（凝聚态物理专业论文）碲化镉太阳电池的器件物理研究.pdf

凹川人学颤上论文碲化镉太1 , 1 1 电池的器件物理i ) f 究摘要 碲化镉太阳电池的器件物理研究 凝聚态物理专业 研究生杨敏指导教师张静全 c d t e 多晶薄膜太阳电池是目前重点发展的高效率、低成本、长寿命薄 膜太阳电池之。对太阳电池进行器件物理研究，是发展高效率c d t e 太阳 电池的一个重要方面。本文研究了z n t e ：c u 背接触层的制备工艺对薄膜结构、 性质的影响，探讨了c u 原子在薄膜中的行为。在此基础上制备了c d t e 太阳 电池，进一步研究各种参数与c d t e 太阳电池器件物理的关系；然后以实验 测量为基础使用s c a p s 软件模拟计算了c d s c d t e 多晶薄膜太阳电池的器 件特性，分析了各种影响电池性能的因素，为进一步提高电池转换效率提供 了参考。 z n t e ：c u 多晶薄膜的x a f s 结果及各种光学、电学性质表征表明： z n t e ：c u 多晶薄膜中存在着与c u 原子相关的z n t e 立方相一一六方相结构转 变，并伴随着t e c u 相的形成，c u 原子的配位数随薄膜掺铜浓度，退火温 度的改变而基本不变。c u 原子浓度不同，进入z n t e 晶格导致的晶格畸变程 度不同以及c u 原子在不同温度退火后表现的不同化学价念和它对薄膜中 z n t e 晶格的影响是引起这种结构相变的原因。正是这种结构相变导致了高 掺杂浓度z n t e 薄膜的光能隙收缩，光能隙随退火温度升高由2 0 7 e v 增大到 2 1 5 e v ，迁移率在o 0 3 0 3 9c m 2 v s e c 范围内波动变化，薄膜电导率一温 度曲线出现反常现象。 c d t e 太阳电池的器件特性测试结果显示：电池开路电压v o c 随z n t e ：c u 薄膜的退火温度升高而单调增加；退火温度过高( 2 0 0 ) 和过低( 1 8 0 ) ，都 会使短路电流i s e 下降；使用背接触层有效改善了电池背电极与c d t e 多晶薄 膜的接触特性，减小了串联电阻；载流子浓度随退火温度升高由1 0 ”t i n 刁 量级降低到1 0 “c m 。量级；二极管理想因子a 随温度降低而增大，与窄温时 i 明川夫学硕f 论文 碲化镉太阳电池的器件物理研究摘要 相比，2 2 0 k 的反向暗饱和电流密度j o 降低了一个数量级：电容随光强的变 化与器件各层薄膜中的深能级有关；正向偏压较大时，电池电容随温度升高 而减小：c v 曲线随频率变化而出现的单双峰变化与器件中相邻膜层的界面 态有关，使用p - n 结电容形成机制解释了电容随频率升高而减小的现象。 分析s c a p s 软件模拟的不同结构、背接触势垒高度、c d s 和c d t e 层掺 杂浓度，以及不同频率和温度下的c d s c d t e 太阳电池i - v 、c - v 特性曲线， 发现：有z n t e ：c u 背接触层的c d t e 太阳电池，r o l l o v e r 现象程度降低：背 接触势垒增加到o 4 7 e v 时，j v 曲线产生r o l l o v e r 现象，且饱和电流密度值 随背接触势垒的增大而降低；背接触势垒高度达到0 4 2 e v 以上时，c v 特 性曲线表现为双峰；当温度升高到3 8 0 k 时，j v 曲线不再出现r o l l o v e r 现 象，c v 曲线中高压端峰消失：c d t e 有效掺杂浓度随吸收层掺杂浓度的增 加而增大。使用双二极管模型解释了上述现象。因此，改善电池的背接触特 性，降低背接触势垒高度，提高c d t e 层掺杂浓度是提高c d t e 太阳电池转换 效率的有效途径。 关键词：c d t e 太阳电池；z n t e ：c u 薄膜；i - v 特性；c ，v 特性 四川入学硕i 。论文碲化锅太刚电池的器件物理研究摘要 d e v i c ep h v s i c ss t u d yo fc d t es o l a rc e l l s p e c i a l i t y ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：y a n gm i nt u t o r ：z h a n gj i n g q u a n a so n eo ft h et h i nf i l ms o l a rc e l l sw i t hh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dl o n g l i f e t i m e ，c d t ep o l y c r y s t a l l i n et h i nf i l ms o l a rc e l l sh a v ea t t r a c t e df o c u si nt h e p h o t o v o l t a i cf i e l d 1 r i l ed e v i c ep h y s i c ss t u d yi sa ne f f e c t i v em e t h o dt od e v e l o p l l i g he f f i c i e n c yc d t es o l a r c e l l s t h i st h e s i sh a s i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to f z n t e ：c ub a c kc o n t a c tp r e p a r a t i o np r o c e s so nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，a n d d i s c u s s e dt h ea c t i o no fc ua t o mi nz n t e ：c ut h i nf i l m s t h ec d t es o l a rc e l l sh a v e b e e np r e p a r e dt o i n v e s t i g a t e t h ee f f e c to fz n l l e ：c ub a c kc o n t a c tp r e p a r a t i o n p r o c e s s o nt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s t h em a i nf a c t o r st ol i m i tc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fc d t es o l a rc e l l sh a v eb e e na n a l y z e da f t e rt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s o fc d t ep o l y c r y s t a l l i n et h i nf i l ms o l a rc e l l sw e r es i m u l a t e db a s e do nm a t e r i a l p a r a m e t e r sf r o mt h ee x p e r i m e n tm e a s u r e m e n t sa n dt h el i t e r a t u r er e p o r t e d t h ee f f e c t so fc o p p e rc o n c e n 仃a t i o na n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h e s t r u c t u r ea n dt h eo p t i c a l ，e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fz n t e ：c uf i l m sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s et r a n s f o r m i t i o nb e t w e e n h e x a g o n a la n dc u b i ce x i s t si nz n t e ：c uf i l m sw i t hc u x t ep h a s ef o r m a t i o n t h e c o o r d i n a t i o nn u m b e ro fc ua t o md o e sn o tv a r yw i t hc o p p e rc o n c e n t r a t i o na n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e n l eo p t i c a le n e r g yg a po fz n t e ：c uf i l m si n c r e a s e st o 2 15 e vf r o m2 0 7 e v a n dt h em o b i l i t yr a n g e sf r o m0 0 3c m 2 ，v s e ct o0 3 9 c m v s e c w h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d t h ea c t i o no fc ua t o mi n z n t e ：c uf i l m sa n dt h ea b n o r m a lc o n d u c t i v i t y t e m p e r a t u r ec u r v e so fz n t e ：c u f i l m sh a v eb e e ns t u d i e d i 四川大学硕l ：i 仓z 碲化镉太阳电池的器件物理研究 摘耍 t h ee f f e c t so fc e l ls t r u c t u r e ，i l l u m i n a t i o ni n t e n s i t y , c o p p e rc o n c e n t r a t i o na n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo fz n t e ：c uf i l m s ，t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c yo nt h e d e v i c ec h a r a c t e r i s t i c so fc d t ep o l y c r y s t a l l i n et h i nf i l ms o l a rc e l l sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ev o ci n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo fz n t e ：c u t h ei s c d e c r e a s e dw h e nt h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sb e l o wt h a n1 8 0 。c o ri sh i g h e rt h a n2 0 0 0 c t h eb a c k c o n t a c tl a y e r 。i m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fc d t es o l a rc e l l s ，r e d u c e dr s t h e c a r r i e rc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e st o1 0 1 4c m 3f r o m1 0 1 5c m 3w i t ht h ei n c r e a s eo f a n n e a lt e m p e r a t u r e t h eai n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ft e m p e r a t u r e w h i l ej 0 v a r i e si no p p o s i t i v ed i r e c t i o n t h ec e l lc a p a c i t a n c ev 撕e sw i t hi l l u m i n a t i o n i n t e n s i t yi sr e l a t e dt od e e pl e v e li ne n e r g yg a p t h ec a p a c i t a n c ed e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ew h e nt h ep o s i t i v ev o l t a g ei sh i 曲t h en u m b e ro f p e a k si nc vc u r v e sv a r i e sw i t hf r e q u e n c yi sr e l a t e dt oi n t e r f a c es t a t e sb e t w e e n t h ef i l m si nd e v i c e t h ep e a ki n t e n s i t i e sd e c r e a s e ss e r i o u s l yw h e nt h ef r e q u e n c y r e d u c e s ，i ti se x p l a i n e dw i t ht h ed i f f u s i o nc a p a c i t a n c et h e o r yo fp nj u n c t i o no n a l t e r n a t i n gv o l t a g e t h ei - va n dc vc h a r a c t e r i s t i c sd e p e n d e n c e so nt h ed e v i c es t r u c t u r e ，b a c k c o n t a c tb a r r i e r s ，t h ec a r t i e rc o n c e n t r a t i o no fc d sa n dc d t e ，t e m p e r a t u r ea n d f r e q u e n c yh a v eb e e ns i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h er o l l o v e rp h e n o m e n ai n i - vc u r v e sh a sb e e na b a t e db yt h ea p p l i c a t i o no fz n t e ：c ub a c kc o n t a c t t h e r o l l - o v e rp h e n o m e n aa p p e a r e si nj - vc u r v e sw h e nt h eb a c kc o n t a c tb a r r i e r i n c r e a s e st oo 4 7e v , a n dd i s a p p e a r e sw h e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e st o3 8 0 k t h e d o u b l ep e a kp h e n o m e n aa p p e a r e si nc vc u r v e sw h e nt h eb a c kc o n t a c tb a r r i e r i n c r e a s e st oo 4 2e v , a n dd i s a p p e a r e sw h e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e st o3 8 0 k t h e c d t ee f f e c t i v ed o p i n gc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea b s o r b e r d o p i n gc o n c e n t r a t i o n am o d e lo fd o u b l e d i o d ei su s e dt oe x p l a i nt h er e s u l t s t h e m a i nf a c t o r st ol i m i tc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fc d t es o l a rc e l l sh a v e b e e n a n a l y z e d s oi n c r e a s i n gt h e a b s o r b e rd o p i n gc o n c e n t r a t i o na n di m p r o v i n gt h e b a c kc o n t a c ti sae f f e c t i v ew a yf o rd e v e l o p i n gh i g he f f i c i e n c yc d t es o l a rc e l l s ， k e y w o r d s ：c d t es o l a rc e l l s ；z n t e ：c uf i l m s ；i - vc h a r a c t e r i s t i c ；c v c h a r a c t e r i s t i c l v 州川i 太学形! l 论文碲化镉太阳电池的器件物理研究声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究 所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 学生签名：盐熬 导师签名： 时间 四j 1 1 人学顾i ：论文碲化镉太阿1 i 乜池的器件物理研究 第一章 第一章绪论 1 1 引言 随着能源危机及传统能源对环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源 成为国际范围内的重大战略问题之一。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁 能源，全球年能量消耗的总和只相当于太阳4 0 分钟内投射到地球表面的能 量，因此，研究与开发太阳能成为世界各国政府可持续发展能源的战略决策。 阳光发电是大规模经济地利用太阳能的重要手段，因此对各种太阳电池 的研究受到普遍重视，目前太阳电池的种类不断增多，应用范围日益广阔， 市场规模逐步扩大。世界光伏组件年产量在过去十几年里平均增长率约1 5 。2 0 世纪9 0 年代后期，发展更加迅速，1 9 9 9 年光伏组件生产达n 2 0 0 兆瓦。 商品化电池效率从1 0 1 3 提高到1 3 1 5 。近几年，全世界太阳电池 的生产量平均每年增长近4 0 ，2 0 0 4 年全世界生产总量更达1 0 0 0 兆瓦。本世 纪以来，一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳电池在内的可再生能源计 划。太阳电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。美国和日本为 争夺世界光伏市场的霸主地位，争相出台太阳能技术的研究开发计划，如到 2 0 1 0 年，美国计划累积安装4 6 0 0 兆瓦( 含百万屋顶计划) ：日本计划累计安 装5 0 0 0 兆瓦( n e d o 日本新阳光计划) u l 。 我国太阳能资源丰富，根据中国气象科学研究院的统计数据，有2 3 以 上的国土面积，年日照时间在2 0 0 0 h 以上，年平均辐射量超过o 6 g j c m 2 ， 各地太阳能辐射量大致在9 3 0 2 3 0 0k w h m 2 之间【2 l 。2 0 0 5 年全国人大通过 了中华人民共和国可再生能源法，并于2 0 0 6 年1 月1 日开始实施。政府 已经拟定了中国光伏发展规划，预计到2 0 2 0 年，我国光伏组件累计装机达 1 0 g w 以上1 3 1 。 目前，随着太阳电池的飞速发展，光伏发电在航天、通讯及微功耗电子 产品领域中已成功地占据了不可替代的位置，但作为社会整体能源结构的组 成部分所占比例尚不足1 ，造成这种状况的主要原因是太阳电池的成本较 高。据计算，对1 5 左右转换效率的光伏组件，发电成本需降至l $ w p ，才 能被市场普遍接受并逐渐替代j fn r 再生能源| 4 l 。要使光伏发电真正成为能源 硼川大学颂i 论文碲化锅太阳电池的器件物理研j 第一章 体系的组成部分，必须要大幅度地降低成本。薄膜太阳电池在降低成本方面 比晶体太阳电池具有更大的优势，一是实现薄膜化后，可极大地节省昂贵的 半导体材料；二是薄膜电池的材料制备和电池同时形成，因此节省了许多工 序；三是薄膜太阳电池采用低温工艺技术，不仅有利于节能降耗，而且便于 采用廉价衬底( 玻璃、不锈钢等) 。为此，自7 0 年代以来，世界各国纷纷投入 巨资。制定规划，组织队伍，掀起对薄膜太阳电池的研究热潮，三十多年来 在研究水平和开发应用方面均取得了长足的进步。 1 8 3 9 年贝克勒尔( b e c q u e r 9 1 ) 首先报导了光伏效应，1 9 5 4 年出现现在硅电 他的第一代产品1 5 】。太阳电池按照构成材料及结构形态可分为：单晶硅太阳 电池、多晶硅太阳电池、i i i v 族化合物半导体太阳电池、硅基薄膜太阳电池、 化合物半导体薄膜太阳电池和染料敏化纳米晶太阳电池等等。不论以何种材 料来制作电池，对太阳电池材料一般的要求有：( 1 ) 材料能隙不能太宽，应 与太阳光谱匹配；( 2 ) 材料消耗少，有较高的光电转换效率；( 3 ) 材料本身对 环境不造成污染；( 4 ) 材料便于工业化生产且性能稳定。目前，尚未出现完 全满足上述要求的太阳电池。但随着新材料的不断丌发和相关技术的发展， 各种太阳电池愈来愈显示出诱人的前景。 本章先综述各种电池的研究状况及我国太阳电池研究情况，之后结合现 有电池发展状况介绍c d t e 多晶薄膜太阳电池优势及存在问题，讨论提高 c d t e 多晶薄膜太阳电池转换效率的可能途径，最后阐述本文研究目的。 1 2 体太阳电池研究进展 体太阳电池包括了晶体硅太阳电池和g a a s 、i n p 等i i i v 族化合物半导 体太阳电池等。其特点是厚度比较大，材料消耗大，制备工艺环节多，成本 高。 1 2 1 晶体硅太阳电池 晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池，是目前应用最 广、技术最为成熟的太阳电池。3 0 多年来，太阳电池硅片厚度从7 0 年代的 4 5 0 5 0 0 m 降低到目前的1 8 0 2 8 0 m ，降低了一半以上，硅材料用量大大 减少，对太阳电池成本降低起到了重要作用，是技术进步促进成本降低的重 要范例之一。单晶硅太阳电池的实验室光电转换效率已经从5 0 年代的6 提 2 四川i 大学颂i 论文碲化锅太珥1 i 乜池的器件物理研究第一章 高到目前的2 4 7 ，商业化电池效率达1 6 2 0 ；多晶硅电池的实验室效率 也达到了2 0 3 ，商业化电池效率达1 4 1 6 6 1 。其结构生产工艺已定型， 产品已广泛用于空间和地面。 在早期的硅电池研究中，人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电 池性能，如背表面场、浅结、绒面、t i p d 金属化电极和减反射膜等。后来 的高效电池就是在这些早期实验和理论基础上发展起来的。目前，单晶硅高 效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池( p c c ) 、新南威尔士大学 的钝化发射区电池( p e s c ，p e r c ，p e r l ) 以及德国f r a u n h o f e r 太阳能研究 所的局域化背场电池( l b s f ) ，还有埋栅电池( b c s c ) 等【”。 硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外，倒金字塔技 术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶体硅电池发展的主要 原因。新南威尔士大学的钝化发射区电池( p e r l ) 的前接触电极有相当大的厚 宽比和很小的接触面积，整个背面铝合金接触用点接触来代替；用氧化层 钝化电池的正、背面：采用表面织构化、双层减反射和背反射技术使电池具 有极好的陷光效应。正是这些综合措施使电池效率达至1 j 2 4 7 【8 l ，接近理论 值，创造了迄今为止的最高记录。 新南威尔士大学开发的激光刻槽埋栅电池，用激光在前面刻出2 0 1 a m 宽、 4 0 p m 深的沟槽，用化学镀在槽内植入金属电极，减少了栅线的遮光面积， 电池效率达到1 9 6 。 日本s a n y o 公司的h i t 电池【9 】是近年来光伏电池开发上的一个创新，该电 池的结构用p e c v d s i ：艺在n 型单晶硅片的上下面沉积非晶硅层，构成异质结 电池。该电池集中了非晶硅和单晶硅电池的优点，在大面积上获得了接近2 l 的高效率。最值得注意的是，这种电池近年来商业化生产速度发展很快，仅 仅两三年时间，产品已占整个光伏市场的5 。 多晶硅太阳电池的最高转换效率2 0 3 是由德国f r a u n h o f e r 太阳能研究 所创造【l 。这种电池不仅具有局部背表面场结构和用等离子体掩模法制备的 表面织构，光学和电学性能良好，而且由于它采用了湿法氧化法而非传统的 热氧化钝化电池后表面，在钝化效果和温度因素之间找到了一个合适的平衡 点，既保证了钝化效果，又减少了温度对少子寿命的影响，使电池的性能得 到最优化。 目前，晶体硅太阳电池继续向高效化、薄型化和大面积方向前进。效率 3 四川大学硕1 二论文 碲化镉太阳电池的器件物理研冗 第一章 为1 9 的单晶硅电池和效率为1 8 的多晶硅电池，开始商业化生产。 1 2 2i i i v 族化合物半导体太阳电池 g a a s 等i i i v 族化合物太阳电池由于具有较高的转换效率而受到人们的 普遍重视。 g a a s 为i i i v 族化合物半导体材料，能隙为1 4 e v l l l l ，耐辐射和高温性能 比硅强，是很理想的电池材料。1 9 5 6 年g a a s 太阳电池出现，2 0 世纪6 0 年代开 展了同质结g a a s 太阳电池的研究，由于它在效率和成本上都无法与硅太阳电 池竞争，阻碍了它的应用和发展。2 0 世纪7 0 年代采用异质结后，由w o o d a l l 和h o v e l 设计研制的p a 1 。g a l 。a s p g a a s n g a a s 三层结构异质结太阳电 池，效率达2 1 ，9 ，使g a a s 太阳电池引起人们的普遍关注。实验室最高效率 己达到2 5 【1 2 】上，一般航天用的太阳电池效率也在1 8 1 9 5 之| 日j 。而在 单晶衬底上生长的单结电池效率为g a l n p 2 g a a s 级联电池的理论效率的 3 6 【1 引，实验室中已制出了面积4 m 2 、转换效率3 0 2 8 i ”i 的l n o , ；g a o5 p g a a s 迭层电池。在此基础上并入能隙为0 9 5 1 1 e v 的底电池得到三结迭层电池， 其理论转换效率在4 5 以上，实际转换效率已达3 2 4 i l ”。 砷化镓太阳电池目前大多用液相外延方法( l p e ) 或金属有机化学气相 沉积技术( m o v p e ) 制备，因此成本高，产量受到限制，降低成本和提高 生产效率己成为研究重点。目前主要用在航天器上。 除( ) a n s # b ，其它i i i v 族化合物女1 ：1 g a s b ，g a l n p 等电池材料也得到了开 发。德国太阳能系统公司f m u n h o f e r 研究所i s e 研制的新电池在地面和空中应 用的效率分别为2 8 和2 4 5 ，其工艺是基于g a l n p 和g a l n a s 的单片迭层电 池，一个工序加工而成，降低了成本；2 种材料的迭层增强了转换效率。对 地面应用，i s e 公司添加一个f r e s n e l 透镜，可聚光l o o 倍5 0 0 倍，使电池达到 创记录的3 2 的转换效率。目前已有公司打算和i s e 合作，将这种迭层电池进 行工业生产。i s e 计划利用多种i i i v 族材料系统的概念，生产效率更高的电 池。在窄带隙g a s b 基电池上部机械式制作迭层电池，已在聚光条件下测得 3 4 的转换效率【l “。 磷化铟fl n p ) 太阳电池具有特别好的抗辐照性能，因此在航天应用方面 受到重视，目前这种电池的效率也已达到1 7 1 9 f 1 7 j 。 婴型叁兰竺! 笙茎! 些塑奎坚! ! 皇鲨堕堂堡塑堡竺! 丝星二里 1 3 薄膜太阳电池研究进展 薄膜太阳电池的研究与开发，由于其材料消耗低而可能有较低的成本， 同时又能制备成大面积组件而有利于规模化的生产，几乎一直受到高度重 视。薄膜太阳电池的研究与开发在一个较长的历史时期代表着光伏科学与技 术的发展方向。目前，薄膜太阳电池按材料可分为三类：硅基薄膜太阳电池、 化合物半导体薄膜太阳电池和染料敏化纳米晶太阳电池。 1 3 1 硅基薄膜太阳电池 所谓硅基薄膜是指非晶硅( a - s i ) 薄膜、微晶硅( r t c s i ) 薄膜和多晶硅 ( p o l y s i ) 薄膜。它们含有不同浓度的氢，硅与氢能形成较强的键。微结构 和含氢量的不同使它们有不同的能隙宽度和光吸收系数。这样，硅基薄膜能 形成不同类型的太阳电池。 1 3 1 1 非晶硅太阳电池 由于非晶硅( a s i ) 材料对太阳光的吸收系数大，非晶硅太阳电池可以制得 很薄，通常硅膜厚度不到1 9 m ，不足晶体硅太阳电池厚度的1 1 0 0 ，这就大大 降低了制造成本，又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低( 2 0 0 ) 、易于实 现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位，因此也是投资最大、 研究最广泛、目前技术最成熟的薄膜电池。目前，非晶硅薄膜太阳电池的实 验室稳定效率已达到了1 3 列“。 自从1 9 7 6 年美国r c a 实验室制成世界上第一个非晶硅太阳电池以来，围 绕提高电池性能，人们开展了许多制造方法、材料和器件结构方面的研究， 并取得了巨大的进展【l8 】。在制造方法方面有电子回旋共振法、光化学气相沉 积法，直流辉光放电法、射频辉光放电法、溅射法和热丝法等。特别是射频 辉光放电法由于其低温过程( 2 0 0 c ) ，易于实现大面积和大批量连续生产， 现成为国际公认的成熟技术。在材料研究方面，先后研究了a s i c 窗口层、梯 度界面层、i t c s i cp 层等，明显改善了电池的短波光谱响应。这是由于a - s i 太阳电池光生载流子的生成主要在本征层，入射光到达本征层之前部分被窗 口层吸收，对光生电流没有贡献。而a - s i c 和i t c s i c 材料t l p 型a s i 具有更宽的 光学带隙，因此减少了对光的吸收，使到达本征层的光增加：加之梯度界面 层的采用，改善了a s i c a s i 异质结界面光电子的输运特性。在增加长波响应 婴型查兰婴：! 堡皇堕些塑奎堕皇丝塑堂! ! 塑丝竺塑笙= 量 方面，采用了绒面t c o 膜、绒面多层背反射电极( z n o a g a 1 ) 矛t l 多带隙叠层 结构。绒面t c o 膜和多层背反射电极减少了光的反射和透射损失，并增加了 光在本征层的传播路程，从而增加了光在本征层的吸收。多带隙结构中，本 征层的带隙宽度从光入射方向开始依次减小，以便分段吸收太阳光，达到拓 宽光谱晌应、提高转换效率之目的。在提商叠层电池效率方面还采用了渐变 带隙设计、隧道结中的微晶化掺杂层等，以改善载流子收集。另外，叠层结 构的采用明显提高了电池的稳定效率。 新技术使用使小面积a s i 太阳电池的转换效率从1 9 7 6 年的2 4 i 旧】提高到 目前的1 4 6 【2 0 】，大面积太阳电池组件( 1 平方英尺) 的稳定效率超过1 0 2 “。 在1 9 9 7 年，美国的u s s c 和日本的c a n o n 公司分别建立的5 m w 和1 0 m w 的 a - s i a - s i g “a s i g e 三结柔性衬底的叠层太阳电池生产线。美国的s o l a r e x 公司 建成了1 0 m w 的玻璃衬底的a 。s i a - s i g e 双结叠层电池生产线，电池的生产能 力增加了2 5 m w 。组件稳定效率达到7 8 2 2 , 2 3 1 。 随着非晶硅电池的稳定效率的不断提高以及生产规模的不断扩大，成本 不断降低，促进了非晶硅太阳电池由分散的消费品电源向独立户用电源和独 立大型电源及并网发电的趋势发展。 1 3 1 2 微晶硅太阳电池 微晶硅( p c s i ) 薄膜的晶粒大约在几个纳米量级。能隙宽度和光吸收系 数都和非晶硅薄膜不同。 微晶硅薄膜是采用高氢稀释硅烷和微量掺硼技术制备的，薄膜生长与非 晶s i 工艺兼容，且有很好的光电性能和稳定性，近年来亦受到广泛重视。将 微晶硅窄带隙子电池与非晶硅结合起来组成的非晶硅微晶硅叠层电池能充 分地利用太阳光谱，这既降低了非晶硅叠层电池的光致不稳定性，也解决了 非晶硅月 晶硅锗叠层电池的高成本，稳定效率已达1 2 1 2 4 ) 。 目前，微晶硅电池中的关键问题是微晶硅材料本身的光电性能较差和沉 积速率太低。发展微晶硅薄膜技术需要解决如下问题：1 1 如何在低温下沉积 出大面积优质微晶硅薄膜，并实现与非晶硅电池的最佳匹配，从而将非晶硅 薄膜的高吸收性能和微晶硅薄膜稳定性有机结合起来；2 ) 大幅度提高薄膜沉 积速率；3 ) 控制薄膜表面粗糙度，获得高效陷光表面1 2 5 1 。 6 四门1 人学帧上论文碲化锅太阳电池的器件物理研究 第一章 1 3 1 3 多晶硅薄膜太阳电池 多晶硅( p o l y s i ) 薄膜的晶粒一般由几十纳米到几个微米。它的能隙， 光吸收系数和晶体硅的大体相同。如果要完全用多晶硅薄膜来制作太阳电 池，必须使用很好的减反射技术和陷光结构。g o e t z b e r g e r 等提出，晶体硅及 非晶硅等太阳电池效率已接近了它们的极限，而多晶硅薄膜太阳电池犹有发 展潜力，预计效率将接近3 0 2 6 】。并且多晶硅薄膜电池既具有晶硅电池的 高效、稳定、无毒和资源丰富的优势，又具有薄膜电池节省材料，大幅度降 低成本的优点，因此多晶硅薄膜电池也是国际上近几年研究开发的热点之 - o 目前，制备多晶硅薄膜的工艺方法主要有以下几种：化学气相沉积法 ( c v d 法) 、等离子体增强化学气相沉积法( p e c v d 法) 、液相外延法( ( l p e ) 和 等离子体溅射沉积法( p s m ) 。目前，几乎所有制备单晶硅高效电池的实验室 技术均已用在制备多晶硅薄膜太阳电池的工艺上，甚至还包括一些制备集成 电路的方法和工艺。日本k a n e k a 公司采用p e c v d 技术在5 5 0 。c 以下和玻璃衬 底上制备出具有p i n 结构的多晶硅薄膜电池，电池总厚度约2 t am ，效率达到 1 2 ；德国f r a u n h o f e r 太阳能研究所使用s i 0 2 和s i n 包覆陶瓷或s i c 包覆石墨为 衬底，用r t c v d 沉积多晶硅薄膜，硅膜经过区熔再结晶后制备太阳电池， 两种衬底的电池效率分别达到9 - 3 和1 l 1 2 ”。 日本三菱公司制成效率高1 6 4 2 的多晶硅电池。北京太阳能研究所在覆 盖s i 0 2 的重掺p 型单晶硅衬底上制备的多晶硅薄膜太阳电池的效率达到 1 0 1 【2 8 1 ，在重掺杂抛光单晶硅衬底上制备了效率为1 3 6 1 的多晶硅薄膜太 阳电池，澳大利亚新南威尔士大学于1 9 9 4 年提出了一种迭层多晶硅薄膜电 池的概念和技术【2 9 1 ，p a c i f i cs o l a r 公司采用这种技术已经开发出3 0 x 4 0 c m 2 的 中试电池组件，效率6 ，并于2 0 0 0 年建成2 0 m w a 的生产线【3 0 j 。该组件薄膜 采用p e c v d 工艺沉积，衬底为玻璃，通过激光刻槽和化学镀实现接触、互联 和集成。该大学用液相外延( l p e ) 制备出高效漂移场薄膜s i 电池，4 1 l c m 2 电 池转换效率为1 6 4 ，经减薄衬底等加工，其转换效率可提高至t j 2 3 7 3 h 。 采用c v d 法配合z m r t 艺，是现今q 三产多晶硅薄膜的主流。采用此工艺得到 了单结多晶硅薄膜太阳电池的最高效率1 9 1 2 f 3 2 】。 l r q 川人学坝l 。论文碲化铜太阳电池的器件物理研究第一章 1 3 2 化合物半导体薄膜太阳电池 总的来看，现在太阳电池的发展状况是单晶硅太阳电池和多晶硅半导体 电池技术相对成熟，市场规模较大，但是因为他们都是用块体材料生产电池， 因此对硅的需求量特别大，目前原料市场不能满足其需要，而且原料成本不 容易降低，成为其发展的瓶颈。而多晶薄膜的诸多优点则使化合物半导体多 晶薄膜在太阳电池的研究中成为了当今的热点，包括c d t e 多晶薄膜太阳电 池，铜铟硒多晶薄膜太阳电池等。多晶薄膜太阳电池与体太阳电池相比具有 以下优点，1 ) 通常采用低温工艺技术，有利于节能降耗；2 ) 材料消耗少； 3 ) 材料制备和电池同时形成，工艺环节减少；4 ) 易于集成，降低组件成 本；5 ) 使用玻璃，高聚物薄膜等廉价衬底。计算表明，薄膜太阳电池成本 比单晶硅电池的少，如c d t e 太阳电池，为0 ，9 5 美元瓦。 1 3 2 1 铜铟( 镓) 硒多晶薄膜太阳电池 c u l n s e 2 是一种三元i i i i 一族化合物半导体，吸收系数高达6 1 0 5 c m ， 具有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的结构，是直接带隙材料，带隙为1 0 2 e v ， 其能隙可以通过掺g a 在1 1 e v 1 8 e v 问调节。c i s 太阳电池是在玻璃或其他 廉价衬底上分别沉积多层薄膜而构成的光伏器件，其结构为：光一金属栅状 电极减反射膜窗口层( z n o ) 过渡层( c d s ) 光吸收层( c i s ) 金属背电极( m o ) 衬底。制备方法大体分为两类，一类是以c u 、i n 和s e 作源进行反应蒸发，称 为共蒸法；另一类是先在基底上生长c u 、i n 层，在s e 气氛中进行s e 化，最终 形成满足配比要求的c u l n s e 2 多晶薄膜，称为硒化法。 c i s 太阳电池性能稳定 3 3 1 。美国波音航空公司曾经制备9 1 c m 2 的c i s 组件， 转换效率为6 5 ，1 0 0 m w c m 2 光照7 9 0 0 h 后发现电池效率没有任何衰减。西 门子公司制备的c i s 电池组件在美国国家可再生能源实验室r e l ) 室外测试 设备上，经受7 年的考验仍然显示着原有的性能。最近的研究更表明， c u ( i n ，g a ) s e 2 多晶薄膜太阳电池的抗高能辐射能力比硅太阳电池和i i i v 族化 合物半导体太阳电池都更强 3 4 , 3 5 1 。而且可以使用多种简单的技术制备成薄膜 太阳电池，易于实现大面积集成，消耗较少材料，制备成本低。还可使用柔 性衬底，方便各种特殊用途。因而不仅在地面、而且在空f u j 也有使用价值。 是目前各国重点研发的薄膜太阳电池p “。目前，其最高转换效率( a m l 5 ) 已达到了1 8 8 3 7 1 r 四川大学硕 = 论文碲化锅太研i 电池的器件物理研究 第一币 自从1 9 7 6 年美国m a i n e 州大学首次报道铜铟硒( c u l n s e 2 ，c i s ) 电池以 来，已取得了令人瞩目的进展，尽管生产工艺的重复性差，高效电池成品率 低，一些知名公司也已实现了小规模产业化。首先将c i g s 电池推向市场的s s i 在1 9 9 8 年推出5 w p 、1 0 w p 两种组件后，1 9 9 9 年又向市场推出t 2 0 w p 和4 0 w p 两种组件，并计划建造一座生产能力为3 m w a 的新厂。降低成本是i i 一族 材料电池追求的目标，其方法和途径是：采用廉价材料和低成本的简化工艺。 英国谢费尔德哈电视台大学在提高效率和降低成本方面开展了工作：少用 昂贵的半导体材料和采用较廉价的加工工艺，采用电化学法，采用c d s ，z n s e 材料用作窗口，c d t e 、c u l n s e 2 等i i 一族材料作为吸收层。其最近制作的结 构为：玻璃i t o n z n s e p - c u l n s e 2 a u 的迭层电池，其电池厚度仅2 p m ， 效率达1 5 。 1 3 2 2c d t e 多晶薄膜太阳电池 c d