 镀膜试样的紫外—可见光透过率测试分析65-66
• 3.4.4 镀膜试样的XPS测试分析66-67
• 3.4.5 镀膜试样的电学性能测试分析67-68
• 3.4.6 结果与讨论分析68-69
• 3.5 小结69-70
• 第4章 磁控溅射制备ITO薄膜及其性能研究70-84
• 4.1 实验过程70-71
• 4.2 薄膜微观结构与性能表征的方法71-72
• 4.2.1 薄膜结构的测定71-72
• 4.2.2 薄膜表面形貌的测定72
• 4.2.3 薄膜成分的测定72
• 4.2.4 光学性能测定72
• 4.2.5 薄膜方阻及电阻率的测试72
• 4.3 铟锡合金靶制备ITO薄膜及性能表征72-77
• 4.3.1 氧分压对ITO薄膜光电性能的影响73-74
• 4.3.2 不同氧分压ITO薄膜XRD分析74-75
• 4.3.3 不同氧分压ITO薄膜SEM分析75-76
• 4.3.4 耐磨性和粘附性测试76
• 4.3.5 化学稳定性测试和刻蚀性测试76-77
• 4.4 铟锡陶瓷靶磁控溅射制备ITO薄膜77-82
• 4.4.1 衬底温度对ITO薄膜紫外透射光谱的吸收截止边带的影响78-79
• 4.4.2 衬底温度对ITO薄膜透过率的影响79-80
• 4.4.3 衬底温度对ITO薄膜晶相结构的影响80-81
• 4.4.4 氧分压对ITO薄膜透过率的影响81-82
• 4.5 小结82-84
• 第5章 a-Si薄膜PECVD制备及其性能研究84-89
• 5.1 PECVD法制备a-Si薄膜生长机理84-85
• 5.2 磷掺杂非晶硅薄膜的制备85-87
• 5.3 硼掺杂非晶硅薄膜的制备87-88
• 5.4 小结88-89
• 第6章 金属铝诱导a-Si薄膜制备Poly-Si薄膜89-101
• 6.1 铝膜厚度对非晶硅薄膜晶化的影响89-92
• 6.1.1 XRD分析89-90
• 6.1.2 Raman分析90-91
• 6.1.3 表面形貌分析91-92
• 6.2 退火温度对非晶硅薄膜晶化的影响92-96
• 6.2.1 XRD分析93-94
• 6.2.2 SEM分析94-95
• 6.2.3 Raman分析95-96
• 6.3 退火时间对非晶硅薄膜晶化的影响96-99
• 6.3.1 XRD分析97-98
• 6.3.2 Raman分析98-99
• 6.3.3 薄膜样品的形貌分析99
• 6.4 小结99-101
• 第7章 氟碳疏水自洁净薄膜磁控溅射法制备及性能研究101-108
• 7.1 前言101
• 7.2 实验101-103
• 7.2.1 薄膜的制备101-102
• 7.2.2 薄膜的表征及表面能的测试102-103
• 7.3 结果与讨论103-107
• 7.3.1 溅射气氛对薄膜表面形态的影响103-104
• 7.3.2 XPS分析104-106
• 7.3.3 薄膜疏水性及表面能分析106-107
• 7.4 小结107-108
• 第8章 结论108-110
• 参考文献110-119
• 致谢119-120
• 攻读博士学位期间发表的论文120

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