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太阳能电池用α-SiC_x:H薄膜的制备与性能研究

作　者: 张瑞丽
导　师: 席珍强
学　校: 浙江理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 太阳能电池非晶碳化硅薄膜 PECVD 减反射钝化
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高效率低成本的晶体硅太阳能电池的制备对于大规模利用太阳能发电有着十分重要的意义。制备性能优良的减反射钝化薄膜是生产高效率低成本晶体硅太阳电池的重要工序之一。采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)设备制备的硅太阳能电池减反射钝化膜,除了能够减少电池对太阳光的反射,还能起到钝化硅片的作用,进而提高电池的转换效率。本文研究了一种新型的太阳能电池减反射钝化膜——α-SiCx:H薄膜。采用PECVD设备,以硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)为气源制备了具有减反射和钝化作用的α-SiCx:H薄膜。首先,系统地研究不同衬底温度、射频功率、气源流量比对α-SiCx:H薄膜表面形貌、化学结构、光学带隙等性能的影响,并对薄膜的成膜机理和结构模型进行了探讨；其次,对α-SiCx:H薄膜应用于晶体硅太阳能电池的减反射性能进行了研究；最后,探讨了α-SiCx:H薄膜对单晶硅片和多晶硅片的钝化作用。主要实验结果如下：1.衬底温度、SiH4/CH4流量比及射频功率对PECVD沉积α-SiCx:H薄膜的形貌、化学结构以及光学性能有很大影响。随着衬底温度的升高,薄膜致密度增加,Si-C键含量增大,生长速率降低,折射率增大,光学带隙变窄；随着SiH4/CH4流量比的增大,薄膜生长速率降低,光学带隙变宽,粗糙度先降低后升高,并且,当SiH4/CH4流量比为1：2时,薄膜致密度最高；随着射频功率增大,薄膜致密度增加,Si-C键含量增大,折射率增大,光学带隙变宽,薄膜生长速率先增后稳。2.对α-SiCx:H薄膜的减反射性能进行了研究和讨论。正交优化实验结果表明,制备减反射性能优良的α-SiCx:H薄膜的最佳条件为：衬底温度250℃,SiH4/CH4流量比为1：3,射频功率35 W。在优化实验结果的指导下,研究了最优条件下制备的α-SiCx:H薄膜的减反射性能,发现此薄膜有很低的反射率和良好的透过率。比较α-SiNx:H薄膜和α-SiCx:H薄膜的光学性能后,发现α-SiCx:H薄膜和α-SiNx:H薄膜一样,具有良好的减反射性能。3.α-SiCx:H薄膜能提高单晶硅和多晶硅的少子寿命,具有表面钝化和体钝化的双重作用。随着衬底温度的升高,衬底材料的少子寿命明显增大,α-SiCx:H薄膜的钝化效果增强。在300℃时达到最优,随后有所降低。随着SiH4与CH4流量比的增大,α-SiCx:H薄膜钝化效果而增强。射频功率的变化对α-SiCx:H薄膜钝化效果的影响不明显,单晶硅片和多晶硅片的少子寿命略有升高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-26
  1.1 引言  10-12
  1.2 太阳能电池的发展、原理和工艺  12-19
    1.2.1 太阳能电池的发展现状与趋势  12-14
    1.2.2 太阳能电池的发电原理  14-16
    1.2.3 太阳能电池的制造工艺  16-19
  1.3 太阳能电池减反射钝化薄膜原理  19-22
    1.3.1 减反射原理  19-21
    1.3.2 钝化原理  21-22
  1.4 晶体硅太阳能电池减反射钝化薄膜的研究进展及存在问题  22-24
    1.4.1 减反射钝化薄膜的种类及发展历史  22-23
    1.4.2 减反射钝化薄膜的存在问题  23-24
  1.5 α-SiC_x:H薄膜的研究进展  24
    1.5.1 α-SiC_x:H的性质  24
    1.5.2 α-SiC_x:H的研究进展  24
  1.6 课题研究的意义、目的与内容  24-25
    1.6.1 课题研究意义与目的  24-25
    1.6.2 课题研究内容  25
  1.7 本章小结  25-26
第2章实验方法、过程与测试方法  26-37
  2.1 PECVD沉积设备  26-27
    2.1.1 PECVD设备的结构  26-27
    2.1.2 PECVD设备的工作原理  27
  2.2 实验内容  27-33
    2.2.1 实验材料准备  27-28
    2.2.2 衬底的清洗  28-29
    2.2.3 薄膜制备步骤  29-30
    2.2.4 沉积条件对薄膜性质影响实验  30-31
    2.2.5 减反射性能研究实验  31-33
      2.2.5.1 优化实验  31-33
      2.2.5.2 减反射性能研究实验  33
      2.2.5.3 与氮化硅减反射性能对比实验  33
    2.2.6 钝化实验  33
  2.3 性能测试设备  33-36
    2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)  34
    2.3.2 电子能谱仪(EDS)  34
    2.3.3 原子力显微镜(AFM)  34
    2.3.4 傅立叶转换红外光谱仪(FTIR)  34
    2.3.5 X光电子能谱仪(XPS)  34-35
    2.3.6 紫外可见近红外分光光谱仪  35
    2.3.7 光学膜厚测试仪  35-36
    2.3.8 微波光电子衰减仪(μ-PCD)  36
    2.3.9 X射线衍射仪(XRD)  36
  2.4 本章小结  36-37
第3章 PECVD沉积条件对α-SiC_x:H薄膜性质影响研究  37-57
  3.1 衬底温度对α-SiC_x:H薄膜结构和性能的影响  37-43
    3.1.1 不同衬底温度下α-SiC_x:H的表面形貌  37-38
    3.1.2 不同衬底温度下α-SiC_x:H薄膜的化学结构  38-41
    3.1.3 衬底温度对α-SiC_x:H薄膜生长速率的影响  41
    3.1.4 不同衬底温度下α-SiC_x:H薄膜的折射率  41-42
    3.1.5 不同衬底温度下α-SiC_x:H的光学带隙(Eg)  42-43
  3.2 SiH_4与CH_4流量比对α-SiC_x:H薄膜结构和性能的影响  43-48
    3.2.1 不同流量比下α-SiC_x:H薄膜的表面形貌  43-44
    3.2.2 不同流量比下α-SiC_x:H薄膜的化学结构  44-46
    3.2.3 流量比对α-SiC_x:H薄膜生长速率的影响  46
    3.2.4 不同流量比下α-SiC_x:H薄膜的折射率  46-47
    3.2.5 不同流量比下α-SiC_x:H薄膜的光学带隙(Eg)  47-48
  3.3 射频功率对α-SiC_x:H薄膜结构和性能的影响  48-52
    3.3.1 不同射频功率下α-SiC_x:H薄膜的表面形貌  48-49
    3.3.2 不同射频功率下α-SiC_x:H薄膜的化学结构  49-50
    3.3.3 射频功率对α-SiC_x:H薄膜生长速率的影响  50
    3.3.4 不同射频功率下α-SiC_x:H薄膜的折射率  50-51
    3.3.5 不同射频功率下α-SiC_x:H薄膜的光学带隙(Eg)  51-52
  3.4 α-SiC_x:H薄膜沉积机理讨论  52-56
  3.5 本章小结  56-57
第4章 α-SiC_x:H薄膜减反射性能研究  57-62
  4.1 优化实验结果分析  57-58
  4.2 减反射性能研究  58-60
  4.3 与氮化硅减反射膜的对比  60-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章 α-SiC_x:H薄膜对不同衬底的钝化效果研究  62-67
  5.1 不同衬底温度下制备的α-SiC_x:H薄膜的钝化效果  64
  5.2 不同气体流量比下制备的α-SiC_x:H薄膜的钝化效果  64-65
  5.3 不同射频功率下制备的α-SiC_x:H薄膜的钝化效果  65-66
  5.4 本章小结  66-67
第6章结论与展望  67-69
参考文献  69-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利情况  77

太阳能电池用α-SiC_x:H薄膜的制备与性能研究

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