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单结氢化纳米硅薄膜太阳电池的研究

作　者: 高晓妮
导　师: 丁建宁
学　校: 江苏大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 氢化纳米硅薄膜晶态含量太阳电池光学禁带宽度开路电压短路电流
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

能源是国民经济的基本动力。在严峻的能源危机和生态环境恶化的压力下,世界各国都把开发利用可持续的清洁能源作为未来的能源发展战略。在当前迅速发展的绿色能源中,太阳能以其资源丰富、没有地域界限、清洁等独特优势而占有重要的地位。影响太阳能光伏器件大规模应用的最主要因素,一是成本问题,二是转换效率问题。新结构材料氢化纳米硅薄膜由于具有卓越的光学稳定性和电学特性,备受科研界关注—氢化纳米硅(nc-Si:H)由各占薄膜体积百分比约50%的细微硅晶粒(晶粒大小2～10nm)和无序晶界界面组成,界面区厚度约为2～4个原子层,也有研究小组称这种新颖材料为非晶纳米结构。这种结构既有非晶硅薄膜宽光学带隙,又具有单晶硅的高电导和光稳定性的优势。人们利用这些特性已成功开发了如发光二极管、隧道二极管等光电器件。本论文旨在利用氢化纳米硅的特殊性质制备薄膜太阳电池。本论文首先通过改变工艺条件进行分组式氢化纳米硅薄膜的生长,并对其进行表征以及光电性能测试。在此基础上,研究制备工艺参数对薄膜微结构和对薄膜光电性能的影响。最后对单结氢化纳米硅薄膜太阳电池性能进行了模拟分析。对于本征氢化纳米硅薄膜:1)通过实验发现,随着硅烷流量的增加,纳米硅薄膜内的晶态含量X_c逐渐减少,而晶粒尺寸却呈现增大趋势;然而当仅增加变直流偏压时,对晶粒尺寸的影响甚微,而晶态含量却从36%直线增加到51.4%。结合晶粒生长动力论,我们可以认为:直流偏压提供了晶粒成核的动力。2)生长温度的高低直接影响薄膜的晶态比和晶粒大小。本文通过实验发现,随着薄膜衬底温度的增加,nc-Si:H薄膜中晶粒尺寸以及晶态含量都呈现上升趋势;沉积时间也会对薄膜微结构产生影响。随着沉积时间的延长,氢化纳米硅薄膜中晶态成分呈现微小的上升趋势,同时也有利于薄膜进行规律性生长。3)射频功率作为另一激励源,控制着反应腔室内反应离子动能的大小,射频功率越大腔室内的反应离子运动越是剧烈,薄膜的拉曼光谱出现蓝移,即出现结晶增多现象。4)随着硅烷浓度的增加,薄膜由于非晶化成分增加,光学禁带宽度(E_g)增加,然而直流偏压的增加使得E_g从2.2eV下降到1.6eV。对薄膜样品的拉曼谱进行拟合与分析,选择薄膜内部晶粒尺寸变化甚微,仅内部晶态含量X_C变化的样品,分析发现:随着X_C的增加,禁带宽度呈下降趋势,从而真正实现了对光学禁带宽度的间接可控。P型(掺杂硼元素)氢化纳米硅薄膜作为太阳电池的窗口层,通过实验发现:在仅改变硼烷含量的情况下:当硼烷流量增多时,由于硼烷对薄膜生长的毒化作用,晶态含量逐渐减少,呈线性变化;而对于晶粒尺寸以及禁带宽度,都出现异于本征薄膜的变化趋势;而当只改变直流偏压时,晶态含量随着直流偏压的增加,相应地由39.7%增加到51.6%。呈单调增加的趋势与本征氢化纳米硅薄膜的变化相符一致。可见,无论是在掺杂或是本征生长的情况下,直流偏压都是晶粒生长的动力。然而对于硼烷流量的控制,由于硼烷这种非碳氮族元素的加入,发生复杂的结键、晶粒生长;尤其随着硼烷含量的变化,薄膜的生长愈加复杂化,所以对掺硼氢化纳米硅薄膜的微观结构应进行更深入的研究。另外,在结合光伏器件对Ⅰ层本征氢化纳米硅薄膜光电性能的要求基础上,利用宾夕法尼亚州州立大学的太阳能电池模拟软件AMPS(Analysis ofMicroelectronic and Photonic Structures),改变Ⅰ层薄膜的厚度和光学禁带宽度等情况下,研究各纳米硅薄膜性能改变时对太阳电池的输出性能:开路电压、短路电流、填充因子以及转换效率的影响。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章引言  11-21
  1.1 课题的研究背景  11-13
  1.2 太阳电池的特点和分类  13-15
    1.2.1 太阳电池的特点  13
    1.2.2 太阳电池的分类  13-15
  1.3 太阳电池的国内外研究现状和进展  15-18
    1.3.1 国际太阳电池的研究进展  15-17
    1.3.2 国内太阳电池的研究进展  17-18
  1.4 氢化纳米硅薄膜材料应用  18-19
  1.5 本课题的研究内容  19-21
第二章氢化纳米硅薄膜的结构、性能和制备方法  21-36
  2.1 氢化纳米硅薄膜的结构  21-22
  2.2 氢化纳米硅薄膜的制备方法  22-26
    2.2.1 物理气相沉积及溅射法  23-24
    2.2.2 化学气相沉积法(CVD)  24-26
  2.3 氢化纳米硅薄膜的生长机制  26-29
    2.3.1 薄膜气相成核和成核长大  26-27
    2.3.2 氢化纳米硅薄膜的淀积机理  27-29
  2.4 氢化纳米硅薄膜的性能  29-31
    2.4.1 纳米材料的四个效应  29-30
    2.4.2 纳米材料的性能  30-31
  2.5 薄膜的性能与表征技术  31-36
第三章氢化纳米硅薄膜的制备以及工艺条件对薄膜的影响  36-54
  3.1 氢化纳米硅薄膜的制备  36-39
    3.1.1 氢化纳米硅薄膜制备的硬件设施  36-37
    3.1.2 衬底准备  37-39
    3.1.3 氢化纳米硅薄膜的制备参数  39
  3.2 改变气体流量对氢化纳米硅薄膜微结构的影响  39-43
    3.2.1 硅烷浓度对本征氢化纳米硅薄膜微结构的影响  40-42
    3.2.2 硼烷浓度对P型氢化纳米硅薄膜微结构的影响  42-43
  3.3 直流偏压对氢化纳米硅薄膜微结构的影响  43-45
    3.3.1 直流偏压对本征氢化纳米硅薄膜微结构的影响  44
    3.3.2 直流偏压对P型氢化纳米硅薄膜微结构的影响  44-45
  3.4 其他工艺条件对氢化纳米硅薄膜微结构的影响  45-49
    3.4.1 射频对氢化纳米硅薄膜微结构的影响  45-46
    3.4.2 沉积时间对氢化纳米硅薄膜微结构的影响  46-47
    3.4.3 沉积温度对本征氢化纳米硅薄膜微结构的影响  47-49
  3.5 制备条件对氢化纳米硅薄膜光学性能的影响  49-54
    3.5.1 制备条件对本征氢化纳米硅的影响  50-52
    3.5.2 制备条件对掺杂型氢化纳米硅薄膜的影响  52-54
第四章单结氢化纳米硅薄膜太阳电池的研究  54-69
  4.1 太阳电池的工作原理  54-57
    4.1.1 太阳电池的构成材料—半导体材料  54-55
    4.1.2 本征半导体、掺杂半导体  55
    4.1.3 光子能量的吸收  55-56
    4.1.4 太阳电池的工作原理  56-57
  4.2 单结氢化纳米硅薄膜太阳电池的结构  57-59
    4.2.1 P型掺杂层  58-59
    4.2.2 N型掺杂层  59
  4.3 太阳电池输出性能的模拟  59-64
    4.3.1 太阳电池的输出特性  59-61
    4.3.2 太阳电池的输出性能模拟  61-64
  4.4 提高单结太阳电池效率的方法  64-69
    4.4.1 正面倒金字塔织构化  65-67
    4.4.2 背反射膜  67-69
第五章结论与展望  69-72
  5.1 工作总结  69-70
  5.2 工作展望  70-72
参考文献  72-77
攻读学位期间发表的论文以及获奖情况  77-78
致谢  78

单结氢化纳米硅薄膜太阳电池的研究

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