（微电子学与固体电子学专业论文）vhfpecvd法制备nip型硅薄膜太阳电池的研究.pdf

摘要 前 提 下 ， 电 池 的 转 化 效 率 达7 .4 7 % ， 其 中v o c = 1 .3 7 v , j sc = 8 .2 0 m a /c m 2 ,f f = 0 .6 6 o 关键词:甚高频等离 子体增强化学 气相沉 积; n i p 结构; 峥 界面;n / i 界 面;缓 冲层 ab s t r a c t ab s t r a c t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f fl e x i b l e a n d l i g h t w e i g h t t h i n fi l m s o l a r c e l l s h a v e b e c o m e a h i g h l i g h t i n t h e f i e l d o f p h o t o v o l t a ic . a s t h e s u b s t r a t e s o f t h e s o l a r c e l l s , t h e s t a i n l e s s s t e e l f o i l s a n d t h e p i h a v e p o o r t r a n s p a r e n c e . s o t h e s t ruc t u r e s o f t h e fl e x i b l e a n d l i g h t w e i g h t s o l a r c e l l s w e r e m o s t l y n ip s t r u c t u r e . i n t h i s t h e s i s , a l l o f t h e s o l a r c e l l s o f 吻 s t r u c t u r e w e r e d e p o s i t e d b y v h f - p e c v d t e c h n i q u e . a n d t h e d e p o s i t i o n a rt s w e r e s t u d i e d . c o m p a r e d t o t h e s o l a r c e l l s o f p i n s t r u c t u r e , t h e o p p o s i t e d e p o s i t i o n s e q u e n c e o f n ip s t r u c t u r e l e d t o d i ff e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f 办 i n t e r f a c e a n d n / i i n t e r f a c e , w h i c h r e s u l t e d i n w o r s e p e r f o r m a n c e s o f t h e s o l a r c e l l s o f n i p s t r u c t u r e , e v e n i f t h e d e p o s i t i o n p a r a m e t e r s o f e v e ry l a y e r s w e r e e x a c t l y s a m e . t h u s , t h e d e s i g n o f t h e i n t e r f a c e s t r u c t u r e a n d i t s i n fl u e n c e o n t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e s o l a r c e l l s w e r e i n v e s t i g a t e d . i n d e t a i l , f o l l o w i n g s t u d i e s h a v e b e e n c o n d u c t e d : ( 1 ) t h e s i n g l e j u n c t i o n a m o r p h o u s s i l i c o n s o l a r c e l l s o f n ip s t r u c t u r e i n t h i s t h e s i s , t h e b u ff e r l a y e r a t t h e如 i n t e r f a c e w a s d e s i g n e d . a n d t h e i n fl u e n c e s o f t h e n - la y e r s wi t h d i ff e r e n t c o n c e n t r a t i o n , t h e h y d r o g e n p l a s ma p r o c e s s i n g a n d t h e b u ff e r l a y e r b e t w e e n 湘 i n t e r f a c e , a n d t h e t h i c k n e s s o f t h e p - l a y e r o n t h e p e r f o r m a n c e s o f s o l a r c e l l s , w e r e i n v e s t i g a t e d . a ft e r o p t i m i z a t i o n , t h e b e s t s o l a r c e l l w i t h e f f i c i e n c y o f 7 . 3 2 % w a s a c h i e v e d , o f w h i c h s i l a n e c o n c e n t r a t i o n o f t h e n - l a y e r w as 1 . 0 5 % , h y d r o g e n p l a s m a p r o c e s s i n g t i m e w as 2 0 s e c o n d s , t h e c h 4 fl o w r a t e o f t h e b u ff e r l a y e r was 3 s e e m , t h e d e p o s i t i o n t i me o f t h e b u ff e r l a y e r w as 3 0 s e c o n d s , w h i l e t h e d e p o s i t i o n t i me o f t h e p - l a y e r w as 6 0 s e c o n d s . ( 2 ) t h e s i n g l e j u n c t i o n m i c r o c ry s t a l l in e s i l i c o n s o l a r c e l l o f n i p s t r u c t u r e i n t h i s t h e s i s , t h e b i - l a y e r s t r u c t u r e s a t t h e n / i i n t e r f a c e a n d u p i n t e r f a c e w e r e d e s i g n e d a n d t h e i r i n fl u e n c e s o n t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e s o l a r c e l l s w e r e s t u d i e d . a n d t h e i n fl u e n c e s o f t h e s i l a n e c o n c e n t r a t i o n o f t h e n - l a y e r a n d t h e i - l a y e r , t h e h y d r o g e n p l as m a p r o c e s s i n g a t 如 i n t e r f a c e a n d n / i i n t e r f a c e o n t h e p e r f o r m a n c e s o f s o l a r c e l l s , w e r e i n v e s t i g a t e d . a f t e r o p t i m i z a t i o n , t h e b e s t s o l a r c e l l wit h e f fi c i e n c y o f 6 . 2 8 % w as a c h i e v e d , o f w h i c h t h e s i l a n e c o n c e n t r a t i o n o f t h e n - l a y e r w as 0 .5 %, w h i l e t h a t o f t h e i - l a y e r w a s 5 %, t h e d e p o s i t i o n t i me o f t h e n - a - s i : h f i l m a n d t h e i - a - s i :h f i l m b o t h w e r e 6 0 s e c o n d s , t h e t i m e o f h y d r o g e n p l as m a p r o c e s s i n g a t n / i i n t e r f a c e w as 3 0 s e c o n d s . ( 3 ) t h e m i c r o - m o r p h s o l a r c e l l o f n i p s t r u c t u r e u s i n g t h e a m o r p h o u s s i l i c o n s o l a r c e l l w i t h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y o f 4 . 8 % as t o p c e l l a n d m i c r o c r y s t a l l i n e s i l i c o n s o l a r c e l l w i t h c o n v e r s i o n e ff i c i e n c y o f 6 .2 8 % as b o tt o m c e l l , a m i c r o - mo r p h s o l a r c e l l w i t h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y o f 7 . 4 7 % w as f a b r i c a t e d w i t h o u t o p t i m i z i n g t h e t h i c k n e s s o f t h e t o p a n d t h e b o tt o m s o l a r c e l l s , o f w h i c h v o c = 1 . 3 7 v , j s c = 8 . 2 0 m a / c m 2 , f f = 0 . 6 6 . k e y w o r d s : vi f - p e c v d , n i p s t r u c t u r e , 外 i n t e r f a c e , n / i i n t e r f a c e , b u ff e r l a y e r 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收 集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷 本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的 复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学 术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 秘密*1 0 年 机密*2 0 年 ( 最长 5 年，可少于5 年 可少 于1 0 年) 可少于 2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除文中已 经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发 表或者没 有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集 体， 均己在文中以 明确方式标明。 本学位论文原创性声明的 法律责任 由本人承担。 学 位论文作者签名: 年月日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 研究 背景及其发展 现状 柔性衬底太阳电池的需求 新型 柔性 衬底薄膜太阳电池具有以 下特点: 柔性可卷曲 ，不易 破裂，便于携带、运 输; 采用 柔性 衬底的 非晶 硅太阳 电 池具 有可 卷曲的 特性， 其卷曲 半径可小于 0 .5 c m ， 作数百次 卷曲 可保持不 变。 由于柔性衬底材料可以 卷曲，所以 能够使用r o l l - t o - r o l l 工艺实现连续化生产。 这必然会导致产品成本降低，使得太阳电池的民用化成为可能。 重量轻、重 量比 功率高。 一般单结非晶 硅太阳电 池的厚度约为 0 . 5 p m, 三 结电 池的 厚 度 也 仅 为 l p m 左 右， 其 重 量是 微 不 足 道 的 。 组 件的 重 量 的 大 小， 关 键是衬底的重量。与玻璃衬底的电池相比较，柔性材料的质量轻，那么即使这 种电池的转换效率不高，但是当形成组件时会有很高的重量比功率。可以用在 一些对重量比 功率要求高的 特殊行业， 如便携式产品、 空间 太阳能 发电 s p s ( s o l a r p o w e r fr o m s p a c e )。 柔性衬底太阳电池有非常广泛的用途。 由于柔性衬底太阳电池可 以任意弯曲，即使弯曲成很小的半径，电池性能 也不会发生变化，可以把柔性太阳电池贴在几乎任意弯曲的表面上，例如，将 柔性太阳能电 池沿建 筑物表面进行固定 粘或贴到 汽车表面， 既美观大方，又很 好地利用了太阳能。 如果采用质量较 轻且不易破碎的柔性太阳电 池制作电 站， 不仅可以大大降 低电池的运输成本和电站的建设成本，而且使电池面板转动跟踪太阳也比较容 易，甚至可以 制造出 可以自 由移动的 太阳能电站， 这样不仅可以 最大限度的利 用太阳能，而且可以 满足形形色色的能 源需求。 由 于空间 太阳能 具有能流密度大、 持续稳定、 不受昼夜气候影响、洁净、 无污染等 优点， 且随着人类 征服太空能力的加强， 利 用空间 太阳能发电 s p s ( s o l a r p o w e r fr o m s p a c e )己 越来 越受世界各国 的关注。作为 空间电站的能量转换器件 第一章 绪论 p 1太阳 能电池 应具有较高的 转换效率， 重量轻， 成本低， 寿命长， 便于安装。 目 前刚 性 衬 底 太 阳电 池( 单晶 硅 和 c a a s 太阳 电 池) 比 功 率较 小 2 j ( 4 0 - 1 2 0 w / k g ) , 发射成本很高。 如果采用轻质柔性硅基薄 膜太阳电 池，其发射成本将大大降低。 所有以 上这些都说明轻 质柔性 硅基薄 膜太阳电 池有广阔的 应用市 场，对能 源、环境保护、人民日常生活都有非常重要的意义。 1 . 1 . 2 柔性衬底硅薄膜太阳电池的优势 采用不锈钢或塑料作为衬底制备的柔性硅薄膜电池，近年来逐渐受到各国 的极大重 视， 许多大公司、国 家研究 机构竞相开展研究。主要基于以 下优势3 , ( 1 ) 硅薄膜电池能够在低温条件下制备。 利用等离子体增强 c v d 法， 衬 底温度小 于2 0 0 即 可制备出 高效率的电 池， 这就 使得采用聚合物作为 衬底成为 可能。 ( 2 )电 池本身的特点适合空间 环境下的应用。 非晶硅的带隙较大， 约为 1 . 7 e v( 单晶 硅 带隙 为1 . 1 2 e v ， 砷化稼带隙为1 . 4 e v ) ， 所以非晶 硅电池 要比单晶 硅 和砷化稼太阳电 池具 有更好的 抗辐射性4 1 ; 另外， 非晶 硅因具有较低的 温度系 数 和高 温退火效 应， 使其具备高的充电 效率和高稳定 性 s ( 3 ) 非晶 硅的光吸收系数比晶 体硅高一个数量级， 如图1 . 1 所示， 一个微 米 厚的 非 晶 硅 就 能 将 可 用阳 光 中 9 0 % 的 能 量 吸 收 ， 而晶 体硅 需 要 1 0 0 -3 0 0 1 u n ， 这 一特性决定了柔性衬底非晶硅太阳电池具有极大的质量比功率的可能性。 ( 4 ) 采 用超薄不锈钢薄膜或者聚合物作 基体的硅薄膜太阳电 池具 有可卷曲 的 特性，其卷曲 半径可小于0 .5 c m ，作数百 次卷曲 性能保持不变 7 。 这对于减少 运载的发射成本极为重要。 ( 5 ) 柔性硅薄膜电池能够采用卷到卷 ( r o l l - t o - r o l l )的连续沉积技术，这有 利于降低成本和大规模生产。 1 . 1 . 3柔性衬底硅薄膜太阳电 池分类及比较 硅基薄 膜太阳能电池按薄膜结构分， 可分为非晶 硅 ( a - s i :h )电 池和微晶硅 ( e t c - s i : h )电 池。薄膜非晶硅( a - s i : h ) 太阳电池的 最大 特点是 a - s i :h 薄 膜材料的 光吸收系数大， 具有较高的光 敏性，由 于其吸收 峰与太阳光谱峰相近， 有利于 太阳光利用，但是由于其光学带隙为1 .7 e v 左右，对太阳辐射光谱的长波区域不 第 一章 绪论 1 .4柔性太阳电池的发展现状 目前，研究柔性太阳电池的国家主要有美国，日本，德国，荷兰，瑞士， 使用的柔性衬 底主要为不锈钢和聚合物。 应用最 多的 聚合物主要是 p i ,p e t和 p e n 。 三种聚合 物中 ， p i 的熔点和玻璃态转换温 度要高于p e t 和p e n ， 热收 缩 率低于后两者， 因此最 适合做柔性衬 底。但是 在市场上p e t的价格更 便宜。 美国 联合太 阳能( u n i t e d s o l a r ) 公司 采用r f - p e c v d技术在面积为0 . 2 5 c m 的 不锈钢衬底上 沉积的 a -s i / a -s i g e / a -s i g e 三结太阳电 池初始效率为 1 5 . 2 %，稳定效率 1 3 %。建立的r o l l -t o -r o l l 生产线年产量达到 3 0 mw，其不锈钢 的 厚 度 为1 2 7 p m ， 宽 度 为3 5 6 m m ， 长 度 为2 .5 9 k m 。日 本佳 能 ( c a n o n ) 公 司 在 不锈钢衬底上 沉积的非晶/ 微晶 叠层电池效率为 1 2 %。荷兰乌得勒之 ( u t r e c h t u n i v e r s i t y ) 大学 在未织构化的 不锈钢衬底上采用h wc v d技术沉积的n i p 结 构 电 池 ， 面 积 为。 1 3 c m 2 ， 电 池效 率 为4 .8 %。 美 国 托 莱 多 (t o le d o ) 大 学 采 用 超 薄 不 锈 钢 ( 1 5微 米， 1 2 . 5 微米， 7 . 5 微米) 研究非晶硅薄 膜太阳电池， 在7 . 5 微 米厚 不锈钢衬底上沉 积的 太阳电 池面积为 0 . 0 5 c m 2 ， 效率达 6 . 5 %，比功率达 1 . 0 8 k w /k g 14 - 171 . 2 0 0 1 年 ， 日 本 富 士( f u j i ) 公 司 的 ic h ik a w a 等 人 在聚 酞 亚 胺 ( p o ly ir n id e ) 衬 底 材料上 利用等离子 体化学气相沉积技术( p e c v d ) 制备出 4 0 c m x 8 0 c m 的 柔性 非 晶 / 非晶硅锗太 阳能电 池， 其具有9 % 的光电 转换效率。 2 0 0 2 年，美国 u n i t e d s o l a r 公 司 在厚 度为 2 5 1x rn ， 面 积 为 4 1 2 c m z 聚 酞 亚 胺 衬 底 上 制 得 n ip 结构 非 晶 硅电 池 效 率 为9 % ，质量比 功率为1 2 5 6 w/ k g 。日 本半导体 能源有限 ( s e m i c o n d p c t o r e n e r g y l a b .c o .l t d ) 公 司 在 厚 度为 0 .0 7 5 m m 的 p e n 衬 底 上 ， 制 备出 面 积 为l c m 2 ， 效 率 为 8 .0 2 % 的 n i p 结 构 非 晶 硅 电 池， 电 池 组 件 面 积 为 6 0 c m ， 效 率为 7 .4 8 % 。 瑞 士 im t 在 r o l l - to - ro ll沉 积 系 统 中 ， 采 用 v h f -p e c v d 技 术 ， 在 面 积为 8 x 8 c m 2 的 p e t 衬 底上， 分别制得 咖结构的非晶 硅、 微晶 硅和非晶 / 微晶叠层电池， 效率分 别为7 . 6 % ， 7 % 和8 . 3 % ， 其中微晶 硅电池效率是 迄今为 止报道的在p e t 衬底上最高的 效 率。p 8 - 2 q 日本三洋公司研制了透明聚酸亚胺为衬底的非晶硅太阳电池，制作出1 1 0 mmx 1 1 5 m r r 的透明聚酞亚胺衬底集成非晶硅太阳电池。其最大输出功率为5 5 0 m w ， 重量比功 率为 2 7 5 m w / g 。 荷兰乌 得勒之 ( u t r e c h t u n i v e r s i ty ) 大学 在覆盖 有 i t o 透明导电膜的p e t 上，采用v h f p e c v d 技术在1 0 0 时制备的非晶硅太阳电 第一章 绪论 池效 率达 到2 . 9 。我国哈尔滨克罗 拉太阳 能电力公司以 透过率为7 8 .6 % 透明聚 酞亚胺膜为 基体， 以 i t o 透明导电 膜为前电 极， 采用r f - p e c v d 技术， 制 成的 p i n 结构单结 非晶 硅太阳电 池， 面积为l e m 2 ， 转换效 率达 4 . 6 3 ， 重量比 功率达 2 3 1 . 5 m w / g 22 - 2a . 当前，国内 在 n i p 结构电 池以 及柔性电 池方面的 研究 还处于起步阶段。研究 单位主要 有南开大学光电子所和中科院 半导体所等。 南开大学光电 子所对于柔 性电 池的 研究也刚刚开始，基础比 较薄弱， 因此，研究更注重于电 池的结构设 计和实现技术等方面的基础性研究。 第二节 论文目 标 本论文研究n i p 结构硅薄膜太阳电 池， 针对n i p 结构与p i n 结构的不同主 要 决定于 界面沉 积技术不同， 本论文重点研究n i p 结构非晶硅电池和微晶 硅电 池中 界 面结 构设 计和实 现技术， 提高n i p 结 构硅薄膜 太阳电 池效率。 第三节论文组织结构 第一章是绪论，主要介绍本论文工作的研究背景、柔性太阳电池发展现状、 本论文目标与论文组织结构。 第二章阐述了硅薄膜的生长机理，介绍了硅薄膜太阳电池的工作原理和基 本结构以及实验所用的沉积系统，对制备材料和电池的一些表征手段也给予了 初步的阐 述。 第 三章主要介绍 n i p结构非晶硅 太阳电 池的 研究。 其中 包括不同n材料对 n i p结构 非晶 硅太阳电 池性能的 影响; p 层厚度对吻 结构非晶 硅太阳电 池性能 的影响; b u ff e r 层厚 度对n i p 结构非晶硅太阳电池 性能的 影响; b u ff e r 层中c含 量 对n i p 结 构非晶 硅太阳电 池性能的影响; 湘 界面氢处理对吻 结构非晶 硅太阳 电池性能的影响。 第四 章主要介绍 n i p结构微晶硅 太阳电 池的研究。 其中 包括不同n材料对 n i p 结构微晶 硅太阳电 池性能的 影响: 硅烷 浓度对n i p 结构微晶 硅太阳电 池性能 的 影响; 成 界 面双层n 以及h处 理对苗 p 结 构微晶硅太阳电 池性能的 影响; 峥 界面双层i 对n i p 结构微晶 硅太阳电池 性能的 影响。 第一章 绪论 第五章给出本论文主要结论并指出需要进一步解决的问题及努力的方向。 第二章 硅薄 膜太阳能电 池制备原理、 制备系 统及特性 表征 第二章 硅薄膜太阳能电池制备原理、制备系统及特性表征 第一节 硅薄膜生长 机理 目 前， 沉积非晶硅和微晶 硅材料、电 池通常采用等离 子体增强 化学气相沉 积 ( p e c v d )技术。 在低真空条 件下， 利用硅烷等气体，通 过射频电场而产生 辉光放电 形成等离子体，以 增强 化学反应， 从而降低沉积 温度， 可以 在常 温至 3 5 0 条件下，化学气相沉积 非晶 硅、微晶 硅等薄膜。在 辉光放电的 低温等离 子体内， “ 电 子气”的温度比普 通气体的 平均温度高1 0 1 0 0倍，即 反应气体可 以 接近环境温度，而这时的电 子能量足以 使气体分子 键断 裂并导 致化学活性粒 子 ( 活化分子、离子、原子等基团)的产生，使本来需要在高温下进行的化学 反 应由于反应气体的电激活而 大大降低了 反应温度，也就 是反应 气体的化学 键 在低温下就可以分解。所产生的活化分子、原子基团之间相互反应最终沉积在 衬底上生成薄膜。 这种 过程人们称之为等离子体增强的 化学气 相沉积 ( p e c v d ) 1 2 5 1 等离子体增强化学气相沉积 ( p e c v d )，也叫辉光放电 ( g d )，包括直流 辉光放电， 射频辉光放电 ( r f - g d ， 也称射频等离 子体化学气相 沉积， r f -p e c v 功 和甚高频 辉光放电( v h f - g d ， 也称甚高频等离子化学气相 沉积， v h f - p e c v d ) , 后两种技术是目前沉积非晶和微晶硅材料、电池最通用的技术。 以 硅烷或氢稀释的 硅烷为反 应气体， 采用p e c v d技术制备 硅基薄膜材 料 时，薄膜的生 长主要包含如图 2 . 1 所示的以下 三个基本过程+ - 2 9 1 . ( 1 ) 一级反应 ( 反应物的 分解反 应):电 子与硅烷和氢 气发生 非弹性碰撞 使 其分解或电离， 生成s i h n ( n = 0 - 3 ) 自由 基、 氢原子和氢离子以 及s i h+ ( n = 0 - 3 ) 等离子 。 其中最主要的反应是电 子与 s i h 4 分子碰撞使其离 解， 形成 各种s i h n + ( n = 0 - 3 ) 基，其反应过程为: e +s i h 4 - s i h 2 +h 2 +e 2 .2 e v ( 2 . 1 ) s i h 3 +h+e 4 . o e v ( 2 . 2 ) s i + 2 h 2 + e 4 .2 e v ( 2 . 3 ) 第二章 硅薄膜太阳能电池制各原理、制备系统及特性表征 直接变 成了 电能。 硅薄膜太阳 能电 池属于漂移型电 池。 在n掺杂 层和 p掺杂 层 之间加 入一 层光吸收i 层构成的 是漂移型电池。 光照下， 在光吸 收i 层 产生光生 载流子， n掺杂层和 p掺杂 层在整 个吸收层上形 成的电 场将产生的光生电 子空 穴 对分 开.同单晶硅相比， 非晶或 微晶 硅材料具有更高的 缺陷 态密度， 载流子 寿命 和扩散 长度更短， 而且在 p层 和n层中采用掺杂引 入的缺陷态密 度会更高， 因 此相对掺 杂层而言漂移型电 池中 光吸收层处于低电 荷缺陷 态载流子 耗尽区， 电 场分布由 于电荷缺陷态而不均 匀， 在靠近掺杂层的界面处表现出峰 值， 在光 吸 收 层 中 央 位置 电 池 强 度 减 小 甚 至 为 o 3 3 1。 与 扩散 型电 池不 同 ， 在 漂移 型电 池中 的 输运方式 非常复杂，其光生电 流强烈地依赖于电 场强度和所加偏 压的 大小。 硅薄 膜太阳能电 池的基本结 构分为两种， p in 型和n i p 型， 也称s u p e r s t r a t e 和s u b s t r a t e 型。 它们主要的不同 在于 沉积顺序的不同， p in型电池 沉积的 顺序从 p 层开 始， 然后是i 层， 最后是n层， n i p 的沉积顺序刚好倒 过来， 二者各有优 点 和不足。本论文所有的非晶 硅薄膜太阳能电 池、 微晶硅薄膜太阳能电 池和非 晶硅/ 微晶硅叠层薄膜太阳能电池都采用的是ni p结构。本文n i p 型单结硅薄膜 太阳能电 池的结构为g l a s s / a l / i t o / n i p / i t o 。如图2 . 2 所示。 各层的主 要作用如 下所述。 i t o p i n i t o al gl a s s 图2 .2 玻璃衬底n i p 型单结硅薄膜太阳能电 池结构图 i t o ( p层之上 ) : 此层i t o主要的 作用是太阳电 池的 前电极，因 此，为了 减 小 太阳电 池的串联电 阻， i t o需要具 有较高的电导， 同 时， 由 于太阳光是从此 层 i t o进入太阳电池的，因此还需要i t o具有较大的透过率。 第二章 硅薄膜太阳能电池制备原理、制备系统及特性表征 p层: 硅薄膜太阳电 池中 p层最主要的作 用是与 n层 一起建立 起内电场， 同时 p层也是太阳电 池的窗口 层。 因此p层需要较高的 掺杂效 率和高电导，同 时 为 了 减 小 光 损 失 ， p 层 的 厚 度 要 在 保 持 p 层 结 构 完 整 前 提 下 尽 可 能 薄。 i层: 电 池中 本征层的作 用包括两个 3 4 , 3 5 : 首 先是作为入 射光的吸收层， 要 求能 够吸收尽可能多的光，从 而产生更多的电 子一 空穴对。 这既要求 i 层具有良 好的光学吸收性能， 也与陷光结构和i层厚度有关; 其次是作为光生载流子的输 运 路径， 要求i 层具有良 好的 输 运特性， 即尽量长的 扩散长 度， 尽量低的缺陷 态 密度等等。 n层:这是建立电池内电场的第二个掺杂层。本文中非晶硅薄膜太阳能电 池采用n - a - s i : h ， 微晶硅薄膜太阳 能电 池采用n - p c - a - s i : h ， 厚度都 均为 3 0 n m o i t o ( n 层之下) : 此层i t o 的 作 用一方面作为陷 光结构可以 增强光的反射， 增 加太阳电 池对光的吸收: 另一 方面， 此层i t o 对于 n层 和a 1 层而言， 起到隔离 层 的 作用，由 于n i p 结构太阳电 池先 沉积背电极， 再沉 积n 层，因 此， 在沉积n 层时， i t o 层可以阻止a l 向n层扩散。 a 1 背电 极: 这一层与 p层 之上的 i t o 层一起 构成电 池的两 极， 形成回路， 收 集电子。本文中电池采用的铝背电极，厚度2 0 0 n m，通过热蒸发的方法实现。 此外，背电极的均匀性也决定了电池的成品率。 第三节硅薄膜太阳电 池的制备 实验中所有的硅薄膜材料和电池都在如图2 . 3 所示的多功能沉积系统中制 备。 该系统是由 多个c v d真空室 与一个配备 机械手的中 央传输真空室组成的一 个成辐射状的真空室群，该系统包括h w- c v d和v h f - c v d 两种目 前高速沉积 硅薄膜材料和电 池的最常用技 术。 高的 本底真 空( 1 . 7 x 1 0 - 7 p a ) 和半自 动的操作， 提高了薄膜和器件制备的可重复性。 图 2 .4是系统的平面示意图。 实验中 将掺杂和未掺 杂的 硅薄 膜材料分别在不 同 的腔室中沉积，从而可以避 免交叉污染。 p型 微晶 硅薄膜 材料和非晶硅薄膜 材料分别在图2 . 4 中的 p 和s in 两 个腔室中 沉积: n型微晶 硅薄膜 材料和非晶硅薄 膜材料在图 2 .4 中的 n 腔室中 沉积;本征微晶 硅薄膜材 料和非晶 硅薄膜材料在图 2 . 4 中的 v h f 腔室中沉积。这 样可以 避免腔室历史的影响， 提高薄 膜质量和可重 复性。 第二章 硅薄膜太阳能电 池制备原理、制备系统及特性表征 加3 v 的 直流电 压，测量通过硅薄膜材料的电 流i 。电 流通过k e i t h l e y 6 1 7 型繁用表 测试， 薄膜厚度 d 用台阶 仪测试。 通过下 面公式 可以求出 材料 暗电 导率6 : i- d 口 = 一 l - d- v ( 2 . 2 7 ) 材 料 光 电 导 率 在 a m i .5， i o o m w / c 扩的 光 照 条 件 下 测 得。 由 于 薄 膜材 料 的 暗电导 率非常小 ，所有的 这些 特性的 测量都在 静电 屏蔽良 好的环境中 进行，以 避免 对测 量 过程的 千扰。 并 且为了 准确 获得薄 膜的电 导 率特征， 测 试前将 待测样品 在 真空 状态下 进行退火 处理， 时间一 般为 2 小时， 退火温度低于薄膜的 沉积温度。 2 .4 .2 硅 薄膜 太阳电 池 特性 测试【3 8 ,3 9 1 电池的j 一 曲线测试是表征太阳电池性能的最主要的方法。本文中电池j - v 曲 线在a m 1 .5 , l o o m w / c m 2 , 2 5 条 件下的 太阳模拟器上测试得到。图 2 .6 是 太 阳电池的等效电路图，无光照时的j - v特性可表示为: a v ) = j , e x l a j p h (e(v - j(v )r s卜 1+ v - j (v )r s114-t ) - 1 t r s z j rsh可 ( 2.2 8) 图2 .6 实际电池的等效电路图 典型太阳电池的j - v 特征曲线如图2 .7 含义为: 短路电流 ( i l l )是当电池外部短路时， 开路电压 ( v )是当电池开路状态时， 填充因子 ( f f )是最大输出功率 ( p m ) 反 p 所示， 其中电池的几个重要参数具体 测得的最大电流; 光照下在电池两端测得的电势差; 与开路电压和短路电流乘积之比， 第二章 硅薄膜太阳能电池制备原理、制备系统及特性表征 f f 凡 嵘j , 气j m 气 l j . ( 2.29) 图2 .7 电池的光态j - v 特征曲线 太阳电池的转换效率是最大输出功率( p m ) 与入射到电池上的总光功率( 尸 。 ， ) 的比值，表示式为: _ _p, ，/一 二- = 气 v j : , 万 厂 p ; ( 2 . 3 0 ) 其中 p i n 是输入到电池中的总 的光子功率，一个标准太阳光下 功率密度为 p m 1 0 0 m w / c m 2 第五节 结论 本章首先介绍了 硅薄 膜的 生长机 理， 然后结 合空间 等离子体反应 和甚高频等 离子增强化学气相沉积的方法阐 述了 硅薄膜的生长 过程。 同时， 本章对硅薄膜太 阳 能电 池的工作原 理和 基本结构 进 行了 详细地阐 述， 并 且对实 验所用的 沉 积系统给 第二章 硅薄膜太阳能电池制备原理、制备系统及特性表征 予了一定的介绍，对制备材料和电池的一些表征手段也给予了初步的阐述。 第 三章 n i p 结构非晶硅 太阳电 池的 研究 第三章 n i p 结构非晶硅太阳电 池的研究 第一节 引言 在n ip 结 构 非 晶 硅 太 阳电 池 制备 过 程中 ， 由 于 材 料 沉 积 顺 序 的 不 同 ( 与p in 结 构相比) ，电 池的 界面 特性不同， 从而造成电 池性能 有很大差异。 如图3 . 1 所 示。 两 个电 池 的 材 料 沉 积 条件 完 全 相 同 ， n ip 电 池 的 各 项 参 数比p in 差 很 多 。 影 响n ip 结 构 非晶 硅 太 阳 电 池 性能 最 主 要的 因 素 是印界 面 的 结 构 特 性。 在p i n 结 构中， 先沉积p 层再 沉积i 层， 在p 层沉积的后期， 通过减小c h 4 流量的方 法， 在p /i 界 面 之 间 形 成 一 个 过渡 层 。由 于c h 4 是 一 个 “ 逐 渐 耗尽 ” 的 过 程， 因 此p /i 界面之间 的过渡 层的 能带是一个渐变带隙， 有利于实 现p 层 与i 层间的能带匹配， 减少界面光生载流 子复合，提高电 池性能。 而 在n i p 结构中，由 于先 沉积i 层再 沉积p 层， 如 界面之间 不易 形成像p / i 界面之间的 渐变带隙， 而过渡 层的 好坏， 直接影响电 池的性能。 因 此， 对于咖 结构， 需要寻 找新的工艺方案以 便得到理 想的过渡层。 14 1、.、 .、.、 .、.、 .、 |， 卜乙 j s c二 1 4.1 6 m a / c m v o c二0 . 8 9 v f f二 0 .6 3 e 布c ie n c y = 7 .9 6 % 飞逻任著sue七lu。j8 0 刀0 z0 . 4 0 名0 名1 . 0 ( a ) 第三章 n i p 结构非晶硅太阳电池的研究 = . 一. 一 一 . 一. 一 、 、 j s c 二1 0 . 2 9 m a l c m vo c = 0 .76 v f f二0 . 6 2 e ff ic ie n c y 二4 乃 % 飞习过e者suo，”lu丝no 0 .4 0 . 6 v o lt a g e 俐) ( b) 图3 . 1 在相同实验参数下，n i p 结构太阳电 池与p in 结构太阳电 池i n 曲 线图 其中 ( a ) 为p in 结构， ( b )为n i p 结构 另外， 硅薄膜 材料特性与衬底密 切相关， 咖 结构电 池的i 层生长以n 层为 衬底， p 层生长以i 层为衬底。因此， n 层 材料结 构对电 池性能 的影响及p 层设 计也是本章研究的内容。 第二节不同n 材料对n i p 结构非晶硅太阳电池性能的 影响 n 层的主 要功能是同p 层一起建立电 池的内电 场， 要达到这 个目 标需 要较高 的电 导率 和小的 激活能。高的电 导率有助于降低电 池的串 联电阻，小的 激活能 有助于 提高电池的内建电 势4 0 1 。同时，由 于背电极的 不平整 性， 对于 n 层的厚 度要求 也就提高了， 如果n 层过薄， 不足以 完全 覆盖 背电极，就 会造成电 池 n / i 结 的 不 完 整 性 ， 影响 电 池的 性能 参 数。 同 时 ， 对于n ip 结构 微 晶 硅 太 阳电 池 而 言 ， n层 对在它 上面沉积的微晶 硅 i 层结构有重要影响， p i n 型微晶 硅一般需 要低晶 化率n 层以 消除i / n 界面沟道漏电，同时阻 挡后氧 化效应。而咖 结构微晶 硅电 池n 层 起到籽晶层 的作用， 足够晶化 率的n 层可以 大大减小i 层的孵化 层厚度， 第三章 n i p 结构 非晶硅太阳电 池的研究 从而改善电 池的n / i 界面。 n 层材料的 结构特性与n 层材料的 硅烷浓度密切相 关， 不同硅 烷浓度n 材料的 光、 暗电 导率的 比较如表3 . 1 所示。 表3 . 1 不同 硅烷浓度n 材料光、 暗电导 率的比 较 霖 蕊 sc( %)condw tivity(s/cm) 0 . 51 .0 55 d a r k c o n d u c t i v it y 0 . 1 6 30 . 0 01 0 20 .0 01 8 8 p h o t o c o n d u c t iv it y 0 . 1 8 2 0 . 0 0 6 7 3 0 .0 0 6 5 1 图3 . 2 是上述不同n 材料对咖 结构非晶硅电 池性能参数的影响。 从图中可 以 看出， 随着硅烷浓度的增加， n 层由 微晶n 转变为非晶n ， 电 池的开路电 压v o c 略 有降 低，电 池的短路电流密度j s c 和填充因 子f f 都是 先增大后减小。 尤其是 填 充因 子f f 的变化最为显著， 当n 层 硅烷浓度为1 . 0 5 % 时， 电 池的 填充因 子f f 和短路电 流密度j s 。 达到最 大值分 别为0 . 6 6 和 1 0 .3 7 m a / c m 2 ， 电 池的 转换效率也 达到最大值 6 . 1 0 %，如图3 . 3 所示。 4内u6月内n点n6420860 氏氏乐丘东乃启