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非晶硅太阳电池的制备及微晶硅电池的数值模拟

作　者: 赵本定
导　师: 毛艳丽; 王文静
学　校: 河南大学
专　业: 光学工程
关键词: 非晶硅 等离子体增强化学气相沉积 微晶硅电池 AMPS-1D
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近年来，由于常规能源的大量使用所导致的气候变暖和生态恶化等问题变得越来越严重。因此清洁、无污染、可重复利用的新能源越来越引起人们的重视。由于太阳能具有无污染、低成本、不受场地限制等优点，在核能、风能等新能源中极具前景。硅薄膜太阳电池相对晶硅电池而言，具有制备工艺简单，制备温度低，耗材少，能沉积在廉价的衬底上等特点，已成为人们研究的热点。本论文以硅薄膜太阳电池为研究的重点。论文内容分为两部分：首先采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法制备了非晶硅薄膜和单结非晶硅电池；其次用美国宾州大学开发的太阳电池模拟软件AMPS-1D（Analysis of Microelectronic andPhotonic Structures）模拟了微晶硅电池的性能。使用等离子增强化学沉积设备(PECVD)在不同衬底上(石英、硅片)制备了硅薄膜。通过测试硅薄膜的透射谱、拉曼谱和傅里叶红外吸收谱，分析了沉积条件与硅薄膜沉积速率和光学带隙大小之间的关系。硅烷流量和沉积压强决定了硅薄膜光学带隙的大小；氢气流量对硅基薄膜材料的光学带隙影响次之；沉积功率和沉积温度对硅薄膜光学带隙的影响相对其它三个沉积条件来说较弱。硅烷流量对材料沉积速率的影响起到主要作用；沉积压强对材料沉积速率的影响居于次要位置；沉积功率和沉积温度对非晶硅薄膜沉积速率的影响较小；对材料沉积速率影响最小的是氢气流量。非晶硅电池窗口层光学带隙的大小影响着电池的性能。非晶硅电池窗口层光学带隙的增加可以促进本征层中光生载流子的产生和提高非晶硅电池的开路电压。通过改变P层的沉积压强和沉积温度，以便于制备出宽光学带隙的P层。非晶硅电池的PIN三层的光学带隙的不连续，导致在P\I界面和I\N界面分别形成了能带不连续，导致了光生载流子在界面的复合和降低了本征层中电场的强度。非晶硅电池界面通过引入渐变层来改善P\I界面和I\N界面。非晶硅电池渐变层厚度对电池性能也是一个重要的影响因素，因而对其进行了研究和讨论。通过优化P\I界面和I\N界面制备得到非晶硅电池，Voc、FF分别是923mV、66.7%，非晶硅电池的效率是6.47%。通过优化窗口层的掺杂浓度制备出了转换效率为7.1%的非晶硅电池，其性能参数Voc、FF、Jsc分别是917mV、69.9%、11.08mA/cm2。运用美国宾州大学开发的太阳电池模拟软件AMPS-1D对微晶硅太阳电池进行了模拟计算，微晶硅电池结构为Glass/TCO/p/i/n/Al。重点研究了窗口层厚度、前端接触势垒等因素对微晶硅pin太阳电池内建电势和p层势垒的影响，并分析了这些因素对太阳电池性能影响的机制。模拟结果表明前端接触势垒越大微晶硅电池性能越好。在前端接触势垒小于1.30eV时，p层厚度对电池性能影响明显，在厚度为12nm时微晶硅电池可以获得最好性能。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 硅薄膜太阳电池的发展趋势及研究现状  10-24
  1.1 引言  10-11
  1.2 太阳电池的发展趋势  11-12
  1.3 非晶硅电池  12-13
  1.4 硅基薄膜叠层太阳电池  13-17
    1.4.1 微晶硅薄膜电池  15-16
    1.4.2 纳米硅电池  16-17
  1.5 太阳电池工作原理和性能参数  17-20
    1.5.1 太阳电池工作原理  17-19
    1.5.2 太阳电池的性能参数  19-20
  1.6 本论文的主要内容和研究思路  20-22
  参考文献  22-24
第二章 硅基薄膜制备所用沉积系统及其特性表征  24-32
  2.1 硅基薄膜制备的理论和沉积系统的介绍  24-26
    2.1.1 硅基薄膜制备的理论  24-25
    2.1.2 等离子增强化学气相沉积系统  25-26
  2.2 实验中使用材料和实验流程的介绍  26-27
    2.2.1 实验中使用的材料  26
    2.2.2 实验过程  26-27
  2.3 非晶硅材料和电池的测试方法  27-29
    2.3.1 拉曼光谱(Raman)  27-28
    2.3.2 硅薄膜的透射谱的测试  28-29
    2.3.3 傅立叶变换红外吸收谱(简称 FTIR）  29
  2.4 本章小结  29-30
  参考文献  30-32
第三章 非晶硅薄膜电池的制备和研究  32-54
  3.1 引言  32
  3.2 硅薄膜性能的研究  32-40
    3.2.1 硅薄膜的正交试验  32-34
    3.2.2 对硅薄膜材料的光学带隙的研究  34-38
    3.2.3 硅薄膜沉积速率的研究  38-40
  3.3 非晶硅电池的制备和研究  40-51
    3.3.1 电池本征层的氢稀释比优化  41
    3.3.2 P 层沉积压强的优化  41-45
    3.3.3 P 层沉积温度的优化  45-48
    3.3.4 非晶硅电池 P\I 界面和 I\N 界面的优化  48-50
    3.3.5 典型的非晶硅电池  50-51
  3.6 本章小结  51-52
  参考文献  52-54
第四章 微晶硅薄膜太阳电池的数值分析  54-64
  4.1 模拟软件原理介绍和使用说明  54-55
    4.1.1 模拟软件原理介绍[1]  54-55
    4.1.2 模拟软件使用说明  55
  4.2 微晶硅电池的数值分析  55-61
    4.2.1 微晶硅电池模拟参数的设置  55-57
    4.2.2 窗口层厚度和前端接触势垒对内建电场的影响  57-58
    4.2.3 P 层厚度、掺杂浓度、间隙态和前端接触势垒对 P 层势垒的影响  58-59
    4.2.4 微晶硅电池性能分析  59-61
  4.3 本章小结  61-62
  参考文献  62-64
第五章 结论与展望  64-66
  5.1 实验结论  64-65
    5.1.1 非晶硅材料和电池制备及研究  64
    5.1.2 硅薄膜电池的数值分析  64-65
  5.2 展望  65-66
致谢  66-67
硕士期间完成的论文  67-68

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池
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