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本论文对于非晶硅/晶体硅异质结(HIT)太阳电池的机理、沉积工艺参数的优化、界面处理方法、界面缓冲层等方面进行了大量的研究工作,获得了以下研究结果:
1.我们采用AFORS-HET模拟软件研究了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池结构参数对电池性能的影响。根据指导实验的需要,我们选取了n-型非晶硅和p-型晶体硅异质结电池结构。研究了n-型非晶硅发射区、本征非晶硅缓冲层、界面态、能带补偿以及背面加入微晶硅结对电池性能的影响。计算结果表明,n-型非晶硅膜最佳厚度约为5nm。本征非晶硅层的插入主要作用是钝化界面缺陷态,其光学带隙在1.85eV、导带边能带补偿为0.35eV时电池的性能最佳。引入微晶硅背面结以后,n-a-Si/p-c-Si HIT电池计算效率可达23.96%。
2.系统研究了沉积功率、衬底温度、氢稀释、气压和掺杂条件对n型硅基薄膜的微结构和光电性能的影响。研制出了优质的n型纳米硅薄膜(n-nc-Si∶H),其晶粒尺寸为7~10nm,晶相比为60%。在高掺杂浓度(n=2*1018cm-3)下,获得了较宽的光学带隙(Eg=1.9eV)和较高的迁移率(μn=5cm2/V.S),适合在p型单晶硅衬底HIT电池中用作发射区。采用该种发射区材料制备了非晶硅/晶体硅异质结,比较了不同厚度N型发射区对电池性能参数的影响,发现随着N型发射区厚度的增加,电池的开路电压增加,考虑到对电池电流的影响和透明导电电极的制备工艺,我们确定了最佳厚度15nm。
3.经过优化本征层对硅表面的钝化作用,改善了非晶硅/晶体硅异质结太阳电池的效率,成功研制出p型单晶硅衬底HIT太阳电池。在1cm2面积上,达到效率15.5%,其中Voc=526.9mV,FF=0.848,Jsc=34.7 mA/cm2;在2.34 cm2面积上,达到效率14.1%,其中Voc=558.8 mV, FF=0.792,Jsc=31.88 mA/cm2(AM1.5,100 mW/cm2,25℃)。
4.系统地研究了沉积温度、射频功率和真空退火条件对ITO透明导电薄膜的微结构及电学和光学性能的影响,研制出了高透过率(>90%)、低电阻率(<2.18×10-4Ωcm)的优质ITO透明导电薄膜,并应用于HIT电池。
5.采用RF-PECVD技术,在高氢稀释、高功率密度和高气压条件下,成功研制出p型氢化纳米硅碳层(p-nc-SiC∶H)。该p-nc-SiC∶H层具有宽的光学带隙(1.92eV),低的暗电导激活能(0.06eV),从而可望在太阳电池结构中获得较大的内建电势和较高的开路电压,适合用作玻璃衬底p-i-n型非晶硅电池太阳电池的p型窗口层,或者作为n型晶体硅衬底HIT电池的p型窗口层。在p-i-n型非晶硅电池太阳电池结构中,应用优化的p型纳米非晶硅碳薄膜,使得太阳电池的开路电压达到0.94V,电池转换效率达到8.39%(AM1.5,0.07cm2)。
在上述工作基础上给出了未来的工作设想,包括:采用带有织构的衬底以提高电池的短路电流;探索采用N型衬底的双面电池技术;采用新结构制备高效的异质结太阳电池。