（机械电子工程专业论文）叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前光伏市场上主流的太阳电池是体硅太阳电池，但其生产成本 高，薄膜叠层太阳电池生产成本低，理论极限高，是较理想的替代产 品。但目前叠层太阳电池的转换效率低，需要加强研究。 本文针对世界光伏产业和叠层太阳电池的研究现状，从窗口层和 中间反射层两方面开展理论研究，旨在改善非晶硅微晶硅叠层太阳 电池的综合性能。本文将p + p 高低结作为太阳电池的窗口层，以掺铝 氧化锌作为中间反射层材料，通过采用a m p s 1 d 模拟与数值计算相 结合的方法进行研究。研究发现，高低结的窗口层和掺铝氧化锌的中 间反射层可以有效地提高太阳电池的综合性能，同时做了更深入的研 究，得到以下结论： 1 ) 提高p + p 中p + 的掺杂浓度可以增大叠层太阳电池的开路电压，可 以提高窗口层的电导率，可以降低叠层太阳电池的串联电阻，可以提 高短波段的光谱响应，可以提高短路电流密度，但掺杂浓度超过 l x l 0 2 1 c r f l ，易形成“死层 。 2 ) 当p + p 中p + 的厚度大于3 n m 时，短路电流密度密度及短波段的光 谱响应随p + 的厚度增加而减小，但开路电压和填充因子基本无变化。 3 ) 建立了非晶硅微晶硅叠层太阳电池中间反射层的光学模型，对掺 铝氧化锌薄膜作为中间反射层进行模拟研究，研究表明，中间反射层 薄膜的退火温度越高，对光谱的反射率越高，顶电池的光谱吸收量及 电流密度越大。 4 ) 模拟研究了掺铝氧化锌的衬底温度对叠层太阳电池性能的影响， 结果表明，当衬底温度为1 0 0 时，反射率达到最高，顶电池的电流 密度最大。 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 5 、) 研究了中间反射层薄膜溅射功率对叠层太阳电池性能的影响，结 果表明，在低功率情况下，中间反射层对光谱的反射率、顶电池的电 流密度及整个叠层太阳电池的电流密度随沉积掺铝氧化锌的溅射功 率增大而增加。 本文对叠层太阳电池高低结的窗口层和掺铝氧化锌的中间反射 层进行了研究，所得结果为高效叠层太阳电池的设计提供了依据。 关键词：非晶硅微晶硅叠层太阳电池，窗口层，中间反射层，掺铝 氧化锌，a m p s 1 d n 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s of a r , t h em a i n s t r e a mo fs o l a rc e l l so nt h em a r k e ti sb u l ks i l i c o n w i t hh i g hp r o d u c t i o nc o s t s t h i nf i l mt a n d e ms o l a rc e l lw i t hl o wc o s ta n d h i g ht h e o r e t i c a ll i m i ti s a ni d e a la l t e r n a t i v e h o w e v e r , t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft a n d e ms o l a rc e l l si nt h el a b o r a t o r yi sl o w , w h i c hm e a n s m o r er e s e a r c h e sa x en e e d e d f i r s t l y , t h ec u r r e n ts i t u a t i o n so ft h ew o r l d sp h o t o v o l t a i ci n d u s t r y a n dt a n d e ms o l a rc e l l sr e s e a r c ha r ed e s c r i b e d t h e n ，t h ew i n d o wl a y e r a n dt h ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v el a y e ra r e i n v e s t i g a t e dt oi m p r o v et h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e o fm i c r o m o r p ht a n d e ms o l a rc e l l s t h e p + p c o n f i g u r a t i o ni su s e da saw i n d o wl a y e ra n dt h ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v e l a y e rm a t e r i a l sa d o p ta l u m i n u md o p e dz i n co x i d e c o m b i n i n ga m p s 一1 d s i m u l a t i o na n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，w e f i n dt h a tt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l si si m p r o v e de f f e c t i v e l yb yi n t r o d u c i n ga 心| p w i n d o wl a y e ra n da na l u m i n u md o p e dz i n co x i d ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v e l a y e r , t h e nd oam o r ei n d e p t hs t u d y , a t t a i nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 ) i n c r e a s i n gt h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no fp + i nt h ep + pc o n f i g u r a t i o n c a ne n h a n c et h eo p e nc i r c u i tv o l t a g e ，i m p r o v et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y o ft h ew i n d o wl a y e r , r e d u c es o l a rc e l ls e r i e sr e s i s t a n c e ，a u g m e n ts h o r t w a v e l e n g t hs p e c t r a lr e s p o n s e ，a n di m p r o v et h es h o r t c i r c u i t c u r r e n t h o w e v e r , w h e nt h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o ne x c e e d six1 0 2 1 c n l 一，t h ep + l a y e ri se a s yt of o r ma ”d e a dl a y e r 2 ) m e nt h et h i c k n e s so fp + i nt h ep pc o n f i g u r a t i o ni n c r e a s ef r o m 3 n m ，t h es h o r t c i r c u i t c u r r e n td e n s i t ya n ds h o r tw a v e l e n g t hs p e c t r a l r e s p o n s ed e c r e a s e ，t h eo p e nc i r c u i tv o l t a g ea n df i l lf a c t o rd on o tc h a n g e c o n s e q u e n t l y , t h eo p t i m u m t h i c k n e s so f p + i s3 n m 3 ) b u i l da ni n t e r m e d i a t er e f l e c t i v el a y e ro p t i c a lm o d e lo fa m o r p h o u s i i i 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 s i l i c o n m i c r o c r y s t a l l i n e s i l i c o nt a n d e ms o l a r c e l l s m o d e l i n gs t u d y a l u m i n u md o p e dz i n co x i d ef i l m sa si n t e r m e d i a t er e f l e c t i v e l a y e r r e s e a r c hs h o w e dt h a t ，t h eh i g h e ra n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo fa l u m i n u m d o p e dz i n co x i d e ，t h eg r e a t e rr e f l e c t i v i t yo ft h ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v e l a y e rw a sa t t a i n e d ，t h ea b s o r b e ds p e c t r u mi nt h et o pc e l lb e c a m eg r e a t e r , t h ec u r r e n td e n s i t yo ft h et o pc e l lb e c a m eg r e a t e r , c o n s e q u e n t l y , t h e c o n t r i b u t i o no ft h ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v el a y e rb e c a m eg r e a t e r 4 ) m o d e l i n gs t u d yt h ei n f l u e n c eo fs u b s t r a t et e m p e r a t u r eo fa l u m i n u m d o p e dz i n co x i d eo nt a n d e ms o l a rc e l l s t h er e s u l t ss h o w st h a t ，t h e o p t i m u ms u b s t r a t et e m p e r a t u r eo fa l u m i n u md o p e dz i n co x i d ei s1 0 0 。c w h e nt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei s1 0 0 。c ，t h ec u r r e n td e n s i t yo ft h et o p c e l li st h eh i g h e s t 5 ) s t u d yt h ei n f l u e n c eo fs p u t t e r i n gp o w e ro fa l u m i n u md o p e dz i n c o x i d eo i lt a n d e ms o l a rc e l l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，e n h a n c i n gt h e s p u t t e r i n gp o w e ro fa l u m i n u md o p e dz i n co x i d e ，t h er e f l e c t i v i t yo ft h e i n t e r m e d i a t er e f l e c t i v el a y e rb e c a m eg r e a t e r c o n s e q u e n t l y , t h et o pc e l l c u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e d ，a n dt h et a n d e ms o l a rc e l lc u r r e n td e n s i t y i n c r e a s e d t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep + pw i n d o wl a y e ra n da l u m i n u md o p e dz i n c o x i d ei n t e r m e d i a t er e f l e c t i v el a y e ro ft a n d e ms o l a rc e l l s t h er e s u l t s p r o v i d eab a s i s f o rt h ed e s i g no fh i g he f f i c i e n c yt a n d e ms o l a rc e l l s k e y w o r d s ：a m o r p h o u s m i c r o c r y s t a l l i n et a n d e ms o l a rc e l l ，t h ew i n d o w l a y e r , t h ei n t e r m e d i a t el a y e r , a l u m i n u md o p e dz i n co x i d e ， a m p s 1 d i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 能源短缺和环境污染是人类长期面临的两大难题，开发以可再生能源为主的 新能源、发展低碳经济是解决这两大难题的重要途径，也是发展新兴产业的突破 口。我国要成为创新型国家，要走新型工业化道路，既要大量节约能源、节约资 源，又要不失时机地实现工业化。实现工业化需要能源，面对我国近1 4 亿人口 的工业化，能源成为发展的硬约束条件。在未来的若干年中，将会出现多种能源 共存的局面，风能，核能，水利发电及生物能源将同时减少对化石能源的依赖。 但是，单单关注水电、风电和核电难以实现中国政府的减排目标和能源结构调整 目标，尤其是长远的能源供应目标。太阳能是至今为止地球上可用的最大能量来 源，它提供了其他可再生能源不能提供的好处。光伏系统能在合适的陆地和建筑 物上的任何地方开发，光伏系统也是组建式的，这提供了规模上的灵活性。光伏 系统能在最近需求中心处安装，它们的发电峰值与电力峰值需求一致。光伏发电 可以就地用电，减小对电网的压力。 1 1 光伏产业的现状 世界太阳能光伏产业和市场在严峻的能源形势和生态环境的压力下，在技术 进步促进下以及在法规政策强力推动下，自2 0 世纪9 0 年代开始步入了快速发展 时期。2 0 0 4 年以来，全球太阳能光伏产业进入了高速发展期。根据欧洲光伏工 业协会在2 0 1 1 年5 月发布的( ( g l o b a lm a r k e to u t l o o kf o rp h o t o v o l t a i c su n t i l2 0 1 5 ， 全球光伏累计装机量从2 0 0 0 年的1 5 g w 增至2 0 1 0 年的3 9 5 g w ，年均增长率高 达4 0 。至2 0 1 0 年中国大陆已经成为全球主要的太阳电池和组件的制造中心， 其后是中国台湾、德国和日本，如图1 1 。从光伏装机容量情况来看，欧盟凭借 其累计装机容量超过2 9g w ，领先于其他国家和地区，如图1 2 。 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 槲， 黼撕，一榭瑚，黼槲脚聱静 图1 1 全球各国年度产量 f i g 1 1t h ea n n u a lp r o d u c t i o no fc o u n t r i e si nt h ew o r l d 图1 2 全球各国年度装机量 f i g 1 2a n n u a li n s t a u e dc a p a c i t yo fc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d 得益于欧洲光伏市场的拉动，中国的光伏产业在2 0 0 4 年之后经历了快速发 展的过程。2 0 0 7 年至今，中国已经连续4 年光伏电池产量居世界首位。2 0 0 9 年 全球太阳电池产量为1 0 7 g w p ，我国为5 2 g w p ，占世界产量的4 8 7 ；2 0 1 0 年 全球太阳电池产量为1 5 8 g w p ，中国光伏太阳电池产量更是达到8 g w p ，已超过 全球产量的5 0 ；2 0 1 1 年全球太阳电池产量2 3 g w ，我国光伏组件产量达到 l l g w ，在全球光伏市场低迷、欧债危机和美国“双反”的不利国际环境下，依然 占据了近5 0 的份额，且取得了3 7 的年增幅。 但是，光环之下也笼罩着阴影。由于光伏末端装机市场发展速度急降，加上 2 0 1 1 年产能扩充过快，导致产能过剩的情况十分严峻，光伏行业多个环节的价 格降低5 0 以上，而光伏电站的装机成本则下降了4 0 左右，如图1 - 3 。组件从 年初的1 3 元瓦降低到了6 6 元瓦，多晶硅价格则从6 0 7 0 万元吨跌到了1 9 2 0 万元吨，历史上首次跌破我国大部分厂家的成本价。这次降价的波及面之广、 幅度之深，远远超过了2 0 0 8 年金融海啸，这对下游产业虽然是一种痛苦，但从 长期来说，却是一种好兆头，标志着光伏产业的价格下降趋势进入了一种良性循 2 江苏大学硕士学位论文 环。 斑筏 ，襞统囊戚妈 ：骥 m 檑配纛每毙 罄 湾变 # 坦髂 * 魄遗辫 _ 礴楚扔井 多螽壤 矿矿矿矿矿矿矿，矿矿矿矿矿矿 图1 3 近四年我国光伏发电各环节价格曲线变动趋势( 价格单位为人民币元瓦) 1 1 】 f i g 1 3t h ep r i c ec h a n g e s i na l la s p e c t so fc h i n a sp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ( u n i t ：r m b ：w ) 1 2 太阳电池的分类 近年来，围绕光电池材料、转换效率和稳定性等问题，光伏技术发展迅速， 日新月异。依据太阳电池产生技术的成熟度来区分，将太阳电池的发展划分为四 个阶段：第一代太阳电池、第二代太阳电池、第三代太阳电池、第四代太阳电池。 第一代太阳电池主要是指晶体硅太阳电池。目前晶体硅太阳电池占整个太阳 电池产量的9 0 以上，是最重要也是技术最成熟的太阳电池。但由于单晶硅价格 过于昂贵，人们一度认为单晶硅太阳电池会逐渐淡出太阳电池市场。 第二代太阳电池是指各种薄膜太阳电池。包括非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉 太阳电池、铜铟镓硒太阳电池、砷化镓太阳电池、纳米二氧化钛染料敏化太阳电 池等。其核心是一种可粘接的薄膜，这种薄膜的优势：一是可以大批量、低成本 地生产；二是能更好地利用太阳能。第二代太阳电池正在产业化前期阶段，有部 分种类已经实现量产，但是技术成熟度还有待提高。 第三代太阳电池是在研究太阳电池的效率极限和能量损失的基础上提出的。 马丁格林认为第三代太阳电池必须有三个条件：薄膜化、转化率高、原料丰富且 无毒。已提出的第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、热光伏电池、量子阱及量 子点超晶格太阳电池、纳米线太阳电池、热载流子太阳电池、碰撞离化太阳电池 气 的 的 鳓 拘 o 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 等新概念电池。这些电池具有突破现有技术瓶颈的希望，但大部分目前还只是停 留在理论设计阶段。 第四代太阳电池是由挪威的e n s o l 公司和英国的莱斯特大学研制出来的，将 可以不再使用半导体材料。2 0 1 0 年8 月1 0 日，挪威的e n s o l 公司和英国的莱斯 特大学宣布，“发现了与第四代太阳电池相关的基本原理”。该原理可实现非常高 的转换效率，而且有可能低成本制造太阳电池。这是一种将直径为1 0 ，一- - 1 0 0 n m 的“纳米粒子”混入透明介质中，并在玻璃底板上涂布极薄的一层而成的薄膜太阳 电池。据称，这种纳米粒子受到太阳光照射时，会释放出“热电子( h o te l e c t r o n ) ” 并产生电动势，如图1 4 。这种太阳电池可以吸收波长超过2 t i m 的红外线，与现 有硅类太阳电池相比，可提高能量转换性能。莱斯特大学物理与天文学系教授克 里斯宾斯表示，“只要是光滑的表面，材料可在如玻璃窗及大楼墙壁等任意地方 喷涂，使其变成太阳电池”，因此与商业电力相比，有望大幅降低发电成本。由 于活性层非常薄，因此还可能实现保证透明性的“发电窗玻璃”。莱斯特大学的 宾斯教授介绍说，“纳米粒子不是( 称为量子点的) g a a s 等半导体粒子，而是金 属粒子，还可将其表面等离子体共振( s p r ) 效果用于电子释放”。之所以将此 次的太阳电池称为“第四代”，是因为其定位是量子点型之后的下一代太阳电池。 ”嘶篓? “h r 。, l rc 积。t m 】t n t o c x k n 圳t o “l c u r r t , mv t o w 图1 4 第四代太阳电池原理图 f i g 1 4t h es c h e m a t i co ft h ef o u r t h - g e n e r a t i o ns o l a rc e l l 按太阳电池结构可分为：同质结太阳电池、异质结太阳电池、肖特基结太阳 电池、薄膜太阳电池、叠层太阳电池、湿式太阳电池等。按电池材料可分为：硅 基太阳电池、无机化合物太阳电池及有机太阳电池【2 】o 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 太阳电池的研究现状 单晶硅太阳电池是目前开发的最快的一种太阳电池，其理论极限为2 9 【3 1 。 赵建华等人【4 】在1 9 9 8 年已经将单晶硅单结太阳电池的效率提高到了2 5 左右， 并且目前国内的产业化的单晶硅太阳电池效率已经达到1 8 左右，这说明国内的 晶硅太阳电池的技术已经相当成熟。但同时也应该发现单晶硅太阳电池的效率记 录保持了1 4 年，说明其上升能力和空间已经不大。多晶硅太阳电池的最高效率 也达到2 0 4 左右，国内产业化已经提高到了1 7 2 。 碲化镉薄膜太阳电池的光电转换效率理论极限为2 8 。n r e l 已经将其转换 效率提高到了( 1 6 7 + 0 6 ) ，开路电压为0 8 4 5 v ，电流密度为2 6 1 m a c m 2 ，填 充因子为7 5 5 ，这是目前为止的最高效率【5 】。组件的最高转换效率也已达到 1 1 。国内四川大学比较出色，制备出转换效率为1 3 3 8 的小面积单元太阳电池 【6 1 ，己接近世界水平。但目前国内还未见到碲化镉薄膜太阳电池量产的报道。 铜铟镓硒太阳电池的转换效率居各种薄膜太阳电池之首。目前德国纳沙泰尔 大学的铜铟镓硒薄膜太阳电池在指定照明面积为0 1 0 2 c m 2 时的转换效率达到 2 1 8 ，是世界最高纪录。2 0 1 0 年，斯图加特市的z e n t r u mf i i rs o n n e n e n e r g i e u n d w a s s e r s t o f f - f o r s c h u n g ( z s w ) 带l j 备了总面积为0 5 0 3 c m 2 ，效率为2 0 1 的铜铟镓硒 太阳电池。其他国家也取得了较好的成果，瑞士的e m p a 实验室在玻璃衬底上分 别获得了了1 9 5 【7 】和1 9 9 1 s 的太阳电池。我国铜铟镓硒太阳电池研究起步较 晚，中国科学院深圳先进技术研究院的研究比较突出，已经制备出了转换效率为 1 7 的铜铟镓硒太阳电池，1 0 0 c m 2 的组件效率高达1 2 6 ，成果喜人。 第三代太阳电池中的纳米线太阳电池和叠层太阳电池已能实现。其中纳米线 太阳电池转换效率最高报道是8 4 ，荷兰埃因霍恩理工大学认为纳米线太阳电 池通过多结层叠，转换效率有望达到6 5 。太阳电池种类较多，为了节约论文空 间，现将各太阳电池的最高效率列出，见表1 1 ，硅基叠层太阳电池的研究现状， 将在下一节具体叙述。 5 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 表1 1 世界太阳电池效率的最高水平( s t c ：a m l 5 ，1 0 0 0 w m 2 ，2 5 c ) t a b l e1 1t h eh i g h e s tl e v e lo fe f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l si nt h ew o r l d ( s t c ： a m l 5 ，1 0 0 0 w m 2 ，2 5 ) 电池种类转换效率( )研制单位 面积( 伽? ) 单晶硅电池2 5 0 5美国能源部s a n d i a 国家实验室 4 多晶硅电池 2 0 4 0 5美国国家可再生能源实验室 1 0 0 2 g a a s 多结电池 3 4 7 1 7德国f h g i s e1 0 0 6 染料敏化电池 1 0 4 0 3 日本产业技术综合研究所 1 0 0 4 g a i n p g a a s g e 电池 3 2 + 1 5 美国国家可再生能源实验室 3 9 8 9 1 4 5 ( 初始) + 0 7 薄膜非晶硅太阳电池美国u s s c 公司 0 2 7 1 2 8 ( 稳定) 0 7 g a l n p g a a s 电池 3 6 1 - + 2 2美国国家可再生能源实验室0 3 1 3 g a a s c i s 薄膜电池 2 5 8 - + 1 3 美国国家可再生能源实验室 4 a - s i 2c - s i 1 1 7 0 4 日本产业技术综合研究所 1 4 2 3 a s i a s i g e n c s i1 5 1 美国联合太阳能奥佛公司 0 2 5 a s i n c s i n c s i 1 2 5 0 7 美国国家可再生能源实验室 0 2 7 1 4 硅基叠层太阳电池简介 在太阳电池研究领域中，充分利用太阳光光谱来减小能量损失并提高光电转 换效率是研究太阳电池的重要环节之一。由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有 的任何半导体材料只能吸收能量比其能隙值高的光子。太阳光谱中能量较小的光 子只能透过电池而被背电极金属吸收，转变为热能；而能量较高的光子的超出材 料能隙值的多余能量，则通过光生载流子的能量的热释作用传给电池材料本身的 点阵原子，使其本身发热。这些能量都不能通过光生载流子作用到负载上，变为 有效的电能，因而造成能量的损失。叠层太阳电池是将太阳光光谱分成连续的若 干部分进行吸收，每个子电池吸收与其材料能隙值相匹配的光子，且子电池按能 隙从大到小的顺序由外向里叠合起来，让波长最短的光被最外面的宽隙材料电池 吸收，波长较大的光透过宽能隙的子电池被较窄能隙的子电池利用，这样就可以 最大化地利用太阳能。除了拓宽可利用的太阳光光谱范围，叠层太阳电池的转换 效率的理论极限也有了很大的提升。瑞士纳沙泰尔大学e m e i l l a u d 等人【9 】合理地 分配了吸收光谱，使各子电池的光电流相等，并假设底电池吸收所有透过顶电池 的光，使用计算机模拟计算获得了a s i p c s i 叠层太阳电池的理论效率为3 5 ， 在理想的状态下无限增加电池层的数目，电池的理论效率可以达到8 6 8 ，而对 于单结太阳电池，即便是晶体材料制成的，其转换效率极限也只有2 9 左右。另 6 江苏大学硕士学位论文 外对于非晶硅太阳电池，叠层太阳电池的稳定性也有了很大的提高，相对的效率 损失比起单结非晶硅电池的3 0 来说，叠层太阳电池只有5 。因此硅基叠层太 阳电池已成为人们研究与开发的热点。 常规的硅基叠层太阳电池的结构主要为非晶硅月# 晶硅、非晶硅二l b - 晶硅锗、 非晶硅微晶硅、非晶硅多晶硅等。其中非晶硅微晶硅叠层太阳电池是现在研究 的大热门。这主要是由于微晶硅薄膜是窄隙材料，用它作为底电池可以充分利用 太阳光谱，扩展光谱响应，可以将太阳电池的光谱响应的长波限从9 0 0 h m 扩展 到l l o o n m 。另外微晶硅具有更好的稳定性【l o l ，减少了光致衰退，使电池的稳定 效率有很大的提高。 美国的u n i t e ds o l a ro v o n i cl l c 利用低能隙值的n c s i ：h 代替多结太阳电池 的掺锗非晶硅合金层。经过多年的系统研究，他们认为甚高频辉光放电沉积法是 一种更合适方法，可以获得高沉积速率，大面积均匀厚度和高效率的电池。他们 沉积的a s i ：h a s i g e ：h n c s i ：h 三结太阳电池获得了1 5 4 的有效面积效率，随 后提高沉积速率到1 0 1 5 n m s ，a s i ：i - i n c s i ：h n c s i ：h 三结电池初始效率为 1 3 4 ，最近应用此结构获得了转换效率为1 2 5 的太阳电池。研究了大面积甚 高频沉积系统，显示了有前景的a s i ：h n c s i ：h n c s i ：h 组件效率。采用完全封 装的a s i ：h n c s i ：h n c s i ：h 组件有效面积( 4 0 0 c m 2 ) 的初始效率为1 1 o ，稳定 效率为1 0 1 t 1 1 1 。 日本产业技术综合研究所( a m t ) 采用m e s i l x g e x ：h 替代非晶硅微晶硅叠 层太阳电池的m e s i ：h 底电池，其中x - - 0 1 - 0 1 7 。经过比较发现，当x = 0 1 时， 叠层太阳电池的效率最佳，达到1 1 2 ( l = 1 1 1 ，y 乙= 1 3 8 v , f f - - 0 7 2 7 ) ，并且底 电池的厚度仅为9 0 0 h m 1 2 1 。 1 9 9 4 年，瑞士n e u c h a t e l 大学i m t ( i n s t i t u t eo fm i c r o t e c h n o l o g y ) 小组提出 了非晶硅微晶硅叠层太阳电池结构，并获得了9 1 的转换效率。2 0 1 0 年采用前 接触和后接触绒面结构，插入中间反射层，成功获得s i o x 中间反射层和z n o 中 间反射层的两种p i n 叠层太阳电池，电池的匹配电流密度均超过1 3 8 m a c m 2 。 在n i - p 结构中，应用了非对称中间反射层，并获得1 2 5 m a c m 2 的电流密度。获 得玻璃基底的叠层太阳电池的初始效率为1 3 ，稳定效率为1 1 ，丝网印刷的塑 料薄片上的叠层太阳电池的初始效率为1 1 2 ，稳定效率为9 8 t 1 3 1 。2 0 1 1 年， 通过在空气与玻璃界面随机印上微小的金字塔，减小了电池的反射损失。这种工 7 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 艺可以在电池或组件加工好后执行，对进入叠层太阳电池的底电池的光通量也有 加强作用。采用这种结构，电流密度增强了5 ，获得的电池初始效率为1 3 ， 且吸收层厚度不超过1 5 0 0 n m l l 4 1 。 日本的k a n e k a 公司将大面积的( 9 1 0 x 4 5 5 m m 2 ) 非晶硅微晶硅叠层太阳电池组 件的效率提高到1 3 1 。他们通过插入某种中间反射层使得组件的短路电流密度密 度增加了1 9 。另外此种电池组件的稳定转换效率达到1 2 。他们利用4 年时间对 比研究了顶电池限制型组件和底电池限制型组件，发现顶电池限制型组件比底电池 限制型组件的性能优越【1 5 1 。通过线性内插法建立了非晶硅微晶硅叠层太阳电池组 件的数学模型，并验证该模型能够处理组件在实际环境下的 y 特性，证明了每个 子电池的电流极限与光辐射有关，项电池的质量是整个电池组件的关侧1 6 1 。 德国于利希研究中心采用1 1 c s i o x ：h 作为非晶硅微晶硅叠层太阳电池的中 间反射层材料。发现1 t c s i o ；：h 的光学性能，电学性能和结构有很灵活的变化范 围，可以满足不同类型的电池，可以做窗口层，也可以做中间反射层，同时也发 现l x c s i o ；：h 的生长依赖衬底。他们用1 t c s i o x ：h 做中间反射层的非晶硅微晶硅 叠层太阳电池的效率为1 2 6 1 1 7 1 。 国内南开大学电子薄膜器件与技术研究所在硅基叠层太阳电池方面成果显 著。薛俊明等人采用射频等离子体增强化学气相沉积制得效率为9 8 3 的a s i uc s i ：h 叠层太阳电池；韩晓艳用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术制备的 a s i | lc 二s i ：h 叠层太阳电池高达1 1 1 7 ，接近国际先进水平。张晓丹等人注重 单室沉积硅基太阳电池，通过调节n p 隧穿结并采用自行研制开发的单室微晶硅 底电池的沉积获得转换效率达9 5 2 的非晶硅月 晶硅微晶硅三叠层太阳电池， 另外通过对微晶硅底电池本征层硅烷浓度的优化，获得初始效率为1 1 0 2 的非 晶硅微晶硅叠层太阳电池。 1 5 本论文的主要内容 本论文的研究目的是提高叠层太阳电池的性能，主要研究的是叠层太阳电池 的两个方面：窗口层和中间反射层，主要研究手段均是利用a m p s 1 d 和多层薄 膜光学模型，基于实验数据进行太阳电池模拟。本文详细地叙述了研究方法和研 究结果。具体章节内容安排如下： 、 第一章，阐述了世界光伏产业和中国光伏产业的现状，并对太阳电池进行分 8 江苏大学硕士学位论文 类，最后叙述了硅基叠层太阳电池的研究现状。 第二章，介绍了太阳电池的基本理论，详细说明了a m p s 1 d 的工作原理。 第三章，将高低结p + p 应用于窗口层，并研究其掺杂浓度和厚度对太阳电池 性能的影响，对得出的结论进行讨论分析。 第四章，以掺铝氧化锌做为中间反射层的材料，基于实验数据，模拟分析其 对叠层太阳电池的影响，主要分析了掺铝氧化锌的衬底温度、溅射功率、退火温 度等工艺参数对中间反射层及叠层太阳电池的影响，并对结论进行讨论分析。 第五章，对本论文工作进行总结，并提出未来的工作方向。 9 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 第二章太阳电池的原理 2 1 单结太阳电池的原理 太阳电池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电能。它 实质上是一个大面积的p n 结，当光照射到p n 结的一面时，若光子能量大于半 ，导体材料的光学能隙值，则光子被吸收，产生自由电子空穴对，电子空穴对从 表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，建立一个与光照强度有关的电动势。赵 富鑫【1 8 】对半导体太阳电池的工作原理概括成下面几个主要过程。第一，必须有光 源，此光源可以是单色光、太阳光谱或模拟太阳光源等，而且入射光的光子能量 要高于半导体光学能隙值。第二，光子被半导体吸收后，激发出电子空穴对，这 些电子和空穴应有足够长的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。第三，必须 有空间电荷场，在电荷场的作用下，激发出来的电子和空穴被分离，电子被扫向 带正电的n 区，空穴被扫向带负电的p 区。大多数太阳电池利用p n 结势垒区的 静电场实现分离电子空穴对的目的，p n 结是太阳电池的核心部分。第四，被分 离的电子和空穴由电极收集经由外电路输出到电池体外，形成电流。 2 1 1p n 结 当p 型和n 型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异， 这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。p 型半导体多空穴， n 型半导体多自由电子。n 区的电子会扩散到p 区，p 区的空穴会扩散到n 区。 由于电子和空穴都是带电粒子，所以扩散的结果就是p 区和n 区中原来的电中 性条件被破坏了。p 区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，n 区一侧因失 去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷， 它们集中在p 区和n 区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，空间电荷 区形成了一个由n 指向p 的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形 成了一个特殊的薄层，形成电势差，这就是p n 结。 平衡p n 结的情况可以用能带图表示。图2 a 0 ) 表示p 型、n 型两块半导体 的能带图，图中和如分别表示n 型和p 型半导体的费米能级。当两块半导 体结合形成p - n 结时，按照费米能级的意义，电子将从费米能级高的n 区流向费 l o 江苏大学硕士学位论文 米能级低的p 区，空穴则从p 区流向n 区，因而e f n 不断下移，而如不断上移， 直至e f n = e f p 时为止。这时p - n 结中有统一的费米能级e f ，p - n 结处于平衡状态， 其能带如图2 1 ( b ) 所示。实际上，e v n 是随着n 区能带一起下移，则随着p 区 能带一起上移。能带相对移动的原因是p n 结空间电荷区存在内建电场的结果。 随着从n 区指向p 区的内建电场的不断增强，空间电荷区内电势动由n 区向p 区不断降低，而电子的电势能q v ( x ) 贝l j c bn 区向p 区不断升高，所以，p 区的能 带相对n 区上移，而i 1 区能带相对p 区下移，直至费米能级处处相等时，能带才 停止相对移动，p n 结达到平衡状态。因此，p n 结中费米能级处处相等恰好标 志了每一种载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消，没有净电流通过p n 结。 = = = 二j 层。 e r 。 品一一一一一一一一一厮 ! = = = = = ：= 二二= 易 _ o 一j 玉 嚣一一 ( 口) 强) 图2 1 平衡p n 结能带图【1 9 1 ：( a ) n 、p 型半导体的能带；( b ) 平衡p n 结能带图 f i g 2 1 ( a ) b a n ds t r u c t u r eo fn - t y p ea n dp - t y p es e m i c o n d u c t o r ； ( b ) b a n d s t r u c t u r eo f p nj u n c t i o ni ne q u i l i b r i u m 平衡p - n 结的空间电荷区两端间的电势差，称为p - n 结的接触电势差或内 建电势差。相应的电子电势能之差即能带的弯曲量q v o 称为p - n 结的势垒高度， 如图2 2 。从图2 2 可知，势垒高度正好补偿了n 区和p 区费米能级之差，使平 衡p - n 结的费米能级处处相等，因此 q = 一( 2 1 ) 半导体的导带中电子浓度为 叠层太阳电池窗口层和中间反射层的研究 = ce x p ( - 铲) ( 2 2 ) 式中c 为导带的有效状态密度，e c 为导带底能量，e y 为价带顶能量，肠是波尔 兹曼常数，z 是热力学温度。 。q v ( x ) i l l z i 0 2 笔i l 、 i- z l j ： 一口 l l l 【 ll j i 、 l l ， l 图2 2f 两p 1 1 箔甲吧劈再e f i g 2 2e l e c t r i cp o t e n t i a le n e r g yo fp - nj u n c t i o ni ne q u i l i b r i u m 半导体的价带中空穴浓度为 = 机e x p ( 铲) ( 2 3 ) 式中矿为价带的有效状态密度，半导体本征载流子浓度为 = c e x p ( 一1 e c - 一e i - ( 2 4 ) 式中邑为本征费米能级，本征激发时，n o = p 0 = n i ，啪，n c - n i e x p ( 可e c - e i ) ， 代入式( 2 2 ) ，得 邓x p ( _ 铲) ( 2 5 ) 令，韧表示n 区的平衡电子浓度，则 铲懈( 警) ( 2 6 ) 同理得p 区的平衡电子浓度 ，l p 。= 吩e x p ( e “, - - o r e ) ( 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 与( 2 7 ) 相除取对数得 l n 竺盟= 土一)( 2 8 ) n p o k o t 、1 8 1 ，7 、7 因为n n 。0 ，刀，。，f - ，贝i j ：! 一) ：竖伽监) ：望( 1 n 哗) ( 2 9 ) qq n p o q町 上式表明电势差与p n 结两边的掺杂浓度、温度和材料的禁带宽度有关。在一定 温度下，突变结两边掺杂浓度越高，接触电势差越大；禁带宽度越大，n f 越 小，场也越大。 p n 图2 3 正向偏压时p - n 结势垒的变化 f i g 2 3c h a n g eo fp - nj u n c t i o nb a r r i e ru n d e rf o r w a r db i a s 实际中，我们接触最多的是非平衡状态下的p - n 结。当p n 结两端有外加电 压时，p _ n 结处于非平衡状态。p n 结加正向偏压v ( 即p 区接电源正极，n 区接 电源负极) 时，因势垒区内载流子浓度很小，电阻很大，势垒区外的p 区和n 区 中载流子浓度很大，电阻很小，所以外加