PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池

PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？摘要微晶硅电池已经成为目前光伏领域研究的焦点。同非晶硅相比微晶硅电池几乎没有？SWE?问题，应用在电池中也几乎不受后氧化的影响，而且微晶硅的光谱吸收特性与非晶硅有一定的互补性，应用于叠层电池中可以获得更高效率的电池。基于这个目的，我们采用RF?PECVD技术制备了P、I、N三层薄膜材料和微晶硅太阳电池，并对它们的结构特性和电学特性进行了分析。本论文主要进行了如下几方面的工作:？P层作为微晶硅薄膜太阳电池的窗口层，必须具备宽的光学带隙和高的电导率。实验研究了硅烷浓度、硼烷掺杂浓度对材料的沉积速率、材料晶化、电导率等性能参数的影响。通过优化沉积参数，制备出了高暗电导率(〜2.8X-510S/cm)、宽光学带隙(~1.87eV)的P型u?Si:H薄膜材料。？C非晶?N?层的制备。为了提高?N?层与金属电极欧姆接触的性能，可适当提高磷烷的掺杂浓度。通过磷烷掺杂浓度的优化，可以获得暗电导率为？8.28X1?10?S/cm的?N层非晶硅薄膜。？1层是电池的核心部分，是光生载流子的产生区。本文重点研究了衬底温度和硅烷浓度对u?Si:H薄膜材料的微结构以及光电学特性的影响。？C4）在上面研究的基础上，本文初步研究了微晶硅薄膜太阳电池的沉积工艺。采用了微晶P/微晶I/非晶N型结构，获得了效率为3.014%的微晶硅太阳能电池。？5）除了初步界定了薄膜材料和电池的一些表征参数外，同时也针对存在的问题指明了解决的方向。关键词:射频等离子体增强化学气相沉积、微晶硅薄膜、晶化率、太阳电池I?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？ABSTRACT?Microcrystalline?silicon?solar?cells?have?become?the?focus?of?research?in?the?photovoltaic?field.?Compared?with?the?amorphous?silicon,?microcrystalline?silicon?cells?almost?have?no?SWE?issues?as?well?as?impact?of?oxidation?when?applied?in?cells.?What?is?more,?the?absorption?spectra?of?microcrystalline?silicon?and?amorphous?silicon,?to?a?certain?extent,?is?complementary?and?can?get?more?efficiency?when?applied?in?laminated?cell.For?that,?we?used?RF?PECVD?technology?for?depositing?microcrystaline?silicon?materials?and?solar?cells?and?we?have?studied?their?electrical?and?structural?properties.?This?paper?mainly?described?about?some?work?as?follows:?1?In?microcrystalline?silicon?thin?film?solar?cells,?P?layer?is?used?as?window?materials?and?it?must?have?high?conductivity?and?wide?Eopt.?We?studied?the?effect?of?silane?concentration?and?the?doping?percent?of?borane?concentration?on?the?deposition?rate,?raman?shift,?crystallinity?of?the?film.?By?optimizing?the?deposition?parameters,?we?gained?the?microcrystalline?silicon?film,?which?had?high?dark?conductivity?2.8X5?10?s/cm?and?wide?Eopt1.87eV2?The?fabrication?of?amorphous?silicon?for?N?player.?In?order?to?better?the?ohmic?contact?with?the?metal?electrode,?we?increased?the?doping?percent?of?phosphorus?concentration.As?a?result,?we?gained?the?film?which?had?high?dark?conductivity8.28X1?10?/cm3?I?layer?is?the?core?of?the?cell?and?the?district?of?photo?carrierThis?paper?focused?on?the?effect?ofsubstrate?temperature?and?silane?concentration?onthe?electrical?and?structural?properties?ofu?Si:H?filmC4?Based?on?the?study?above,?this?paper?preliminarily?studied?the?deposition?process?of?the?microcrystalline?silicon?thin?film?solar?cells.We?used?P??C?Si:H/I??C?Si:H/?N?a?Si:H?configuration,and?the?3.014%?efficiency?of?microcrystalline?silicon?solar?cell?was?accomplished.II?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？5?In?addition?to?the?initial?definition?of?the?film?materials?and?some?parameters?of?cells?characterization,?the?paper?also?pointed?to?the?direction?of?a?solution?to?the?existing?problemsKey?words:R?F?PECVD、microcrystalline?silicon?thin?film、crystalinity、solar?cellsIII?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？目录摘要I?ABSTRACTII?目录.IV?第一章绪论..1??1.1?太阳能电池的研究现状及产业发展.1??1.1.1?太阳能电池的研究背景..1??1.1.2?太阳能电池的光电研究和应用.1??1.1.3?太阳能电池的产业发展方向..4??1.2?微晶硅薄膜太阳电池的研究现况及发展趋势.5??1.2.1?微晶硅薄膜太阳电池的发展背景5??1.2.2?微晶硅薄膜太阳电池的发展趋势6??1.3?本论文主要的研究内容.7??1.4?本论文的组织..7?第二章太阳电池基础及制备工艺.9??2.1?太阳电池发电原理及构造9??2.2?太阳电池的特性及性能参数10??2.2.1.太阳电池的输入输出特性..10??2.2.2.太阳电池的性能参数.12??2.3?薄膜太阳电池的性能测试.15?第三章？P型窗口材料及?N型材料的研究..16??3.1?应用于微晶硅薄膜太阳电池的?P?型窗口材料..16??3.1.1P?型窗口材料的分类..16??3.1.2P?型窗口材料对薄膜太阳能电池的性能影响.16??3.2?实验设备及表征手段..17??3.3P?型微晶硅薄膜材料的制备及性能分析..19??3.3.1?硅烷浓度SC对薄膜材料沉积速率及晶化率的影响.19??3.3.2?硼掺杂对薄膜材料微结构和光电性能的影响..21??3.4N?型非晶硅薄膜材料的制备及性能分析.25??3.5?本章小结..28?第四章？I层材料的沉积与微晶硅电池的制备.30??4.1?微晶硅薄膜太阳电池对?I层材料的性能要求..30??4.2?衬底温度对微晶硅薄膜结构及光学特性的影响30??4.2.1?衬底温度对微晶硅薄膜沉积速率的影响.31??4.2.2?衬底温度对微晶硅薄膜晶化率的影响..32??4.2.3?衬底温度对微晶硅薄膜光学特性的影响.35??4.3?硅烷浓度对微晶硅薄膜结构及光电特性的影响35??4.3.1?硅烷浓度对微晶硅薄膜沉积速率的影响.36??4.3.2?硅烷浓度对微晶硅薄膜晶化率的影响..37??4.3.3?硅烷浓度对微晶硅薄膜光电性能的影响.39??4.4?微晶硅薄膜太阳电池的制备..40IV?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？？4.4.1?微晶硅太阳电池的制备工艺40??4.4.1?微晶硅电池实验结果与分析41??4.5?本章小结.43?第五章工作总结与展望..44?参考文献..46?硕士研究生期间参与的研究课题.50?致谢.51V?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？第一章绪论?1.1?太阳能电池的研究现状及产业发展?1.1.1?太阳能电池的研究背景随着人类生产力和生活水平的不断提高，人们对石油、煤炭等传统能源的需求日益加剧，同时也对环境保护提出了越来越高的要求。伴随着各种化石能源日益增长的巨额消耗，大气层中温室效应气体的含量也会不断上升，其可能带来的气候灾难不可估量。另外，目前使用最为普遍的化石能源，不仅数量有限、即将枯竭,而且对环境存在严重的污染。因此，随着环境污染、生态破坏及资源枯竭等日趋严重,为了有效地解决人类当前面临的两大课题，近年来世界各国竞相实施可持续发展的能源政策，用之不竭、洁净环保的可再生能源的有效利用已经成为人类共识，可靠的可再生能源的发展逐渐成为当代基于化石能源的经济朝向可?持续发展转变的最主要挑战？。太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与煤、石油及核能相比，它具有独特的优点:一是没有使用矿物燃料或核燃料时产生的有害废渣和气体,不污染环境;二是没有地域和资源的限制，有阳光的地方到处可以利用，使之方便且安全;三是能源没有限制，属于可再生能源。因此，太阳能的有效利用已经成为人类的共识。而在太阳能的有效利用中，阳光发电即光伏发电最受瞩目。由于太阳能电池发电具有安全可靠、无污染、无需消耗燃料、可再生、无机械转动部件等独特优点，尤其是可与建筑物相结合，构成光伏屋顶发电系统，己经成为可再生能源中最重要的组成部分,也是近年来发展最快，最具活力、最受瞩目的?研究领域,国际上许多国家都把它定为可持续发展战略？。?1.1.2?太阳能电池的光电研究和应用太阳能能量的转换方式主要分为光化学转化、太阳能光热转化和太阳能光电转换三种方式。从广义上讲，风能、水能和矿物燃料等也都来源于太阳能。光学转换是指在太阳光的照射下,物质发生化学、生物发应,从而讲太阳能转换成电能等形式的能量。最常见的是植物的光合作用，在植物叶绿素的作用下,二氧1?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？化碳和水在光照下发生发应，生成碳水化合物和氧气，从而完成太阳能的转换。太阳能光热转化是指通过发射、吸收等方式收集太阳辐射能，使之转化成热能,如在生活中广泛应用的太阳能热水器、太阳能供暖房、太阳能灶、太阳能干燥器、?太阳能温室、太阳能蒸发器、太阳能水泵和太阳能热机等？。太阳能光电转换则是指利用光电转换器件将太阳能转换成电能。最常见的是太阳电池，又称太阳能电池,应用于如灯塔、微波站、铁路信号、电视信号转播、管路保护等野外工作台站的供电，海岛、山区、草原、雪山和沙漠等边远地区的生活用电及手表、计算器、太阳能汽车和卫星等仪器设备的电源，以及太阳能电站并网发电等领域。早在?1976?年，英国科学家亚当斯等在研究半导体材料时发现:当用太阳光:?4?]?照射硒半导体材料时，如同伏特电池一样，会产生电流，称为光生伏特电？。但是，硒产生的光电效应很弱，到?20?世纪中期转化效率仅为？1%左右。1954?年，?美国贝尔实验室的？Chapin?等研制出世界上第一块真正意义上的硅太阳电池？，光电转化效率达到6%左右，很快达到10%，从此拉开了现代太阳能光电（又称太阳能光伏）的研究、开发和应用的序幕。几乎同时,CuS/CdS异质结太阳电池?也被开发？，成为薄膜太阳电池研究的基础。最初，硅太阳电池的成本很高,较常规电力高?1000?倍以上，仅用于对成本不敏感的太空卫星和航天器上。1958?年美国发射的卫星首次使用了太阳电池;？1958?年?5?月，前苏联在人造卫星上安装了太阳电池;1971?年我国发射的第二颗人造卫星也使用了太阳电池。20世纪50年代以后,几乎所有的人造卫星、航天飞机、空间站等太空飞行器,都是利用太阳电池作为主要的电源。航天事业的发展大大地促进了太阳电池材料和器件技术的进步和产业的发展。？1973年由于中东战争引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的“能源危机”，人们认识到常规能源的局限性、有限性和不可再生性，认识到新能源对国家安全的重要性，加之环境保护意识的大幅度提高，使得各国政府开始大力开展太阳能光电技术的研究和开发，尤其是大面积地面太阳能光电技术的研究和应用。此时，太阳电池在一些小型电源、远程通信等领域得到了广泛应用，如灯塔、微波站等野外工作台站的供电，海岛、沙漠等边远地区的生活用电,手表，计算器等的电源。20世纪90年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实2?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？?行并网发电，建立太阳能电站已经成为可能？，并在全世界范围内逐渐发展开去。今年来，与住宅屋顶相结合的太阳电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和日本先后制定了太阳能发展计划，由政府负责提供部分研究开[8〜11]?发资金和相关的产业扶持政策？。如1973年美国政府制定了“阳光发电计划”，之后将太阳能光伏发电列入公共电力计划；1992?年，美国启动了新的“阳光发电计划”；1997年，美国又宣布了“太阳能百万屋顶计划”，即在2010年以刖，在100万座建筑物上安装太阳能系统。日本在?20世纪70年代也制定了“阳光计划”，1993年将“阳光计划”、“月光计划”和“环境计划”组合成“新阳光计划”,?2000?年其电池组件的成本降低至？170~210?日元/W,年产量达到?400MW,发电成本降至25~30日元/W。欧洲也较早地开展了太阳能光伏发电的研究和开发，瑞士在20世纪90年代初提出“能源瑞士”计划，目标是实现50MW光伏产量,？2000?年又提出后续的“能源瑞士”计划;荷兰能量与环境部NOVEM在？1994?年制定了？NOZ?PV?计划,希望到？2010?年实现?300MW,2020?年实现？1400MW;德国在1991〜1995年实施了第一个全国性光伏计划“一千屋顶”计划，1999年起开始实施“十万屋顶”计划;意大利在？1998?年提出“一万屋顶计划”，2001?年，公布“Programming?Fonti?Rinnovabili?2001”项目，其中包括光伏项目“Tetti?Fotovoltaici”，目标？7MW;西班牙在？1991~2000?年间实现了可在生能源方案,目标？5MW,1999?年制定？2000~2010?年计划“Plan?de?Fomento?delas?Energias?Renovables”，目标是到?2010?年安装？135MW?系统;芬兰的“国家气候变化”项目，计划到?2010?年安装?40MW?光伏系统。我国在？1980?年以后，国家高技术研究反展计划（863?计划）和国家重大基础研究计划项目（973?项目）等都对太阳能光伏研究和开发给予了重要支持。2002年我国政府启动“光明工程”，投入资金20亿人民币，重点发展太阳能光伏发电。由此可见,20世纪70年代以来,世界各国政府都加大了对太阳能光电研究和开发的投入，纷纷设立快速发展的屋顶计划,制定各种减免税政策、财政补贴政策,重点扶持本国的太阳能光伏工业，增加其国际竞争力，期望在今后的国际市场中占据更大的份额。与此同时,20世纪90年代后联合国多次召开各种政府首脑会议，讨论和制定世界太阳能发展规划和国际太阳能公约，设立国际太阳能基金，推动全球太阳能技术的开发和利用。3?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？因此，自20世纪70年代以来,太阳电池的全球平均年增长率达30%以上，其中1997年电池组件全球销售达到122MW,2000年和2001年的年销售增长均?超过？40%,2001?年的销售接近？400MW?。近几年则发展迅猛,2004?年达到？1200MW,2005?年接近？1800MW,而太阳电池的生产成本则以每年?7.5%的平均?速度下降？，其发展速度超过了集成电路,2004年甚至达到60%以上。预计今后10年，太阳能光电工业还将以20%〜30%的速度增长,成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。我国从20世纪80年代起就进行太阳电池的开发生产，国家也在西部无电区大力推广了离网光伏系统的应用，其中光明工程和乡乡通等工程的实施,为我国电池产业的发展和电池技术的提高起到了积极的作用。近些年来国家在973和863等重大项目也将太阳电池的发展放到了重要的位置,在国家“十五”科技攻关计划中对光伏项目都有重大安排。从2003年起，我国太阳电池产业增长加快,电池工业正进入了一个快速发展的阶段。但总体来说，我国的电池产业还处在初级阶段。与发达国家相比，我国在太阳电池的发展方面还存在许多问题,主要如?下？：1）研究力量薄弱、分散，实验条件差，没有形成权威、高水平的一个国家级研究结构；2）太阳能利用基础理论特别是光伏物理学科发展薄弱；3）太阳能利用基础材料特别是光伏材料与器件依赖进口。?1.1.3?太阳能电池的产业发展方向世界太阳电池产业已初具规模，但目前太阳能电池的推广应用主要还是靠政府投资和扶持，主要原因成本太高，必须努力降低成本，提高效率。太阳能电池作为一种商品，要想在市场上受欢迎就必须有较高的性价比，也就是说太阳能电池单元的材料和制造成本以及制造过程中能源的消耗都要达到市场和消费者可接受的程度。从太阳能电池产业的发展上看，要从以下几方面来改进:首先，要减少材料消耗;其次,要减少制造过程中的能耗;第三，要提高太阳能电池的光电转换效率和光电特性的长期稳定性;第四，要减少生产线设备投资，降低太阳能电池产4?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？?业的进入门槛;第五，要扩大生产规模和采用更大面积的基片？。太阳能电池产业的蓬勃发展，给困扰人类社会物质文明可持续发展的能源危机和环境污染问题的解决带来了曙光。但成本和价格是摆在我们面前的拦路虎，太阳能电池产业的继续发展有赖于进一步提高转换效率，并降低生产成本及减少生产过程中的能耗，这是摆在我们面前的进一步目标和任务。?1.2?微晶硅薄膜太阳电池的研究现况及发展趋势?1.2.1?微晶硅薄膜太阳电池的发展背景目前,在太阳能光伏应用中，硅基太阳能电池的研究和开发得到了广泛的重视，占领了90%的光伏市场，是当今光伏市场的主流。但单晶硅太阳能电池制备工艺复杂，制备过程中需要消耗大量的材料，因此，受限制于单晶硅的材料价格及繁琐的电池工艺，单晶硅太阳能电池的成本价格居高不下，难以大幅度降低。为了进一步降低硅基太阳能电池的成本，人们发展了硅基薄膜太阳能电池，从此硅基薄膜太阳能电池技术日渐兴起。由于该技术所用材料较单晶硅太阳能电池显著减少，而且薄膜太阳能电池能够采用低成本的制备工艺在廉价衬底上实现大面?积沉积？。因此，从长远来看，只有薄膜太阳电池才能从根本上节省材料，降低成本，并最终使太阳能成为其它能源的替代品。为了从根本上节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积非晶及多晶硅薄膜,Carlson和Wronski在1976年首次报道了非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅a?Si薄膜太阳电池由于成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并?得到迅速发展？。尽管非晶硅是一种很好的太阳能电池材料，但是由于其光学带隙为1.7eV左右,使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，也限制了?非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，由于其光致衰退S?W效应？，光电转换效率会随着光照时间的延长而衰减，使得电池性能不稳定。为了解决非晶硅太阳能电池的低成本与低稳定性、低效率之间的矛盾，近年来人们开展了许多探索性的研究工作。由于作为纳米晶硅、晶粒边界、空洞和非晶硅共存的混合相无序材料的氢化微晶硅?c?Si:H薄膜具有a?Si:H薄膜的高吸收系数特性，在对光响应波长上比非晶宽，达到了1200nm波长范围，同时具有5?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？稳定光学性质。而且，微晶硅薄膜电池由于可以在廉价衬底材料上制备,所使用的硅材料远较单晶硅少?没有效率衰退问题?具有可与a?Si兼容的低温成膜技术，有利制成叠层电池?工艺过程简单，便于大面积生产，使其具有大幅降低成本的?潜力，因而受到普遍重视，并被视为硅基薄膜太阳能电池的下一代技术？。将微晶硅和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，也可以获得更高效率的电池。自从上世纪90年代中期,微晶硅电池的效率已经超过非晶硅，达到10%以上,而且基本上没有出现光致衰退效应，相信微晶硅薄膜太阳能电池不久将会在太阳能电池的市场上占据重要地位。?1.2.2?微晶硅薄膜太阳电池的发展趋势经过人们多年的不断探索和研究，微晶硅薄膜太阳电池已经取得了极大的发展,但仍有许多问题制约其进一步发展。就微晶硅薄膜材料本身的制备来说，其?中一个重要问题，甚至是主要问题仍有待解决:沉积速率过低？。微晶硅薄膜太阳电池的本征层一般都在1m?m以上，而沉积速率多在0.1〜0.2nm/s左右，沉积时间比较长,这就阻碍了它的产业化。基于沉积速率的重要性，国内外已经进行了大量的探索研究，并取得了许多重大的进展。较早开始对沉积速率进行研究的Lihui?Guo等提出了高压高功率的方法，或称为高压耗尽法，成功地将RF?PECVD制备微晶硅薄膜的沉积速率提高?到0.93nm/s?。高压高功率法被此后的研究中广泛采用，Rech?B等在0.6nm/s的沉积速率下获得了7.1%效率的单结微晶硅薄膜太阳电池，在0.9nm/s的沉积速率下?效率也达到了6.2%?。这种方法一定程度上提高了沉积速率，而且沉积温度不高，薄膜的性能并没有下降,可基本满足微晶硅薄膜电池成本的要求。为了实现质量优良的器件级微晶硅薄膜材料的高速沉积，进一步降低微晶硅薄膜太阳能电池的成本,人们对微晶硅的沉积方法进行了更为深入的研究。诸如热丝法(HW)、电子回旋共振(ECR)以及甚高频(VHF)等基于高氢稀释硅?烷分解的化学气相沉积技术相继得到应用？。相比较而言，采用VHF激发等离子体，能够减小等离子体鞘厚度和电压从而降低电子温度、降低轰击衬底的离子能量，增大了输送到生长表面的离子流量，既能提高了沉积速率又能增大微晶硅6?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？薄膜中晶粒的颗粒尺寸，并且与常规的非晶硅薄膜太阳能制备工艺具有良好的技?术兼容性，因此,VHF?PECVD技术制备微晶硅薄膜迅速成为研究的热点？。？KondoMichio等用VHF?PECVD在2.3nm/s的速率下获得了效率9.13的微晶硅薄?太阳电池,Gordijn等在4.5nm/s的速率下获得的微晶硅电池效率达6.7%?。对传统的双极型VHF?PECVD进行结构改进，如增加网状第三极，采用内联多孔阴极等，使甚高频的沉积速率得到进一步提升,Chisato等获得了10nm/s左右的沉积速?率，同时使薄膜的缺陷保持在非常低的水平？。?1.3?本论文主要的研究内容根据现有的实验设备条件，我们拟采用射频等离子体增强化学气相沉积（RF-PECVD）技术沉积P型微晶硅薄膜、I型微晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜。在三室连续CVD系统中，进行沉积微晶硅薄膜太阳能电池的探索研究。本论文主要的内容包括：1）通过P型硅薄膜材料沉积工艺的优化，寻求获得高电导、宽光学带隙的微晶硅薄膜材料的技术途径。2）着重研究衬底温度和硅烷浓度对I型？口?Si:H?薄膜材料的微结构以及光C电学特性的影响，探索获得高晶化率、强光敏性的I型微晶硅薄膜材料的制备工艺。?3）在高硅烷浓度、重掺杂的条件下,制备高电导的N型非晶硅。？4）在上面研究的基础上，初步研究微晶硅薄膜太阳电池的沉积工艺。着重研究I层厚度对电池短路电流密度、开路电压、填充因子、效率等性能参数的影响。?1.4?本论文的组织本文主要研究了微晶硅太阳电池P、I、N三层材料的工艺及特性，并在此基础上，制备了微晶硅薄膜太阳电池和进行了性能的分析。论文的各章节安排如下：第一章，简述本文的研究背景、国内外对太阳能电池的研究状况和应用历史以及指出了太阳能电池的发展趋势。第二章，介绍了太阳能电池的工作原理及结构，说明了太阳能特性的表征手段及测试工具。7?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？第三章，重点研究了硅烷浓度和硼烷掺杂浓度对P层材料、磷烷掺杂浓度对N层材料的性能影响，为制备微晶硅薄膜太阳电池准备了材料基础。第四章，着重研究了衬底温度和硅烷浓度对I层材料的性能影响，并在前面的研究基础上，制备了微晶硅薄膜太阳电池和作了特性分析。第五章，对全文进行了总结，并对下一步的研究工作提出了建议。8?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？第二章太阳电池基础及制备工艺?2.1?太阳电池发电原理及构造太阳电池的基本原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为[27,28,29]?电能？。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以p型硅和n型硅对外部来说是电中性的。如将p型或n型放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子-空穴对，但在很短的时间内电子又被捕获,即电子和空穴“复合”。当p型材料和n型材料相接，将在晶体中p型和n型材料之间形成界面，即一个p-n结。此时在界面层n型材料中的自由电子和p型材料中的空穴相对应。由于正负电荷之间的吸引力，在界面层附近n型材料中的电子扩散到p型材料中，并且将在原子作用力允许范围内，与p型材料中的电子缺乏实现平衡。与此相反，空穴扩散到n型材料中与自由电子复合。这样在界面层周围形成一个无电荷区域。在之前p型材料和n型材料是电中性的，这样通过界面层周围的电荷交换形成两个带电区：通过电子到p型材料的迁移在n型区形成一个正的空间电荷区和在p型区形成一个负空间电荷区。太阳电池在无光照时，在界面层附近的相反的空间电荷相互作用，使载流子的继续交换停止。在界面层附近的空间电荷区的厚度一般为0.5〜1mm左右。对于太阳电池来说，界面层应当处于硅片表面的附近位置。如果光线照射在太阳电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在p型硅和n型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子-空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正的n区和空穴向带负电的p区运动。通过界面层的电荷分离，将在p区和区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅电池来说，开路电压的典型数值为0.5〜0.6V。用一个电流表也可测量电流的强度。通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，电流越大。界面?层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳电池中形成的电流也越大？。对于太阳电池来说,光能到电流的转换仅是在界面层附近才是有效的。这取9?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？决于光线在界面层周围被吸收和尽可能地将能量传输给晶体。因此，太阳电池的光线入射的一面应该相应做得薄一些，以便光线可几乎无衰减地到达界面层。总而言之,在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入p-n结区附近才能产生电子-空穴对。图2-1为用能量带图表示的带间激励引起的光传导现象的示e?e?意图。当大于禁止带宽的g?的能量的光(hw?g?)照射在半导体上时，由于带间迁移作用，价电子带中的电子被激励，而产生电子-空穴对，使电气传导?度增加？。？e?ce?ghw?ev图2-1带间激励引起的光传导现象?2.2?太阳电池的特性及性能参数?2.2.1.太阳电池的输入输出特性太阳电池的种类较多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以表征。10?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？图2-2为太阳电池的输入输出特性，也称太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太阳电池被光照时的电压-电流特性，虚线为太阳电池未被光照时的电压-电流特性。图2-2太阳电池的电压-电流特性无光照射时的暗电流相当于PN接合的扩散电流，其电压电流特性可用下式表示：eV?I?[exp??-1](2.1)I0?nkT?这里,？:逆饱和电流的作用，由PN结两端的少数载流子和扩散常量决定的常数；I0?V:光照射时的太阳电池的端子电压；n:二极管因子；k:玻尔兹曼常数；T:温度？。?PN?结被光照射时，所产生的载流子的运动方向与(2.1)式中的电流方向相反，用？表示。光照射时的太阳端子电压V与光电流密度？的关系如下:？J?I?sc?ph?eV?=?[exp??-1]-?(2.2)I?IJ?ph?0?sc?nkT?这里,？与被照射的光的强度有关，相当于太阳电池端子短路时的电流，J?sc?称为短路光电流密度。当太阳电池接上最佳负载电阻时，其最佳负荷点为电压电流特性上的最大电压？与最大电流？的交点，图中的斜线部分的面积相当于太阳电池的输出V?I?mp?mp?11?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？功率？，其式如下:？Pout?eV?=VI=V[?-?[exp??-1]]2.3J?out?sc?0?nkT?由于最佳负荷点的输出功率为最大值,因此，由下式即可以得到太阳电池的最佳工作电压？以及最佳工作电流？：？V?I?op?op?d?p?out??02.4dV?最佳工作电压?为：V?op?e?e?V?V?op?op?J?sc?exp??1+???+1?2.5nkT?nkT?I?0最佳工作电流?为：?I?op??+?e?/?nkT??J?I?V?=?2.6I?op?1?+e?/?nkT??V?op??2.2.2.太阳电池的性能参数在理想情况下,p-n结太阳电池的等效电路如图2-3所示，其中I为光生电1流,I为p-n结的正向注入电流,I为太阳电池提供的负载电流。但是，在实际f的太阳电池中，由于存在并联（泄露）电阻R和串联电阻R，所以实际等效电路ShS?如图2-4所示？。图2-3理想p-n结太阳电池的等效电路12?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？图2-4实际p-n结太阳电池的等效电路由p-n结太阳电池的等效电路可知，其中有一个恒流源和p-n结并联，电流源?是太阳光照射生成的过剩载流子产生的。？为二极管的饱和电流,R为负II[33,34]?载电阻，此时p-n结太阳电池的I-V特性(即伏安特性)为？：qV?I=?-?=?-(?exp?-?)(2.7)I?I?IIIf?1?0?0?1?kT?可以得到图2-5所示的I-V曲线。图2-5太阳光照射下的p-n结太阳电池的I-V曲线13?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？(1)开路电压2?开路电压？，即将太阳能电池置于100mW/cm?的光源照射下，在两端开路V?oc?时，太阳能电池的输出电压值。可用高内阻的直流毫伏计测量电池的开路电压。由图2-5可知，在电流为0时，电压最大，即为开路电压？，此时:？V?oc?kT?kT?I?I?1?1?=?ln(?+1)ln?(2.8)V?oc?q?q?I?I?0?0?短路电流？，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短I?SC?路时,流过太阳能电池两端的电流。测量短路电流的方法,是用内阻小于1W的电流表接在太阳能电池的两端。由图2-5可知，在电压为0时，电流最大，即为短路？，此时:？I?SC?=?2.9I?ISC?1?最大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随着负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线(如图2-5所示)。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号？表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳Pm?工作电流，如图2-5的？和？，则有:？V?I?m?m?=?(2.10)V?PI?m?m?m?(4)填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF,它是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比：P?V?I?m?m?m?FF=?=?(2.11)V?I?V?I?oc?sc?OC?sc?FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于1。14?暨南大学硕士学位论文？PECVD法制备微晶硅薄膜材料及太阳能电池？串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大,短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多;并联电阻越小，这部分电流越大,开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。(5)转换效率太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比：FFP?V?I?m?oc?sc?h=???(2.12)P?P?in?in?太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。其中与制造电池半导体材料禁带宽度的关系最为直接。首先，禁带宽度直接影响最大光生电流即短路电流的大小。由于太阳光中光子能量有大有小，只有那些能量比禁带宽度大的光子才能在半导体中产生光生电子-空穴对,从而形成光生电流。所以，材料禁带宽度小，小于它的光子数量就多，获得的短路电流就大;反之，禁带宽度大，大于它的光子数量就少,获得的短路电流就小。但禁带宽度太小也不合适，因为能量大于禁带宽度的光子在激发出电子-空穴对后剩余的能量转变为热能，从而降低了光子能量的利用率。其次，禁带宽度又直接影响开路电压的大小。开路电压的大小和P-N结反向饱和电流的大小成反比。禁带宽度越大，反向饱和电流越小，开路电压越高。?2.3?薄膜太阳电池的性能测试实验所制备的电池样品采用西安交通大学研制的XJCM-8X小型半自动单片太阳能电池专用测试仪进行性能测试，采用脉冲氙灯作为模拟太阳光源，测试光2?源为?AM1.5(1000W/m?),色温为560