晶体硅太阳电池是最重要的光伏器件,近年来一直是硅材料研究界和光伏产业界的重点关注领域。众所周知,常规的晶体硅太阳电池都是基于p型掺硼硅晶体制造的,但这种电池存在着光衰减现象,也就是指电池在服役过程中转换效率会发生迅速衰减的现象。该现象已经成为制约高效太阳电池发展的一个重要瓶颈。目前光衰减现象的性质和机理还未完全清楚,它是当前国际上晶体硅太阳电池材料和器件方向的研究热点之一。本文围绕着晶体硅太阳电池光衰减的性质、行为以及抑制(或消除)手段,开展了系统研究,得到了以下主要创新结果：(1)建立了光衰减中心--硼氧复合体与双氧的关系。通过准热平衡退火改变直拉单晶硅中的双氧浓度,发现硼氧复合体的饱和浓度正比于双氧浓度。该实验结果为当前主流光衰减模型的前提假设提供了证据,也就是认为双氧作为硼氧复合体形成所必需的组分,在光衰减过程中扮演了关键角色。(2)研究了热施主补偿的n型掺硼硅晶体中的光衰减行为。实验发现,n型补偿硅中载流子寿命的光衰减曲线需要双指数拟合,是由快衰减过程和慢衰减过程共同组成的。在n型补偿硅中,硼氧复合体的饱和浓度随样品中电子浓度n0成非线性增加；同时随光照强度线性增加,也就是正比于非平衡的空穴浓度△p。研究还发现快衰减过程的缺陷形成速率常数正比于n0,但慢过程中却与n0无关；得到慢过程的形成激活能为0.4eV。基于实验结果,我们研究认为p型和n型补偿硅中的光衰减应该有相同的本质,是由相同的硼氧复合体缺陷导致的。但与载流子浓度相当的p型硅相比,n型补偿中的硼氧复合体浓度要低一个数量级,因此光衰减造成的影响要小很多。(3提出了硼氧复合体的结构、电学性质以及导致光衰减的形成机理。研究使用第一性密度泛函理论计算,发现硼氧复合体有两种最稳定的基态结构以及两种相对应的亚稳结构,其中亚稳结构的电学性质与光衰减复合中心的实验结果非常吻合。根据计算结果,研究提出了新的光衰减模型,认为基态结构和亚稳结构分别对应着光衰减过程中的前体和产物,在光照注入过量载流子的情形下,通过载流子复合增强反应机制,基态结构向亚稳结构的转变导致了光衰减的发生。该模型较好地解释了现有实验结果。(4)提出了低光衰减的掺锗直拉单晶硅中的锗掺杂对光衰减的抑制机理。通过第一性原理计算,发现了锗能抑制间隙氧和双氧的扩散,其机理在于较大尺寸的锗原子的空间阻碍作用。由此,掺锗降低了双氧浓度,进而抑制了硼氧复合体形成。掺锗硅中热施主的形成实验,表明了锗能够抑制热施主的形成。通过建立氧团聚初期过程的动力学模型,得到了四氧复合体(04i)的扩激活能约为1.1eV,研究证明,锗原子使各种氧复合体的扩散能力均下降。(5)研究了无光衰减的镓磷补偿直拉单晶硅的晶体生长、晶体性质以及用该晶体制造的太阳电池性能。发明了气相磷掺杂技术,用来制备轴向电阻率均匀分布的镓磷补偿直拉单晶硅。该技术解决了掺镓硅晶体电阻率分散性大的缺点,显著提高了晶体的利用率。此外,通过比较载流子迁移率实验值与Klaassen模型的计算值,指出镓磷补偿晶体中形成了镓磷复合体,该复合体的形成有助于降低补偿对迁移率的不利影响。实验还发现,经历相同条件的磷扩散后,补偿晶体可以得到更浅的pn结,这有助于改善太阳电池的短波光学响应。使用单纯掺镓和镓磷补偿晶体制造了太阳电池,发现镓磷补偿电池效率与单纯掺镓电池相当,既没有产生光衰减现象,也没有对电池性能产生负面影响,可用于制造高效的太阳电池。