PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池

PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？摘要微晶硅電池已經(jīng)成為目前光伏領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。同非晶硅相比微晶硅電池幾乎沒有？SWE?問題，應(yīng)用在電池中也幾乎不受后氧化的影響，而且微晶硅的光譜吸收特性與非晶硅有一定的互補(bǔ)性，應(yīng)用于疊層電池中可以獲得更高效率的電池。基于這個(gè)目的，我們采用RF?PECVD技術(shù)制備了P、I、N三層薄膜材料和微晶硅太陽電池，并對(duì)它們的結(jié)構(gòu)特性和電學(xué)特性進(jìn)行了分析。本論文主要進(jìn)行了如下幾方面的工作:？P層作為微晶硅薄膜太陽電池的窗口層，必須具備寬的光學(xué)帶隙和高的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)研究了硅烷濃度、硼烷摻雜濃度對(duì)材料的沉積速率、材料晶化、電導(dǎo)率等性能參數(shù)的影響。通過優(yōu)化沉積參數(shù)，制備出了高暗電導(dǎo)率(?2.8X-510S/cm)、寬光學(xué)帶隙(~1.87eV)的P型u?Si:H薄膜材料。？C非晶?N?層的制備。為了提高?N?層與金屬電極歐姆接觸的性能，可適當(dāng)提高磷烷的摻雜濃度。通過磷烷摻雜濃度的優(yōu)化，可以獲得暗電導(dǎo)率為？8.28X1?10?S/cm的?N層非晶硅薄膜。？1層是電池的核心部分，是光生載流子的產(chǎn)生區(qū)。本文重點(diǎn)研究了襯底溫度和硅烷濃度對(duì)u?Si:H薄膜材料的微結(jié)構(gòu)以及光電學(xué)特性的影響。？C4）在上面研究的基礎(chǔ)上，本文初步研究了微晶硅薄膜太陽電池的沉積工藝。采用了微晶P/微晶I/非晶N型結(jié)構(gòu)，獲得了效率為3.014%的微晶硅太陽能電池。？5）除了初步界定了薄膜材料和電池的一些表征參數(shù)外，同時(shí)也針對(duì)存在的問題指明了解決的方向。關(guān)鍵詞:射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、微晶硅薄膜、晶化率、太陽電池I?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？ABSTRACT?Microcrystalline?silicon?solar?cells?have?become?the?focus?of?research?in?the?photovoltaic?field.?Compared?with?the?amorphous?silicon,?microcrystalline?silicon?cells?almost?have?no?SWE?issues?as?well?as?impact?of?oxidation?when?applied?in?cells.?What?is?more,?the?absorption?spectra?of?microcrystalline?silicon?and?amorphous?silicon,?to?a?certain?extent,?is?complementary?and?can?get?more?efficiency?when?applied?in?laminated?cell.For?that,?we?used?RF?PECVD?technology?for?depositing?microcrystaline?silicon?materials?and?solar?cells?and?we?have?studied?their?electrical?and?structural?properties.?This?paper?mainly?described?about?some?work?as?follows:?1?In?microcrystalline?silicon?thin?film?solar?cells,?P?layer?is?used?as?window?materials?and?it?must?have?high?conductivity?and?wide?Eopt.?We?studied?the?effect?of?silane?concentration?and?the?doping?percent?of?borane?concentration?on?the?deposition?rate,?raman?shift,?crystallinity?of?the?film.?By?optimizing?the?deposition?parameters,?we?gained?the?microcrystalline?silicon?film,?which?had?high?dark?conductivity?2.8X5?10?s/cm?and?wide?Eopt1.87eV2?The?fabrication?of?amorphous?silicon?for?N?player.?In?order?to?better?the?ohmic?contact?with?the?metal?electrode,?we?increased?the?doping?percent?of?phosphorus?concentration.As?a?result,?we?gained?the?film?which?had?high?dark?conductivity8.28X1?10?/cm3?I?layer?is?the?core?of?the?cell?and?the?district?of?photo?carrierThis?paper?focused?on?the?effect?ofsubstrate?temperature?and?silane?concentration?onthe?electrical?and?structural?properties?ofu?Si:H?filmC4?Based?on?the?study?above,?this?paper?preliminarily?studied?the?deposition?process?of?the?microcrystalline?silicon?thin?film?solar?cells.We?used?P??C?Si:H/I??C?Si:H/?N?a?Si:H?configuration,and?the?3.014%?efficiency?of?microcrystalline?silicon?solar?cell?was?accomplished.II?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？5?In?addition?to?the?initial?definition?of?the?film?materials?and?some?parameters?of?cells?characterization,?the?paper?also?pointed?to?the?direction?of?a?solution?to?the?existing?problemsKey?words:R?F?PECVD、microcrystalline?silicon?thin?film、crystalinity、solar?cellsIII?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？目錄摘要I?ABSTRACTII?目錄.IV?第一章緒論..1??1.1?太陽能電池的研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展.1??1.1.1?太陽能電池的研究背景..1??1.1.2?太陽能電池的光電研究和應(yīng)用.1??1.1.3?太陽能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向..4??1.2?微晶硅薄膜太陽電池的研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì).5??1.2.1?微晶硅薄膜太陽電池的發(fā)展背景5??1.2.2?微晶硅薄膜太陽電池的發(fā)展趨勢(shì)6??1.3?本論文主要的研究?jī)?nèi)容.7??1.4?本論文的組織..7?第二章太陽電池基礎(chǔ)及制備工藝.9??2.1?太陽電池發(fā)電原理及構(gòu)造9??2.2?太陽電池的特性及性能參數(shù)10??2.2.1.太陽電池的輸入輸出特性..10??2.2.2.太陽電池的性能參數(shù).12??2.3?薄膜太陽電池的性能測(cè)試.15?第三章？P型窗口材料及?N型材料的研究..16??3.1?應(yīng)用于微晶硅薄膜太陽電池的?P?型窗口材料..16??3.1.1P?型窗口材料的分類..16??3.1.2P?型窗口材料對(duì)薄膜太陽能電池的性能影響.16??3.2?實(shí)驗(yàn)設(shè)備及表征手段..17??3.3P?型微晶硅薄膜材料的制備及性能分析..19??3.3.1?硅烷濃度SC對(duì)薄膜材料沉積速率及晶化率的影響.19??3.3.2?硼摻雜對(duì)薄膜材料微結(jié)構(gòu)和光電性能的影響..21??3.4N?型非晶硅薄膜材料的制備及性能分析.25??3.5?本章小結(jié)..28?第四章？I層材料的沉積與微晶硅電池的制備.30??4.1?微晶硅薄膜太陽電池對(duì)?I層材料的性能要求..30??4.2?襯底溫度對(duì)微晶硅薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的影響30??4.2.1?襯底溫度對(duì)微晶硅薄膜沉積速率的影響.31??4.2.2?襯底溫度對(duì)微晶硅薄膜晶化率的影響..32??4.2.3?襯底溫度對(duì)微晶硅薄膜光學(xué)特性的影響.35??4.3?硅烷濃度對(duì)微晶硅薄膜結(jié)構(gòu)及光電特性的影響35??4.3.1?硅烷濃度對(duì)微晶硅薄膜沉積速率的影響.36??4.3.2?硅烷濃度對(duì)微晶硅薄膜晶化率的影響..37??4.3.3?硅烷濃度對(duì)微晶硅薄膜光電性能的影響.39??4.4?微晶硅薄膜太陽電池的制備..40IV?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？？4.4.1?微晶硅太陽電池的制備工藝40??4.4.1?微晶硅電池實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析41??4.5?本章小結(jié).43?第五章工作總結(jié)與展望..44?參考文獻(xiàn)..46?碩士研究生期間參與的研究課題.50?致謝.51V?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？第一章緒論?1.1?太陽能電池的研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展?1.1.1?太陽能電池的研究背景隨著人類生產(chǎn)力和生活水平的不斷提高，人們對(duì)石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的需求日益加劇，同時(shí)也對(duì)環(huán)境保護(hù)提出了越來越高的要求。伴隨著各種化石能源日益增長(zhǎng)的巨額消耗，大氣層中溫室效應(yīng)氣體的含量也會(huì)不斷上升，其可能帶來的氣候?yàn)?zāi)難不可估量。另外，目前使用最為普遍的化石能源，不僅數(shù)量有限、即將枯竭,而且對(duì)環(huán)境存在嚴(yán)重的污染。因此，隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資源枯竭等日趨嚴(yán)重,為了有效地解決人類當(dāng)前面臨的兩大課題，近年來世界各國(guó)競(jìng)相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策，用之不竭、潔凈環(huán)保的可再生能源的有效利用已經(jīng)成為人類共識(shí)，可靠的可再生能源的發(fā)展逐漸成為當(dāng)代基于化石能源的經(jīng)濟(jì)朝向可?持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變的最主要挑戰(zhàn)？。太陽能可以說是“取之不盡，用之不竭”的能源，與煤、石油及核能相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):一是沒有使用礦物燃料或核燃料時(shí)產(chǎn)生的有害廢渣和氣體,不污染環(huán)境;二是沒有地域和資源的限制，有陽光的地方到處可以利用，使之方便且安全;三是能源沒有限制，屬于可再生能源。因此，太陽能的有效利用已經(jīng)成為人類的共識(shí)。而在太陽能的有效利用中，陽光發(fā)電即光伏發(fā)電最受矚目。由于太陽能電池發(fā)電具有安全可靠、無污染、無需消耗燃料、可再生、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，尤其是可與建筑物相結(jié)合，構(gòu)成光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)，己經(jīng)成為可再生能源中最重要的組成部分,也是近年來發(fā)展最快，最具活力、最受矚目的?研究領(lǐng)域,國(guó)際上許多國(guó)家都把它定為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略？。?1.1.2?太陽能電池的光電研究和應(yīng)用太陽能能量的轉(zhuǎn)換方式主要分為光化學(xué)轉(zhuǎn)化、太陽能光熱轉(zhuǎn)化和太陽能光電轉(zhuǎn)換三種方式。從廣義上講，風(fēng)能、水能和礦物燃料等也都來源于太陽能。光學(xué)轉(zhuǎn)換是指在太陽光的照射下,物質(zhì)發(fā)生化學(xué)、生物發(fā)應(yīng),從而講太陽能轉(zhuǎn)換成電能等形式的能量。最常見的是植物的光合作用，在植物葉綠素的作用下,二氧1?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？化碳和水在光照下發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成碳水化合物和氧氣，從而完成太陽能的轉(zhuǎn)換。太陽能光熱轉(zhuǎn)化是指通過發(fā)射、吸收等方式收集太陽輻射能，使之轉(zhuǎn)化成熱能,如在生活中廣泛應(yīng)用的太陽能熱水器、太陽能供暖房、太陽能灶、太陽能干燥器、?太陽能溫室、太陽能蒸發(fā)器、太陽能水泵和太陽能熱機(jī)等？。太陽能光電轉(zhuǎn)換則是指利用光電轉(zhuǎn)換器件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。最常見的是太陽電池，又稱太陽能電池,應(yīng)用于如燈塔、微波站、鐵路信號(hào)、電視信號(hào)轉(zhuǎn)播、管路保護(hù)等野外工作臺(tái)站的供電，海島、山區(qū)、草原、雪山和沙漠等邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電及手表、計(jì)算器、太陽能汽車和衛(wèi)星等儀器設(shè)備的電源，以及太陽能電站并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域。早在?1976?年，英國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)斯等在研究半導(dǎo)體材料時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)用太陽光:?4?]?照射硒半導(dǎo)體材料時(shí)，如同伏特電池一樣，會(huì)產(chǎn)生電流，稱為光生伏特電？。但是，硒產(chǎn)生的光電效應(yīng)很弱，到?20?世紀(jì)中期轉(zhuǎn)化效率僅為？1%左右。1954?年，?美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的？Chapin?等研制出世界上第一塊真正意義上的硅太陽電池？，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6%左右，很快達(dá)到10%，從此拉開了現(xiàn)代太陽能光電（又稱太陽能光伏）的研究、開發(fā)和應(yīng)用的序幕。幾乎同時(shí),CuS/CdS異質(zhì)結(jié)太陽電池?也被開發(fā)？，成為薄膜太陽電池研究的基礎(chǔ)。最初，硅太陽電池的成本很高,較常規(guī)電力高?1000?倍以上，僅用于對(duì)成本不敏感的太空衛(wèi)星和航天器上。1958?年美國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星首次使用了太陽電池;？1958?年?5?月，前蘇聯(lián)在人造衛(wèi)星上安裝了太陽電池;1971?年我國(guó)發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星也使用了太陽電池。20世紀(jì)50年代以后,幾乎所有的人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站等太空飛行器,都是利用太陽電池作為主要的電源。航天事業(yè)的發(fā)展大大地促進(jìn)了太陽電池材料和器件技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。？1973年由于中東戰(zhàn)爭(zhēng)引起的“石油禁運(yùn)”，全世界發(fā)生了以石油為代表的“能源危機(jī)”，人們認(rèn)識(shí)到常規(guī)能源的局限性、有限性和不可再生性，認(rèn)識(shí)到新能源對(duì)國(guó)家安全的重要性，加之環(huán)境保護(hù)意識(shí)的大幅度提高，使得各國(guó)政府開始大力開展太陽能光電技術(shù)的研究和開發(fā)，尤其是大面積地面太陽能光電技術(shù)的研究和應(yīng)用。此時(shí)，太陽電池在一些小型電源、遠(yuǎn)程通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如燈塔、微波站等野外工作臺(tái)站的供電，海島、沙漠等邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電,手表，計(jì)算器等的電源。20世紀(jì)90年代，由于太陽電池成本的持續(xù)降低，太陽電池實(shí)2?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？?行并網(wǎng)發(fā)電，建立太陽能電站已經(jīng)成為可能？，并在全世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)展開去。今年來，與住宅屋頂相結(jié)合的太陽電池并網(wǎng)發(fā)電也成為重要的應(yīng)用方向。美國(guó)、歐洲和日本先后制定了太陽能發(fā)展計(jì)劃，由政府負(fù)責(zé)提供部分研究開[8?11]?發(fā)資金和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)扶持政策？。如1973年美國(guó)政府制定了“陽光發(fā)電計(jì)劃”，之后將太陽能光伏發(fā)電列入公共電力計(jì)劃；1992?年，美國(guó)啟動(dòng)了新的“陽光發(fā)電計(jì)劃”；1997年，美國(guó)又宣布了“太陽能百萬屋頂計(jì)劃”，即在2010年以刖，在100萬座建筑物上安裝太陽能系統(tǒng)。日本在?20世紀(jì)70年代也制定了“陽光計(jì)劃”，1993年將“陽光計(jì)劃”、“月光計(jì)劃”和“環(huán)境計(jì)劃”組合成“新陽光計(jì)劃”,?2000?年其電池組件的成本降低至？170~210?日元/W,年產(chǎn)量達(dá)到?400MW,發(fā)電成本降至25~30日元/W。歐洲也較早地開展了太陽能光伏發(fā)電的研究和開發(fā)，瑞士在20世紀(jì)90年代初提出“能源瑞士”計(jì)劃，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)50MW光伏產(chǎn)量,？2000?年又提出后續(xù)的“能源瑞士”計(jì)劃;荷蘭能量與環(huán)境部NOVEM在？1994?年制定了？NOZ?PV?計(jì)劃,希望到？2010?年實(shí)現(xiàn)?300MW,2020?年實(shí)現(xiàn)？1400MW;德國(guó)在1991?1995年實(shí)施了第一個(gè)全國(guó)性光伏計(jì)劃“一千屋頂”計(jì)劃，1999年起開始實(shí)施“十萬屋頂”計(jì)劃;意大利在？1998?年提出“一萬屋頂計(jì)劃”，2001?年，公布“Programming?Fonti?Rinnovabili?2001”項(xiàng)目，其中包括光伏項(xiàng)目“Tetti?Fotovoltaici”，目標(biāo)？7MW;西班牙在？1991~2000?年間實(shí)現(xiàn)了可在生能源方案,目標(biāo)？5MW,1999?年制定？2000~2010?年計(jì)劃“Plan?de?Fomento?delas?Energias?Renovables”，目標(biāo)是到?2010?年安裝？135MW?系統(tǒng);芬蘭的“國(guó)家氣候變化”項(xiàng)目，計(jì)劃到?2010?年安裝?40MW?光伏系統(tǒng)。我國(guó)在？1980?年以后，國(guó)家高技術(shù)研究反展計(jì)劃（863?計(jì)劃）和國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（973?項(xiàng)目）等都對(duì)太陽能光伏研究和開發(fā)給予了重要支持。2002年我國(guó)政府啟動(dòng)“光明工程”，投入資金20億人民幣，重點(diǎn)發(fā)展太陽能光伏發(fā)電。由此可見,20世紀(jì)70年代以來,世界各國(guó)政府都加大了對(duì)太陽能光電研究和開發(fā)的投入，紛紛設(shè)立快速發(fā)展的屋頂計(jì)劃,制定各種減免稅政策、財(cái)政補(bǔ)貼政策,重點(diǎn)扶持本國(guó)的太陽能光伏工業(yè)，增加其國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，期望在今后的國(guó)際市場(chǎng)中占據(jù)更大的份額。與此同時(shí),20世紀(jì)90年代后聯(lián)合國(guó)多次召開各種政府首腦會(huì)議，討論和制定世界太陽能發(fā)展規(guī)劃和國(guó)際太陽能公約，設(shè)立國(guó)際太陽能基金，推動(dòng)全球太陽能技術(shù)的開發(fā)和利用。3?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？因此，自20世紀(jì)70年代以來,太陽電池的全球平均年增長(zhǎng)率達(dá)30%以上，其中1997年電池組件全球銷售達(dá)到122MW,2000年和2001年的年銷售增長(zhǎng)均?超過？40%,2001?年的銷售接近？400MW?。近幾年則發(fā)展迅猛,2004?年達(dá)到？1200MW,2005?年接近？1800MW,而太陽電池的生產(chǎn)成本則以每年?7.5%的平均?速度下降？，其發(fā)展速度超過了集成電路,2004年甚至達(dá)到60%以上。預(yù)計(jì)今后10年，太陽能光電工業(yè)還將以20%?30%的速度增長(zhǎng),成為世界上最具發(fā)展前景的朝陽工業(yè)之一。我國(guó)從20世紀(jì)80年代起就進(jìn)行太陽電池的開發(fā)生產(chǎn)，國(guó)家也在西部無電區(qū)大力推廣了離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用，其中光明工程和鄉(xiāng)鄉(xiāng)通等工程的實(shí)施,為我國(guó)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和電池技術(shù)的提高起到了積極的作用。近些年來國(guó)家在973和863等重大項(xiàng)目也將太陽電池的發(fā)展放到了重要的位置,在國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃中對(duì)光伏項(xiàng)目都有重大安排。從2003年起，我國(guó)太陽電池產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)加快,電池工業(yè)正進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段。但總體來說，我國(guó)的電池產(chǎn)業(yè)還處在初級(jí)階段。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在太陽電池的發(fā)展方面還存在許多問題,主要如?下？：1）研究力量薄弱、分散，實(shí)驗(yàn)條件差，沒有形成權(quán)威、高水平的一個(gè)國(guó)家級(jí)研究結(jié)構(gòu)；2）太陽能利用基礎(chǔ)理論特別是光伏物理學(xué)科發(fā)展薄弱；3）太陽能利用基礎(chǔ)材料特別是光伏材料與器件依賴進(jìn)口。?1.1.3?太陽能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向世界太陽電池產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，但目前太陽能電池的推廣應(yīng)用主要還是靠政府投資和扶持，主要原因成本太高，必須努力降低成本，提高效率。太陽能電池作為一種商品，要想在市場(chǎng)上受歡迎就必須有較高的性價(jià)比，也就是說太陽能電池單元的材料和制造成本以及制造過程中能源的消耗都要達(dá)到市場(chǎng)和消費(fèi)者可接受的程度。從太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上看，要從以下幾方面來改進(jìn):首先，要減少材料消耗;其次,要減少制造過程中的能耗;第三，要提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和光電特性的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;第四，要減少生產(chǎn)線設(shè)備投資，降低太陽能電池產(chǎn)4?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？?業(yè)的進(jìn)入門檻;第五，要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和采用更大面積的基片？。太陽能電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，給困擾人類社會(huì)物質(zhì)文明可持續(xù)發(fā)展的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的解決帶來了曙光。但成本和價(jià)格是擺在我們面前的攔路虎，太陽能電池產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展有賴于進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，并降低生產(chǎn)成本及減少生產(chǎn)過程中的能耗，這是擺在我們面前的進(jìn)一步目標(biāo)和任務(wù)。?1.2?微晶硅薄膜太陽電池的研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì)?1.2.1?微晶硅薄膜太陽電池的發(fā)展背景目前,在太陽能光伏應(yīng)用中，硅基太陽能電池的研究和開發(fā)得到了廣泛的重視，占領(lǐng)了90%的光伏市場(chǎng)，是當(dāng)今光伏市場(chǎng)的主流。但單晶硅太陽能電池制備工藝復(fù)雜，制備過程中需要消耗大量的材料，因此，受限制于單晶硅的材料價(jià)格及繁瑣的電池工藝，單晶硅太陽能電池的成本價(jià)格居高不下，難以大幅度降低。為了進(jìn)一步降低硅基太陽能電池的成本，人們發(fā)展了硅基薄膜太陽能電池，從此硅基薄膜太陽能電池技術(shù)日漸興起。由于該技術(shù)所用材料較單晶硅太陽能電池顯著減少，而且薄膜太陽能電池能夠采用低成本的制備工藝在廉價(jià)襯底上實(shí)現(xiàn)大面?積沉積？。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，只有薄膜太陽電池才能從根本上節(jié)省材料，降低成本，并最終使太陽能成為其它能源的替代品。為了從根本上節(jié)省材料，人們從70年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積非晶及多晶硅薄膜,Carlson和Wronski在1976年首次報(bào)道了非晶硅薄膜太陽能電池。非晶硅a?Si薄膜太陽電池由于成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并?得到迅速發(fā)展？。盡管非晶硅是一種很好的太陽能電池材料，但是由于其光學(xué)帶隙為1.7eV左右,使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，也限制了?非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，由于其光致衰退S?W效應(yīng)？，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，使得電池性能不穩(wěn)定。為了解決非晶硅太陽能電池的低成本與低穩(wěn)定性、低效率之間的矛盾，近年來人們開展了許多探索性的研究工作。由于作為納米晶硅、晶粒邊界、空洞和非晶硅共存的混合相無序材料的氫化微晶硅?c?Si:H薄膜具有a?Si:H薄膜的高吸收系數(shù)特性，在對(duì)光響應(yīng)波長(zhǎng)上比非晶寬，達(dá)到了1200nm波長(zhǎng)范圍，同時(shí)具有5?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？穩(wěn)定光學(xué)性質(zhì)。而且，微晶硅薄膜電池由于可以在廉價(jià)襯底材料上制備,所使用的硅材料遠(yuǎn)較單晶硅少?沒有效率衰退問題?具有可與a?Si兼容的低溫成膜技術(shù)，有利制成疊層電池?工藝過程簡(jiǎn)單，便于大面積生產(chǎn)，使其具有大幅降低成本的?潛力，因而受到普遍重視，并被視為硅基薄膜太陽能電池的下一代技術(shù)？。將微晶硅和非晶硅結(jié)合起來組成的非晶硅/微晶硅疊層電池,能充分地利用太陽光譜，這既降低了非晶硅疊層電池的光致不穩(wěn)定性，也可以獲得更高效率的電池。自從上世紀(jì)90年代中期,微晶硅電池的效率已經(jīng)超過非晶硅，達(dá)到10%以上,而且基本上沒有出現(xiàn)光致衰退效應(yīng)，相信微晶硅薄膜太陽能電池不久將會(huì)在太陽能電池的市場(chǎng)上占據(jù)重要地位。?1.2.2?微晶硅薄膜太陽電池的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過人們多年的不斷探索和研究，微晶硅薄膜太陽電池已經(jīng)取得了極大的發(fā)展,但仍有許多問題制約其進(jìn)一步發(fā)展。就微晶硅薄膜材料本身的制備來說，其?中一個(gè)重要問題，甚至是主要問題仍有待解決:沉積速率過低？。微晶硅薄膜太陽電池的本征層一般都在1m?m以上，而沉積速率多在0.1?0.2nm/s左右，沉積時(shí)間比較長(zhǎng),這就阻礙了它的產(chǎn)業(yè)化?；诔练e速率的重要性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的探索研究，并取得了許多重大的進(jìn)展。較早開始對(duì)沉積速率進(jìn)行研究的Lihui?Guo等提出了高壓高功率的方法，或稱為高壓耗盡法，成功地將RF?PECVD制備微晶硅薄膜的沉積速率提高?到0.93nm/s?。高壓高功率法被此后的研究中廣泛采用，Rech?B等在0.6nm/s的沉積速率下獲得了7.1%效率的單結(jié)微晶硅薄膜太陽電池，在0.9nm/s的沉積速率下?效率也達(dá)到了6.2%?。這種方法一定程度上提高了沉積速率，而且沉積溫度不高，薄膜的性能并沒有下降,可基本滿足微晶硅薄膜電池成本的要求。為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)良的器件級(jí)微晶硅薄膜材料的高速沉積，進(jìn)一步降低微晶硅薄膜太陽能電池的成本,人們對(duì)微晶硅的沉積方法進(jìn)行了更為深入的研究。諸如熱絲法(HW)、電子回旋共振(ECR)以及甚高頻(VHF)等基于高氫稀釋硅?烷分解的化學(xué)氣相沉積技術(shù)相繼得到應(yīng)用？。相比較而言，采用VHF激發(fā)等離子體，能夠減小等離子體鞘厚度和電壓從而降低電子溫度、降低轟擊襯底的離子能量，增大了輸送到生長(zhǎng)表面的離子流量，既能提高了沉積速率又能增大微晶硅6?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？薄膜中晶粒的顆粒尺寸，并且與常規(guī)的非晶硅薄膜太陽能制備工藝具有良好的技?術(shù)兼容性，因此,VHF?PECVD技術(shù)制備微晶硅薄膜迅速成為研究的熱點(diǎn)？。？KondoMichio等用VHF?PECVD在2.3nm/s的速率下獲得了效率9.13的微晶硅薄?太陽電池,Gordijn等在4.5nm/s的速率下獲得的微晶硅電池效率達(dá)6.7%?。對(duì)傳統(tǒng)的雙極型VHF?PECVD進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如增加網(wǎng)狀第三極，采用內(nèi)聯(lián)多孔陰極等，使甚高頻的沉積速率得到進(jìn)一步提升,Chisato等獲得了10nm/s左右的沉積速?率，同時(shí)使薄膜的缺陷保持在非常低的水平？。?1.3?本論文主要的研究?jī)?nèi)容根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，我們擬采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（RF-PECVD）技術(shù)沉積P型微晶硅薄膜、I型微晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜。在三室連續(xù)CVD系統(tǒng)中，進(jìn)行沉積微晶硅薄膜太陽能電池的探索研究。本論文主要的內(nèi)容包括：1）通過P型硅薄膜材料沉積工藝的優(yōu)化，尋求獲得高電導(dǎo)、寬光學(xué)帶隙的微晶硅薄膜材料的技術(shù)途徑。2）著重研究襯底溫度和硅烷濃度對(duì)I型？口?Si:H?薄膜材料的微結(jié)構(gòu)以及光C電學(xué)特性的影響，探索獲得高晶化率、強(qiáng)光敏性的I型微晶硅薄膜材料的制備工藝。?3）在高硅烷濃度、重?fù)诫s的條件下,制備高電導(dǎo)的N型非晶硅。？4）在上面研究的基礎(chǔ)上，初步研究微晶硅薄膜太陽電池的沉積工藝。著重研究I層厚度對(duì)電池短路電流密度、開路電壓、填充因子、效率等性能參數(shù)的影響。?1.4?本論文的組織本文主要研究了微晶硅太陽電池P、I、N三層材料的工藝及特性，并在此基礎(chǔ)上，制備了微晶硅薄膜太陽電池和進(jìn)行了性能的分析。論文的各章節(jié)安排如下：第一章，簡(jiǎn)述本文的研究背景、國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽能電池的研究狀況和應(yīng)用歷史以及指出了太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)。第二章，介紹了太陽能電池的工作原理及結(jié)構(gòu)，說明了太陽能特性的表征手段及測(cè)試工具。7?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？第三章，重點(diǎn)研究了硅烷濃度和硼烷摻雜濃度對(duì)P層材料、磷烷摻雜濃度對(duì)N層材料的性能影響，為制備微晶硅薄膜太陽電池準(zhǔn)備了材料基礎(chǔ)。第四章，著重研究了襯底溫度和硅烷濃度對(duì)I層材料的性能影響，并在前面的研究基礎(chǔ)上，制備了微晶硅薄膜太陽電池和作了特性分析。第五章，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)下一步的研究工作提出了建議。8?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？第二章太陽電池基礎(chǔ)及制備工藝?2.1?太陽電池發(fā)電原理及構(gòu)造太陽電池的基本原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為[27,28,29]?電能？。在晶體中電子的數(shù)目總是與核電荷數(shù)相一致，所以p型硅和n型硅對(duì)外部來說是電中性的。如將p型或n型放在陽光下照射，僅是被加熱，外部看不出變化。盡管通過光的能量電子從化學(xué)鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，但在很短的時(shí)間內(nèi)電子又被捕獲,即電子和空穴“復(fù)合”。當(dāng)p型材料和n型材料相接，將在晶體中p型和n型材料之間形成界面，即一個(gè)p-n結(jié)。此時(shí)在界面層n型材料中的自由電子和p型材料中的空穴相對(duì)應(yīng)。由于正負(fù)電荷之間的吸引力，在界面層附近n型材料中的電子擴(kuò)散到p型材料中，并且將在原子作用力允許范圍內(nèi)，與p型材料中的電子缺乏實(shí)現(xiàn)平衡。與此相反，空穴擴(kuò)散到n型材料中與自由電子復(fù)合。這樣在界面層周圍形成一個(gè)無電荷區(qū)域。在之前p型材料和n型材料是電中性的，這樣通過界面層周圍的電荷交換形成兩個(gè)帶電區(qū)：通過電子到p型材料的遷移在n型區(qū)形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)和在p型區(qū)形成一個(gè)負(fù)空間電荷區(qū)。太陽電池在無光照時(shí)，在界面層附近的相反的空間電荷相互作用，使載流子的繼續(xù)交換停止。在界面層附近的空間電荷區(qū)的厚度一般為0.5?1mm左右。對(duì)于太陽電池來說，界面層應(yīng)當(dāng)處于硅片表面的附近位置。如果光線照射在太陽電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能夠在p型硅和n型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。電子向帶正的n區(qū)和空穴向帶負(fù)電的p區(qū)運(yùn)動(dòng)。通過界面層的電荷分離，將在p區(qū)和區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外的可測(cè)試的電壓。此時(shí)可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對(duì)晶體硅電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5?0.6V。用一個(gè)電流表也可測(cè)量電流的強(qiáng)度。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，電流越大。界面?層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽電池中形成的電流也越大？。對(duì)于太陽電池來說,光能到電流的轉(zhuǎn)換僅是在界面層附近才是有效的。這取9?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？決于光線在界面層周圍被吸收和盡可能地將能量傳輸給晶體。因此，太陽電池的光線入射的一面應(yīng)該相應(yīng)做得薄一些，以便光線可幾乎無衰減地到達(dá)界面層?？偠灾?在光照條件下，只有具有足夠能量的光子進(jìn)入p-n結(jié)區(qū)附近才能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。圖2-1為用能量帶圖表示的帶間激勵(lì)引起的光傳導(dǎo)現(xiàn)象的示e?e?意圖。當(dāng)大于禁止帶寬的g?的能量的光(hw?g?)照射在半導(dǎo)體上時(shí)，由于帶間遷移作用，價(jià)電子帶中的電子被激勵(lì)，而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使電氣傳導(dǎo)?度增加？。？e?ce?ghw?ev圖2-1帶間激勵(lì)引起的光傳導(dǎo)現(xiàn)象?2.2?太陽電池的特性及性能參數(shù)?2.2.1.太陽電池的輸入輸出特性太陽電池的種類較多，大小不一。太陽電池到底有多大的能力能將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，從以下的特性可以表征。10?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？圖2-2為太陽電池的輸入輸出特性，也稱太陽電池的電壓-電流特性。圖中的實(shí)線為太陽電池被光照時(shí)的電壓-電流特性，虛線為太陽電池未被光照時(shí)的電壓-電流特性。圖2-2太陽電池的電壓-電流特性無光照射時(shí)的暗電流相當(dāng)于PN接合的擴(kuò)散電流，其電壓電流特性可用下式表示：eV?I?[exp??-1](2.1)I0?nkT?這里,？:逆飽和電流的作用，由PN結(jié)兩端的少數(shù)載流子和擴(kuò)散常量決定的常數(shù)；I0?V:光照射時(shí)的太陽電池的端子電壓；n:二極管因子；k:玻爾茲曼常數(shù)；T:溫度？。?PN?結(jié)被光照射時(shí)，所產(chǎn)生的載流子的運(yùn)動(dòng)方向與(2.1)式中的電流方向相反，用？表示。光照射時(shí)的太陽端子電壓V與光電流密度？的關(guān)系如下:？J?I?sc?ph?eV?=?[exp??-1]-?(2.2)I?IJ?ph?0?sc?nkT?這里,？與被照射的光的強(qiáng)度有關(guān)，相當(dāng)于太陽電池端子短路時(shí)的電流，J?sc?稱為短路光電流密度。當(dāng)太陽電池接上最佳負(fù)載電阻時(shí)，其最佳負(fù)荷點(diǎn)為電壓電流特性上的最大電壓？與最大電流？的交點(diǎn)，圖中的斜線部分的面積相當(dāng)于太陽電池的輸出V?I?mp?mp?11?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？功率？，其式如下:？Pout?eV?=VI=V[?-?[exp??-1]]2.3J?out?sc?0?nkT?由于最佳負(fù)荷點(diǎn)的輸出功率為最大值,因此，由下式即可以得到太陽電池的最佳工作電壓？以及最佳工作電流？：？V?I?op?op?d?p?out??02.4dV?最佳工作電壓?為：V?op?e?e?V?V?op?op?J?sc?exp??1+???+1?2.5nkT?nkT?I?0最佳工作電流?為：?I?op??+?e?/?nkT??J?I?V?=?2.6I?op?1?+e?/?nkT??V?op??2.2.2.太陽電池的性能參數(shù)在理想情況下,p-n結(jié)太陽電池的等效電路如圖2-3所示，其中I為光生電1流,I為p-n結(jié)的正向注入電流,I為太陽電池提供的負(fù)載電流。但是，在實(shí)際f的太陽電池中，由于存在并聯(lián)（泄露）電阻R和串聯(lián)電阻R，所以實(shí)際等效電路ShS?如圖2-4所示？。圖2-3理想p-n結(jié)太陽電池的等效電路12?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？圖2-4實(shí)際p-n結(jié)太陽電池的等效電路由p-n結(jié)太陽電池的等效電路可知，其中有一個(gè)恒流源和p-n結(jié)并聯(lián)，電流源?是太陽光照射生成的過剩載流子產(chǎn)生的。？為二極管的飽和電流,R為負(fù)II[33,34]?載電阻，此時(shí)p-n結(jié)太陽電池的I-V特性(即伏安特性)為？：qV?I=?-?=?-(?exp?-?)(2.7)I?I?IIIf?1?0?0?1?kT?可以得到圖2-5所示的I-V曲線。圖2-5太陽光照射下的p-n結(jié)太陽電池的I-V曲線13?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？(1)開路電壓2?開路電壓？，即將太陽能電池置于100mW/cm?的光源照射下，在兩端開路V?oc?時(shí)，太陽能電池的輸出電壓值?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量電池的開路電壓。由圖2-5可知，在電流為0時(shí)，電壓最大，即為開路電壓？，此時(shí):？V?oc?kT?kT?I?I?1?1?=?ln(?+1)ln?(2.8)V?oc?q?q?I?I?0?0?短路電流？，就是將太陽能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出端短I?SC?路時(shí),流過太陽能電池兩端的電流。測(cè)量短路電流的方法,是用內(nèi)阻小于1W的電流表接在太陽能電池的兩端。由圖2-5可知，在電壓為0時(shí)，電流最大，即為短路？，此時(shí):？I?SC?=?2.9I?ISC?1?最大輸出功率太陽能電池的工作電壓和電流是隨著負(fù)載電阻而變化的，將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線就得到太陽能電池的伏安特性曲線(如圖2-5所示)。如果選擇的負(fù)載電阻值能使輸出電壓和電流的乘積最大，即可獲得最大輸出功率，用符號(hào)？表示。此時(shí)的工作電壓和工作電流稱為最佳工作電壓和最佳Pm?工作電流，如圖2-5的？和？，則有:？V?I?m?m?=?(2.10)V?PI?m?m?m?(4)填充因子太陽能電池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子FF,它是最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比：P?V?I?m?m?m?FF=?=?(2.11)V?I?V?I?oc?sc?OC?sc?FF是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標(biāo)，是代表太陽能電池在帶最佳負(fù)載時(shí)，能輸出的最大功率的特性，其值越大表示太陽能電池的輸出功率越大。FF的值始終小于1。14?暨南大學(xué)碩士學(xué)位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子有較大影響。串聯(lián)電阻越大,短路電流下降越多，填充因子也隨之減少的越多;并聯(lián)電阻越小，這部分電流越大,開路電壓就下降的越多，填充因子隨之也下降的越多。(5)轉(zhuǎn)換效率太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率，等于太陽能電池的輸出功率與入射到太陽能電池表面的能量之比：FFP?V?I?m?oc?sc?h=???(2.12)P?P?in?in?太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平的重要參數(shù)，它與電池的結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關(guān)。其中與制造電池半導(dǎo)體材料禁帶寬度的關(guān)系最為直接。首先，禁帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。由于太陽光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁帶寬度大的光子才能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),從而形成光生電流。所以，材料禁帶寬度小，小于它的光子數(shù)量就多，獲得的短路電流就大;反之，禁帶寬度大，大于它的光子數(shù)量就少,獲得的短路電流就小。但禁帶寬度太小也不合適，因?yàn)槟芰看笥诮麕挾鹊墓庾釉诩ぐl(fā)出電子-空穴對(duì)后剩余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而降低了光子能量的利用率。其次，禁帶寬度又直接影響開路電壓的大小。開路電壓的大小和P-N結(jié)反向飽和電流的大小成反比。禁帶寬度越大，反向飽和電流越小，開路電壓越高。?2.3?薄膜太陽電池的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)所制備的電池樣品采用西安交通大學(xué)研制的XJCM-8X小型半自動(dòng)單片太陽能電池專用測(cè)試儀進(jìn)行性能測(cè)試，采用脈沖氙燈作為模擬太陽光源，測(cè)試光2?源為?AM1.5(1000W/m?),色溫為560