多孔硅的不稳定性对太阳电池的影响

1、多孔硅的不稳定性对太阳电池的影响33黄金昭1,徐征133,朱琳1,许颖2,李海玲2,王文静2(1.北京交通大学光电子技术研究所,北京100044;2.北京市太阳能研究所,北京100083摘要:研究了多孔硅(PS的特性及其在太阳电池上的应用,并对PS太阳电池性能以及由于PS的不稳定性对电池产生的影响进行了研究。实验表明,将PS的光致发光(PL以及减反射特性应用于太阳电池能有效提高电池的效率,同比提高了83189%,效率为14173%,但其不稳定性对电池效率的影响较为明显。关键词:多孔硅(PS;太阳电池;不稳定性中图分类号:TN304文献标识码:A文章编号:100520086(2005122142

2、1203E ffect of Porous Silicons Instability on Solar CellsHUAN G Jin2zhao1,XU Zheng133,ZHU Lin1,XU Y ing2,L I Hai2ling2,WAN G Wen2jing2(1.Institute of Optoelectronic Technology,Beijing Jiao Tong University,Beijing100044,China;2.Beijing Solar Energy Research Institute,Beijing100083,ChinaAbstract:The p

3、roperties of porous silicon(PSand the application of the technology in solar cells were in2 ve stigated,and the propertie s of PS solar cell and the effects caused by the instability of the cell were stud2 ied.I t was con firmed by experiments that the application of photoluminescence(PLand antirefl

4、ection prop2 erties of PS in solar cell can enhance the efficiency effectively.The efficiency was increased by83.89%, and the efficiency was14.73%,but the effect of PS solar cells instability on effieiency was obvious.K ey w ords:porous silicon(PS;solar cells;instability1引言近年人们把目光投向将多孔硅(PS应用在普通的太阳电池

5、的制作技术上。PS具有很多其他材料不可比拟的优点,如增加禁带宽度、加大光与半导体接触的活性面积及降低反射率等。加之,PS能够简化工艺,降低生产成本,因而适合工业化大生产,这些促使其成为太阳电池工艺中的一种候选技术1,2。但要把PS投入实际应用,还存在不少问题,其中最严重的就是PS的不稳定性。一方面,PS中纳米颗粒表面具有化学不稳定性,即样品的表面钝化成分随时间不断发生变化。对于新制备的PS,其表面主要是被Si H x覆盖,但Si H x不稳定,在大气和加热条件下H会从PS表面热脱附出来,从而增加了表面的悬挂键密度。另一方面,孔隙率越大的PS层,其结构越疏松,成为“海棉”状,甚至“粉末”状,极易

6、破碎,机械强度不高,性能不稳定34。当PS在太阳电池上应用时,它的这一特性不可避免地会使PS太阳电池产生相应变化。关于这一方面,从未有专门的文献报道。本文主要观察了PS 的不稳定特性,并研究了这一特性给PS太阳电池带来的影响。2实验2.1PS的制备选取电阻率在0.52.0cm、厚度分别为300m和280m左右的单晶Si和多晶Si片。用20%的NaO H水溶液去除Si片表面的机械损伤层。光电子激光第16卷第12期2005年12月J ournal of Optoelect ronicsL aserVol.16No.12Dec.2005 3收稿日期:2003212229修订日期:2005208226

7、3基金项目:国家“973”项目(2003CB214500;北京市自然基金重点项目(204100233E2m ail:zhengxu用去离子水冲洗干净,再用N 2吹干。接下来,将Si片放入HF 、HNO 3和H 2O 以一定比例混合而成的溶液中,待表面变色后取出。然后立即再用去离子水冲洗干净,N 2吹干。这样即完成了PS 的制备5,6。2.2PS 太阳电池的制备先对Si 片进行化学清洗和腐蚀以去除机械损伤层,制作p 2n 结,扩散温度是930。热蒸发蒸镀电极,前电极是Ti/Pb/Ag ,背电极是Al 。最后在n 型区制作PS 层。由于电极足够厚,而且腐蚀时间很短,所以在电极旁边形成了PS 而在电

8、极下面的Si 得到了保护,基本上保持不变。这就完成了PS 太阳电池的制备,即电极自对准的腐蚀PS 技术7。3结果和讨论3.1PS 的特性3.1.1光致发光特性图1为制备好的PS 的光致发光(PL 光谱。由图1可知,材料具有PL 效应,说明成功地制备了PS 。可见,在空气中放置10d 就会导致由于光照等原因引起的H 脱附,增加Si 的悬挂键,从而表现为PL 峰强度明显衰减,并且蓝移 。图1PS 的PL 光谱Fig.1P L spectrum of the PS samples3.1.2减反射特性图2是用扫描电镜(SEM 观察的PS 的表面形貌。可见,在表面有大量的微孔分布。这样的结构很大程度上提

9、高了PS 的比表面积,因而增加了其的陷光能力、减小了反射损失。图3是PS 反射率谱线,其中1的反射率比2和3要高很多。可知,PS 能很好地降低反射率;然而2与3的反射谱相比又发生了明显的改变,这说明PS的不稳定性也会影响到其减反射效果。在空气中放置10d 后,PS 会由于表面氧化而改变Si 表面的折射率,从而改变PS 的减反射效果。另外,Si 骨架可能会由于结构疏松而导致破碎甚至塌缩,这也会导致反射率增加,减反射能力减弱 。图2用SEM 观察的PS 的表面形貌Fig.2The surface of PS investigated by SEM图3PS 的反射谱Fig.3The reflecti

10、on spectrum of PS3.2PS 对太阳电池的影响表1是在太阳电池上制备PS 后太阳电池各项参数的变化。其中,1、2号样品是单晶Si 太阳电池;3、4是多晶Si 太阳电池。由表1中的数据可知,制备PS 后太阳电池的短路电流增加较多,这也说明了PS 层能起到了较好的减反射膜的作用。同时可以看出,PS 能明显地提高太阳电池的效率。获得的PS 太阳电池最好的性能为:I sc =32.52mA ,V o c =582.9mV ,F F =0.778,E f f =14.73%,另外,制备PS 后的1号电池以及将1号PS 电池在空气中存放10d 时间后的I 2V 效率曲线如图4、5所示。表1

11、中还列出了在空气中放置10d 后的各项参数的变化。可见,由于PS 具有不稳定性,PS 太阳电池不可避免地会受到影响。经过衰减后的太阳电池2241光电子激光2005年第16卷的短路电流、开路电压及填充因子都有一定的下降,从而导致整个太阳电池效率的下降,下降的比率分别是10.7%、25.5%、17.2%和18.7% 。图4制备PS 后1号样品太阳电池效率Fig.4The eff iciency of sample 1after fabricating PS图5制备的PS 在空气中存放10d后1号样品太阳电池效率Fig.5The eff iciency of sample 1with PS afte

12、rstoring in atmosphere for ten d ays表1PS 太阳电池性能参数的变化T ab.1The perform ance difference of PS solar cellsV o c /mVJ sc /mAF FE f f /%Wit houtPS1577.722.090.73979.442576.924.540.56588.013517.721.010.5233 5.694496.116.580.6532 5.37Wit h PS1571.229.160.665111.082582.432.520.778014.733520.823.180.67678.17

13、4521.720.940.71867.85Bedeposited 1567.423.690.63099.892570.227.300.705210.973512.420.110.6562 6.764505.718.200.69286.38为了对比,表2列出了没有制备PS 的太阳电池在同样放置10d 后各项参数的变化情况。由于电池没有封装而直接暴露在空气中,电极氧化也会造成的一定程度的衰减。但是,4个样品的衰减率分别是8.1%、9.2%、9.9%和8.4%,普遍小于制备PS 后太阳电池。由此可见,经过在空气中放置相同的时间后,没有PS 的太阳电池衰减明显比制备PS 后的衰减剧。因此,可以说明,P

14、S 的不稳定性的确会对电池产生不利的影响。表2太阳电池性能参数的变化T ab.2The performance difference of solar cellsV o c /mVJ sc /mAF FE f f /%Before1574.224.470.55457.792578.723.800.57287.893578.924.530.57448.164527.323.590.5241 6.52After1564.423.860.53847.162561.723.210.5310 6.923566.123.710.54767.354487.623.140.52935.974结论造成PS 的不

15、稳定性的因素为:PS 纳米颗粒的化学不稳定性,表面钝化成分不能保持恒定,会随时间而不断发生变化;PS 的微孔结构决定了PS 层的机械强度不高,容易破碎;PS 在与空气接触的过程中表面还会不断氧化,改变表面的折射率,同样导致了它的不稳定性。PS 的不稳定性在影响这一材料的同时,也妨碍了它在太阳电池上的应用。因此,应该加强PS 不稳定性的研究,以克服太阳电池带来的影响。参考文献:1Kazimierz Drabczyk ,Piotr Panek ,Marek ,et al.The in flu 2ence of porous silicon on junction formation in sili

16、con solar cellsJ .Solar Energy Material &Solar Cells ,2003,76:5452551.2M R Beltran ,M cruz ,C Wang.Analysis of the interbandtransitions in porous silicon J .Solar Energy Materials and Solar Cells ,1998,52:2612269.3LI H ong jian ,PE NG Jing 2cui ,Y AN Y ong 2hong ,et al.Sur 2face passivation of porou

17、s silicon by carbon filmJ .Chi 2ne se Journal of Luminescence2000,21(2:1042108.(in Chine se 4LI U Gang ,J IE X iao 2rui.A study on micro structure of por 2ous silicon and its stabilityJ .J.Huazhong Univ.of Sci &Tech.,1997,25(10:52255.(下转第1428页3241第12期黄金昭等:多孔硅的不稳定性对太阳电池的影响钢宽度闭环自动控制,投入后2个月就使带钢宽度合格率从18

18、%提高到80%,取得了良好的经济效益。根据现场要求,增加了带钢翘曲补偿功能,解决了带钢弯曲对测量的影响。由于不使用背光源,设备几乎不需要维护。另一套测宽系统正在武汉钢铁公司热轧带钢厂投入运行,成功地替代了原东芝测宽仪。实践证明,由于采用了先进的信号处理技术和优化的光路系统设计,系统各项性能指标都达到世界一流水平,有些指标超过国外同类产品。参考文献:1LU Cheng ,WANG G uo 2dong ,LI U X iang 2hua ,et al.Finisherwidth automatic control for hot strip millJ .Re search on Iron &S

19、teel ,1997,5:52256.(in Chinese 2ZH ANG Y u.Two improving methods of object orientationprecision by CCDs J .Journal of Optoelectronics La 2ser (光电子激光,2003,14(10:111821120.(in Chi 2nese 3Texas Instruments Incorporated.T MS320F28xx DSP Sys 2tem Control and Interrupts Reference G uideZ.2003.4G U Lin ,H

20、U X iao 2dong ,CHE N Liang 2yi ,et al.Automaticllychangeable scan control of linear CCD with CPLD substi 2tuting for micro 2controller J .Journal of OptoelectronicsLaser (光电子激光,2003,14(8:8302834.(in Chi 2ne se 5Y AN Wei 2bin ,ZH AO Bin.CCD auto 2gain regulation basedon DSP J .Journal of Transducer T

21、ecnology ,2004,23:74276.(in Chinese 6LI Wei 2min ,XI NG X iao 2zheng ,DAI Li 2rong ,et al.Applica 2tion of DSP in the linear CCD measuring systemJ .Chi 2ne se Journal of Scientific Instrument ,2002,23:1832185.(in Chine se 7LI Y un 2xiang ,DI NG Wei 2xia ,SU Lan 2hai ,et al.Image seg 2mentation in on 2line width measurement of hot strip J .Journal of University of Science an