非晶硅薄膜电池激光制绒及刻蚀技术研究

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人类正面临着能源危机与环境污染重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,对太阳能电池的研究与开发也变的日益重要。  非晶硅薄膜太阳电池具有制作工艺简单,成本低等优点,是一种很有发展前途的太阳电池。但是转换效率较低和稳定性较差两个缺点影响着其发展。研究发现在适当减小电池吸收层Ⅰ层的厚度情况下电池前电极透明导电薄膜制备绒面结构能够有效地增强入射光线的吸收率,提高电池的转换效率和稳定性。  湿化学刻蚀是目前最常用的透明薄膜制绒工艺,但是其绒面结构具有无序性,陷光效果不可控制,且制备过程会造成环境污染。  激光作为一种绿色加工技术,已经广泛应用于太阳能电池加工领域。激光制绒可以实现绒面结构规律性和陷光效果可调节性。  紫外(355nm)激光具有波长短,光子能量大等优点,可以直接打断材料原子之间的化学键,实现加工效果的“冷”加工,从而减小了激光加工区域的热影响。非常适合应用于非晶硅薄膜太阳能电池的加工工艺。  本文通过纳秒紫外激光改善在非晶硅薄膜太阳能电池中的激光加工工艺,实现电池的转换效率和稳定性的提高。主要内容包括:(1)激光制绒工艺研究。采用紫外激光进行透明导电薄膜制绒,改变激光工艺参数,研究激光功率、重复频率、刻蚀速度和填充间距对透明导电薄膜电学、光学和晶体结构特性的影响。(2)激光刻蚀工艺研究。采用紫外激光分别进行了ZnO:Al薄膜(ZAO)刻蚀(P1)、非晶硅薄膜(α-Si)刻蚀(P2)和背电极刻蚀(P3)研究。(3)根据不同制绒方式制备非晶硅薄膜电池,比较电池输出性能。  实验结果表明:(1)当激光功率P=0.096W,刻蚀速度v=600mm/s,重复频率f=50kHz,填充间距△d=0.012mm时,获得薄膜方块电阻较小,陷光效果良好的绒面结构。绒面薄膜有效地增强光线在电池内部粗糙界面的反射,实现光线在较小厚度吸收Ⅰ层传播时增加有效光程,增强电池吸收率,从而提高电池的转换效率和稳定性。(2)当激光功率1.74W,刻蚀速度600mm/s,重复频率40kHZ的紫外激光刻蚀ZnO:Al薄膜时,刻槽的隔离效果最佳,隔离电阻达20MΩ;紫外激光刻蚀能够有效地减小激光热效应引起的热影响和刻槽边缘的晶化范围,提高非晶硅薄膜电池的性能。(3)紫外激光制绒制备的绒面结构具有规律性和其光散射特性根据激光参数具有可调节性,比传统制绒工艺具有更好的陷光效果,提高了由电池的转换效率。
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