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碩士學位論文？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)成為目前光伏領域研究的焦點。同非晶硅相比微晶硅電池幾乎沒有？SWE?問題，應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性，應用于疊層電池中可以獲得更高效率的電池。基于這個目的，我們采用RF?PECVD技術制備了P、I、N三層薄膜材料和微晶硅太陽電池，并對它們的結構特性和電學特性進行了分析。本論文主要進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，必須具備寬的光學帶隙和高的電導率。實驗研究了硅烷濃度、硼烷摻雜濃度對材料的沉積速率、材料晶化、電導率等性能參數(shù)的影響。通過優(yōu)化沉積參數(shù)，制備出了高暗電導率(?2.8X-510S/cm)、寬光學帶隙(~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)。本文重點研究了襯底溫度和硅烷濃度對u?Si:H薄膜材料的微結構以及光電學特性的影響。？C4）在上面研究的基礎上，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型結構，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，同時也針對存在的問題指明了解決的方向。關鍵詞:射頻等離子體增強化學氣相沉積、微晶硅薄膜、晶化率、太陽電池I?暨南大學碩士學位論文？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?暨南大學碩士學位論文？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?暨南大學碩士學位論文？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.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6??1.3?本論文主要的研究內(nèi)容.7??1.4?本論文的組織..7?第二章太陽電池基礎及制備工藝.9??2.1?太陽電池發(fā)電原理及構造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試.15?第三章？P型窗口材料及?N型材料的研究..16??3.1?應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?型窗口材料對薄膜太陽能電池的性能影響.16??3.2?實驗設備及表征手段..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對薄膜材料沉積速率及晶化率的影響.19??3.3.2?硼摻雜對薄膜材料微結構和光電性能的影響..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..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?I層材料的性能要求..30??4.2?襯底溫度對微晶硅薄膜結構及光學特性的影響30??4.2.1?襯底溫度對微晶硅薄膜沉積速率的影響.31??4.2.2?襯底溫度對微晶硅薄膜晶化率的影響..32??4.2.3?襯底溫度對微晶硅薄膜光學特性的影響.35??4.3?硅烷濃度對微晶硅薄膜結構及光電特性的影響35??4.3.1?硅烷濃度對微晶硅薄膜沉積速率的影響.36??4.3.2?硅烷濃度對微晶硅薄膜晶化率的影響..37??4.3.3?硅烷濃度對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?暨南大學碩士學位論文？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?微晶硅電池實驗結果與分析41??4.5?本章小結.43?第五章工作總結與展望..44?參考文獻..46?碩士研究生期間參與的研究課題.50?致謝.51V?暨南大學碩士學位論文？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，人們對石油、煤炭等傳統(tǒng)能源的需求日益加劇，同時也對環(huán)境保護提出了越來越高的要求。伴隨著各種化石能源日益增長的巨額消耗，大氣層中溫室效應氣體的含量也會不斷上升，其可能帶來的氣候災難不可估量。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,而且對環(huán)境存在嚴重的污染。因此，隨著環(huán)境污染、生態(tài)破壞及資源枯竭等日趨嚴重,為了有效地解決人類當前面臨的兩大課題，近年來世界各國競相實施可持續(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，可靠的可再生能源的發(fā)展逐漸成為當代基于化石能源的經(jīng)濟朝向可?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，它具有獨特的優(yōu)點:一是沒有使用礦物燃料或核燃料時產(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。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、無機械轉(zhuǎn)動部件等獨特優(yōu)點，尤其是可與建筑物相結合，構成光伏屋頂發(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?研究領域,國際上許多國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用太陽能能量的轉(zhuǎn)換方式主要分為光化學轉(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，風能、水能和礦物燃料等也都來源于太陽能。光學轉(zhuǎn)換是指在太陽光的照射下,物質(zhì)發(fā)生化學、生物發(fā)應,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?暨南大學碩士學位論文？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，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,應用于如燈塔、微波站、鐵路信號、電視信號轉(zhuǎn)播、管路保護等野外工作臺站的供電，海島、山區(qū)、草原、雪山和沙漠等邊遠地區(qū)的生活用電及手表、計算器、太陽能汽車和衛(wèi)星等儀器設備的電源，以及太陽能電站并網(wǎng)發(fā)電等領域。早在?1976?年，英國科學家亞當斯等在研究半導體材料時發(fā)現(xiàn):當用太陽光:?4?]?照射硒半導體材料時，如同伏特電池一樣，會產(chǎn)生電流，稱為光生伏特電？。但是，硒產(chǎn)生的光電效應很弱，到?20?世紀中期轉(zhuǎn)化效率僅為？1%左右。1954?年，?美國貝爾實驗室的？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)化效率達到6%左右，很快達到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)和應用的序幕。幾乎同時,CuS/CdS異質(zhì)結太陽電池?也被開發(fā)？，成為薄膜太陽電池研究的基礎。最初，硅太陽電池的成本很高,較常規(guī)電力高?1000?倍以上，僅用于對成本不敏感的太空衛(wèi)星和航天器上。1958?年美國發(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?年我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星也使用了太陽電池。20世紀50年代以后,幾乎所有的人造衛(wèi)星、航天飛機、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)展大大地促進了太陽電池材料和器件技術的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。？1973年由于中東戰(zhàn)爭引起的“石油禁運”，全世界發(fā)生了以石油為代表的“能源危機”，人們認識到常規(guī)能源的局限性、有限性和不可再生性，認識到新能源對國家安全的重要性，加之環(huán)境保護意識的大幅度提高，使得各國政府開始大力開展太陽能光電技術的研究和開發(fā)，尤其是大面積地面太陽能光電技術的研究和應用。此時，太陽電池在一些小型電源、遠程通信等領域得到了廣泛應用，如燈塔、微波站等野外工作臺站的供電，海島、沙漠等邊遠地區(qū)的生活用電,手表，計算器等的電源。20世紀90年代，由于太陽電池成本的持續(xù)降低，太陽電池實2?暨南大學碩士學位論文？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，與住宅屋頂相結合的太陽電池并網(wǎng)發(fā)電也成為重要的應用方向。美國、歐洲和日本先后制定了太陽能發(fā)展計劃，由政府負責提供部分研究開[8?11]?發(fā)資金和相關的產(chǎn)業(yè)扶持政策？。如1973年美國政府制定了“陽光發(fā)電計劃”，之后將太陽能光伏發(fā)電列入公共電力計劃；1992?年，美國啟動了新的“陽光發(fā)電計劃”；1997年，美國又宣布了“太陽能百萬屋頂計劃”，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70年代也制定了“陽光計劃”，1993年將“陽光計劃”、“月光計劃”和“環(huán)境計劃”組合成“新陽光計劃”,?2000?年其電池組件的成本降低至？170~210?日元/W,年產(chǎn)量達到?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90年代初提出“能源瑞士”計劃，目標是實現(xiàn)50MW光伏產(chǎn)量,？2000?年又提出后續(xù)的“能源瑞士”計劃;荷蘭能量與環(huán)境部NOVEM在？1994?年制定了？NOZ?PV?計劃,希望到？2010?年實現(xiàn)?300MW,2020?年實現(xiàn)？1400MW;德國在1991?1995年實施了第一個全國性光伏計劃“一千屋頂”計劃，1999年起開始實施“十萬屋頂”計劃;意大利在？1998?年提出“一萬屋頂計劃”，2001?年，公布“Programming?Fonti?Rinnovabili?2001”項目，其中包括光伏項目“Tetti?Fotovoltaici”，目標？7MW;西班牙在？1991~2000?年間實現(xiàn)了可在生能源方案,目標？5MW,1999?年制定？2000~2010?年計劃“Plan?de?Fomento?delas?Energias?Renovables”，目標是到?2010?年安裝？135MW?系統(tǒng);芬蘭的“國家氣候變化”項目，計劃到?2010?年安裝?40MW?光伏系統(tǒng)。我國在？1980?年以后，國家高技術研究反展計劃（863?計劃）和國家重大基礎研究計劃項目（973?項目）等都對太陽能光伏研究和開發(fā)給予了重要支持。2002年我國政府啟動“光明工程”，投入資金20億人民幣，重點發(fā)展太陽能光伏發(fā)電。由此可見,20世紀70年代以來,世界各國政府都加大了對太陽能光電研究和開發(fā)的投入，紛紛設立快速發(fā)展的屋頂計劃,制定各種減免稅政策、財政補貼政策,重點扶持本國的太陽能光伏工業(yè)，增加其國際競爭力，期望在今后的國際市場中占據(jù)更大的份額。與此同時,20世紀90年代后聯(lián)合國多次召開各種政府首腦會議，討論和制定世界太陽能發(fā)展規(guī)劃和國際太陽能公約，設立國際太陽能基金，推動全球太陽能技術的開發(fā)和利用。3?暨南大學碩士學位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？因此，自20世紀70年代以來,太陽電池的全球平均年增長率達30%以上，其中1997年電池組件全球銷售達到122MW,2000年和2001年的年銷售增長均?超過？40%,2001?年的銷售接近？400MW?。近幾年則發(fā)展迅猛,2004?年達到？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年甚至達到60%以上。預計今后10年，太陽能光電工業(yè)還將以20%?30%的速度增長,成為世界上最具發(fā)展前景的朝陽工業(yè)之一。我國從20世紀80年代起就進行太陽電池的開發(fā)生產(chǎn)，國家也在西部無電區(qū)大力推廣了離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應用，其中光明工程和鄉(xiāng)鄉(xiāng)通等工程的實施,為我國電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和電池技術的提高起到了積極的作用。近些年來國家在973和863等重大項目也將太陽電池的發(fā)展放到了重要的位置,在國家“十五”科技攻關計劃中對光伏項目都有重大安排。從2003年起，我國太陽電池產(chǎn)業(yè)增長加快,電池工業(yè)正進入了一個快速發(fā)展的階段。但總體來說，我國的電池產(chǎn)業(yè)還處在初級階段。與發(fā)達國家相比，我國在太陽電池的發(fā)展方面還存在許多問題,主要如?下？：1）研究力量薄弱、分散，實驗條件差，沒有形成權威、高水平的一個國家級研究結構；2）太陽能利用基礎理論特別是光伏物理學科發(fā)展薄弱；3）太陽能利用基礎材料特別是光伏材料與器件依賴進口。?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，要想在市場上受歡迎就必須有較高的性價比，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到市場和消費者可接受的程度。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: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期穩(wěn)定性;第四，要減少生產(chǎn)線設備投資，降低太陽能電池產(chǎn)4?暨南大學碩士學位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？?業(yè)的進入門檻;第五，要擴大生產(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，給困擾人類社會物質(zhì)文明可持續(xù)發(fā)展的能源危機和環(huán)境污染問題的解決帶來了曙光。但成本和價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一步目標和任務。?1.2?微晶硅薄膜太陽電池的研究現(xiàn)況及發(fā)展趨勢?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，占領了90%的光伏市場，是當今光伏市場的主流。但單晶硅太陽能電池制備工藝復雜，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格及繁瑣的電池工藝，單晶硅太陽能電池的成本價格居高不下，難以大幅度降低。為了進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日漸興起。由于該技術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襯底上實現(xiàn)大面?積沉積？。因此，從長遠來看，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襯底上沉積非晶及多晶硅薄膜,Carlson和Wronski在1976年首次報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，但是由于其光學帶隙為1.7eV左右,使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區(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？，光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延長而衰減，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，在對光響應波長上比非晶寬，達到了1200nm波長范圍，同時具有5?暨南大學碩士學位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？穩(wěn)定光學性質(zhì)。而且，微晶硅薄膜電池由于可以在廉價襯底材料上制備,所使用的硅材料遠較單晶硅少?沒有效率衰退問題?具有可與a?Si兼容的低溫成膜技術，有利制成疊層電池?工藝過程簡單，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？。將微晶硅和非晶硅結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90年代中期,微晶硅電池的效率已經(jīng)超過非晶硅，達到10%以上,而且基本上沒有出現(xiàn)光致衰退效應，相信微晶硅薄膜太陽能電池不久將會在太陽能電池的市場上占據(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一步發(fā)展。就微晶硅薄膜材料本身的制備來說，其?中一個重要問題，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，沉積時間比較長,這就阻礙了它的產(chǎn)業(yè)化?；诔练e速率的重要性，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的探索研究，并取得了許多重大的進展。較早開始對沉積速率進行研究的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%效率的單結微晶硅薄膜太陽電池，在0.9nm/s的沉積速率下?效率也達到了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。為了實現(xiàn)質(zhì)量優(yōu)良的器件級微晶硅薄膜材料的高速沉積，進一步降低微晶硅薄膜太陽能電池的成本,人們對微晶硅的沉積方法進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?烷分解的化學氣相沉積技術相繼得到應用？。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?暨南大學碩士學位論文？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?術兼容性，因此,VHF?PECVD技術制備微晶硅薄膜迅速成為研究的熱點？。？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6.7%?。對傳統(tǒng)的雙極型VHF?PECVD進行結構改進，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一步提升,Chisato等獲得了10nm/s左右的沉積速?率，同時使薄膜的缺陷保持在非常低的水平？。?1.3?本論文主要的研究內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)有的實驗設備條件，我們擬采用射頻等離子體增強化學氣相沉積（RF-PECVD）技術沉積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、寬光學帶隙的微晶硅薄膜材料的技術途徑。2）著重研究襯底溫度和硅烷濃度對I型？口?Si:H?薄膜材料的微結構以及光C電學特性的影響，探索獲得高晶化率、強光敏性的I型微晶硅薄膜材料的制備工藝。?3）在高硅烷濃度、重摻雜的條件下,制備高電導的N型非晶硅。？4）在上面研究的基礎上，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，并在此基礎上，制備了微晶硅薄膜太陽電池和進行了性能的分析。論文的各章節(jié)安排如下：第一章，簡述本文的研究背景、國內(nèi)外對太陽能電池的研究狀況和應用歷史以及指出了太陽能電池的發(fā)展趨勢。第二章，介紹了太陽能電池的工作原理及結構，說明了太陽能特性的表征手段及測試工具。7?暨南大學碩士學位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？第三章，重點研究了硅烷濃度和硼烷摻雜濃度對P層材料、磷烷摻雜濃度對N層材料的性能影響，為制備微晶硅薄膜太陽電池準備了材料基礎。第四章，著重研究了襯底溫度和硅烷濃度對I層材料的性能影響，并在前面的研究基礎上，制備了微晶硅薄膜太陽電池和作了特性分析。第五章，對全文進行了總結，并對下一步的研究工作提出了建議。8?暨南大學碩士學位論文？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及制備工藝?2.1?太陽電池發(fā)電原理及構造太陽電池的基本原理是基于半導體的光生伏特效應將太陽輻射直接轉(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鍵中被釋放，由此產(chǎn)生電子-空穴對，但在很短的時間內(nèi)電子又被捕獲,即電子和空穴“復合”。當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p-n結。此時在界面層n型材料中的自由電子和p型材料中的空穴相對應。由于正負電荷之間的吸引力，在界面層附近n型材料中的電子擴散到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現(xiàn)平衡。與此相反，空穴擴散到n型材料中與自由電子復合。這樣在界面層周圍形成一個無電荷區(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)形成一個正的空間電荷區(qū)和在p型區(qū)形成一個負空間電荷區(qū)。太陽電池在無光照時，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。對于太陽電池來說，界面層應當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鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對。界面層附近的電子和空穴在復合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正的n區(qū)和空穴向帶負電的p區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在p區(qū)和區(qū)之間產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.5?0.6V。用一個電流表也可測量電流的強度。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對越多，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?暨南大學碩士學位論文？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該相應做得薄一些，以便光線可幾乎無衰減地到達界面層。總而言之,在光照條件下，只有具有足夠能量的光子進入p-n結區(qū)附近才能產(chǎn)生電子-空穴對。圖2-1為用能量帶圖表示的帶間激勵引起的光傳導現(xiàn)象的示e?e?意圖。當大于禁止帶寬的g?的能量的光(hw?g?)照射在半導體上時，由于帶間遷移作用，價電子帶中的電子被激勵，而產(chǎn)生電子-空穴對，使電氣傳導?度增加？。？e?ce?ghw?ev圖2-1帶間激勵引起的光傳導現(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?暨南大學碩士學位論文？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。圖中的實線為太陽電池被光照時的電壓-電流特性，虛線為太陽電池未被光照時的電壓-電流特性。圖2-2太陽電池的電壓-電流特性無光照射時的暗電流相當于PN接合的擴散電流，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結兩端的少數(shù)載流子和擴散常量決定的常數(shù)；I0?V:光照射時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?結被光照射時，所產(chǎn)生的載流子的運動方向與(2.1)式中的電流方向相反，用？表示。光照射時的太陽端子電壓V與光電流密度？的關系如下:？J?I?sc?ph?eV?=?[exp??-1]-?(2.2)I?IJ?ph?0?sc?nkT?這里,？與被照射的光的強度有關，相當于太陽電池端子短路時的電流，J?sc?稱為短路光電流密度。當太陽電池接上最佳負載電阻時，其最佳負荷點為電壓電流特性上的最大電壓？與最大電流？的交點，圖中的斜線部分的面積相當于太陽電池的輸出V?I?mp?mp?11?暨南大學碩士學位論文？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?由于最佳負荷點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結的正向注入電流,I為太陽電池提供的負載電流。但是，在實際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，所以實際等效電路ShS?如圖2-4所示？。圖2-3理想p-n結太陽電池的等效電路12?暨南大學碩士學位論文？PECVD法制備微晶硅薄膜材料及太陽能電池？圖2-4實際p-n結太陽電池的等效電路由p-n結太陽電池的等效電路可知，其中有一個恒流源和p-n結并聯(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II[33,34]?載電阻，此時p-n結太陽電池的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結太陽電池的I-V曲線13?暨南大學碩士學位論文？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，太陽能電池的輸出電壓值?？捎酶邇?nèi)阻的直流毫伏計測量電池的開路電壓。由圖2-5可知，在電流為0時，電壓最大，即為開路電壓？，此時:？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準光源的照射下，在輸出端短I?SC?路時,流過太陽能電池兩端的電流。測量短路電流的方法,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，電流最大，即為短路？，此時:？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載電阻而變化的，將不同阻值所對應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？表示。此時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，是代表太陽能電池在帶最佳負載時，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?暨南大學碩士學位論文？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載電阻時的最大能量轉(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)量和技術水平的重要參數(shù)，它與電池的結構、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。其中與制造電池半導體材料禁帶寬度的關系最為直接。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體中產(chǎn)生光生電子-空穴對,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，因為能量大于禁帶寬度的光子在激發(fā)出電子-空穴對后剩余的能量轉(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試實驗所制備的電池樣品采用西安交通大學研制的XJCM-8X小型半自動單片太陽能電池專用測試儀進行性能測試，采用脈沖氙燈作為模擬太陽光源，測試光2?源為?AM1.5(1000W/m?),色溫為560