（微电子学与固体电子学专业论文）各层薄膜材料结构对高速微晶硅电池性能的影响.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图二传馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h u n 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：越盔垡 2 0 1 0 年5 月3 1 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 各层薄膜材料结构对高速微晶硅电池性能的影响 姓名戴：盘华学号 2 1 2 0 0 7 0 2 0 9 答辩日期 2 0 1 0 年5 月2 4 日 论文类别博士口学历硕十一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院 系 所信息技术科学学院 专业 微电子学与固体电子学 联系电话1 3 8 2 l “6 2 5 le m a i ld a i z h i h u a l9 8 5 12 6 c o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开区卫津路9 4 号南开大学光电子所( 3 0 0 0 7 1 ) 备注：是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩： 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 01 0 年厶月7 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目各层薄膜材料结构对高速微晶硅电池性能的影响 姓名戴志华学号 2 1 2 0 0 7 0 2 0 9 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 4 日 论文类别博士口学历硕士一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院光电子所专业微电子学与固体电子学 联系电话 1 3 8 2 1 6 4 6 2 5 le m a i ld a i z h i h u a19 8 5 12 6 c o r l l 通信地址( 邮编) ：天津市南开区卫津路9 4 号南开大学光电子所( 3 0 0 0 7 1 ) 备注： 是否批准为非公开论文僵 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 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 得的研究成果。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，均已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： 戴壶堡2 0 1 0 年5 月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请 和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明 为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 中文摘要 高速沉积微晶硅薄膜对于降低微晶硅电池的生产成本至关重要，但同时高 速沉积也会造成微晶硅材料结构的不同。与低速微晶硅相比，高速沉积的微晶 硅薄膜有较厚的非晶硅孵化层、纵向结构均匀性较差等问题，从而导致电池性 能降低。高速沉积微晶硅的结构不仅与沉积条件有关，还受衬底的影响。为了 优化高速微晶硅电池的性能，需要深入研究各层材料的结构对高速微晶硅电池 性能的影响。论文主要研究内容如下： 首先，研究了不同t c o 对p 层结构和电池性能的影响。结果发现：z n o 衬 底上p 层的晶化率要高于s n 0 2 上p 层的晶化率，促进p 层晶化的t c o 有利于 提高电池的短波响应；表面形貌尖锐的“v 形t c o 会诱导电池吸收层内部微 空洞的产生，缺陷态多，结构疏松，使得电池长波响应低，v o c 和f f 也最小， 电池后氧化严重，引起明显的自然衰退；而表面形貌光滑的“u ”形t c o 上沉 积的电池，吸收层缺陷态少，结构比较致密，电池长波响应、v o c 和f f 较好， 电池基本没有自然衰退。因此，用于高效微晶硅电池前电极的t c o ，除了要有 较好的光电特性外，还要能够有效促进p 层晶化，具备光滑的表面形貌有利于 生长出优质的本征微晶硅材料。 其次，研究了沉积条件对p 层结构的影响和不同p 层结构对高速微晶硅电 池性能的影响，并得到适合用于微晶硅电池的p 层结构特性。研究发现，通过 调节掺杂浓度、沉积温度、h 2 稀释率和辉光功率都能有效地控制p 材料的晶化 率，改变h 2 稀释率是改变材料晶粒尺寸和表面粗糙度比较有效的方法。不同p 层造成电池性能差异的主要原因是由p 层引发的i 层结构的不同。适合用于高速 微晶硅电池的p 层应具备如下特性：晶化率在3 0 - 4 5 之间，晶粒尺寸范围在 3 5 - 4 5 n m ，表面粗糙度r m s 在2 4 n m 之间。 再次，研究了l 层结构对高速微晶硅电池性能的影响，确定了适合用于高速 微晶硅电池的i 层结构特性：电池x c b 4 s s 的最佳范围在3 0 5 0 之间，x c b 6 3 3 和 x c f 6 3 3 最佳范围分别为5 2 5 8 和5 9 6 6 ，i 层的晶粒尺寸应大于17 n m ：电 池的微结构因子r 最佳范围在3 5 5 0 之间，当r 大到6 0 时，电池性能明显 变差，且出现严重的后氧化现象；电池的表面粗糙度 1 0 0 n m 时，电池能获得较 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - r a t ed e p o s i t i o no fm i c r o c r y s t a l l i n es i l i c o n ( u c s i ) t h i nf i l mi sv e r yi m p o r t a n t t or e d u c ep r o d u c t i o nc o s to fu c s is o l a rc e l l s b u th i g h - r a t ed e p o s i t i o nc a nc a u s et h e d i f f e r e n c eo ft h es t r u c t u r eo fu c - s i c o m p a r e d 晰t l lt h el o wd e p o s i t i o nr a t et i c s i ，t h e t i c - s i 谢t hi l i 曲d e p o s i t i o nr a t eh a sat h i c k e ra m o r p h o u si n c u b a t i o nl a y e ra n dw o r s e u n i f o r m i t ya l o n gt h eg r o w t hd i r e c t i o n ，w h i c hc a nd e t e r i o r a t et h ep e r f o r m a n c eo f s o l a r c e l l s t h es t r u c t u r eo fu c - s i 谢t l ll l i 曲d e p o s i t i o nr a t ei sn o to n l yr e l a t e d 丽t h d e p o s i t i o nc o n d i t i o n , b u ta l s oi n f l u e n c e db ys u b s t r a t e i no r d e rt oo p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo fu c - s is o l a rc e l l 晰t l lh i g hd e p o s i t i o nr a t e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r eo fe a c hl a y e rm a t e r i a lo nt h ep e r f o r m a n c eo fu c - s is o l a r c e l l t h em a i nc o n t e n to ft h i sw o r ki sa sf o l l o w i n g s f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c eo fs u r f a c et o p o g r a p h yo ft c oo nt h es t r u c t u r eo fp - b c s i a n dt h ep e r f o r m a n c eo fs o l a rc e l l sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h ec r y s t a l l i n e v o l u m ef r a c t i o no fp - u c s id e p o s i t e do nz n ow a sh i g h e rt h a nt h a to ns n 0 2 t c o w h i c hp r o m o t e dt h ec r y s t a l l i z a t i o no fp - u c - s ic o u l di m p r o v et h es h o r t - w a v e l e n g t h r e s p o n s eo fs o l a rc e l l s t h et c o w i t hs h a r p “v ”s h a p e ds u r f a c et o p o g r a p h yc o u l d i n d u c et h ec r e a t i o no fm i c r o v o i da n dh i 曲d e f e c td e n s i t ya n dl o o s es t r u c t u r ew i t h i n a b s o r b i n gl a y e ro fs o l a rc e l l s a s ar e s u l t , t h ev o ca n df fw e r el o wa n dt h e s h o r t w a v e l e n g t hr e s p o n s ew a sp o o r t h ec e l l sa p p e a r e ds e r i o u sp o s t - o x i d a t i o nw h i c h c a u s e dar e m a r k a b l ed e g r a d a t i o n t h et c o 、杭ms m o o t h u ”s h a p e ds u r f a c e t o p o g r a p h yc o u l ds u p p r e s st h ec r e a t i o no fm i c r o v o i d t h ec e l l s 、析t l ll o wd e f e c t d e n s i t ya n dd e n s es t r u c t u r eh a db e t t e rl o n g - w a v e l e n g t hr e s p o n s ea n dh i g hv o c a n df f t h ec e l l sh a dn oo x i d e - r e l a t e dd e g r a d a t i o n c o n s e q u e n t l y ，t h et c ow h i c hw i l lb eu s e d a sf r o n te l e c t r o d eo fh i g he f f i c i e n c yu c s is o l a rc e l ls h o u l dn o to n l yo w nb e t t e r e l e c t r i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s oc a np r o m o t et h ec r y s t a l l i z a t i o no f p u c - s i a n dh a v eas m o o t hs u r f a c et o p o g r a p h yw h i c hi sb e n e f i c i a lt og r o w h i g h - q u a l i t yu c s i s e c o n d l y ，t h ei n f l u e n c eo fd e p o s i t i o nc o n d i t i o no nt h es t r u c t u r eo fp - r e - s ia n dt h e 1 1 1 i n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r eo fp - u c s io nt h ep e r f o r m a n c eo fu c - s is o l a re e l lw e r e i n v e s t i g a t e d a d j u s t i n gd o p i n gc o n c e n t r a t i o n ，t s ，h y d r o g e nd i l u t i o n ，d i s c h a r g ep o w e r e t c c o u l dc o n t r o lt h ec r y s t a l l i n ev o l u m ef r a c t i o no fp - u c - s ie f f e c t i v e l y v a r y i n g h y d r o g e nd i l u t i o nc o u l da d ju s tt h eg r a i ns i z ea n dl so fp - u c - s im o r ee f f i c i e n t l y t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo fi n t r i n s i ct i c s iw h i c hw a sc a u s e db yd i f f e r e n tp l i e s iw a s t h em a j o rr e a s o no ft h ed i i f f e r e n c eo fs o l a rc e l lp e r f o r m a n c e t h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e s o fp - u c s iw h i c hs u i tt oh i g l le f f i c i e n c yt i c - s is o l a rc e l lw e r ea sf o l l o w s ：c r y s t a l l i n e v o l u m ef r a c t i o n3 0 4 5 ，g r a i ns i z e3 5 4 5 n m ，r m s2 4 n m n e x t t h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r eo fi n t r i n s i ct i c s io nt h ep e r f o r m a n c eo fu c - s i w i t hh i g hd e p o s i t i o nr a t ew a si n v e s t i g a t e da n dt h es t r u c t u r a lp r o p e r t yo fi n t r i n s i c u c s iw h i c hs u i t e dt ou c s is o l a rc e l lw a sc o n f i r m e d 1 r i 抡u c s is o l a rc e l l s 埘t ht l i g i l p e r f o r m a n c eh a ds o m ep r o p e r t i e s ：x c b 4 s s3 0 5 0 ，x c b 6 3 35 2 - 5 8 a n dx c f 6 3 35 9 - 6 6 t h eg r a i ns i z eo fi u c s is h o u l dm o r et h a n17 n m 1 l l eb e s tr a n g eo ft h em i c r o s t r u c t u r e f a c t o ro fu c s is o l a rc e l l si sb e t w e e n3 5 a n d5 0 w h e nt h em i c r o s t r u c t u r ef a c t o r o fu c s is o l a rc e l lr e a c h e d6 0 a p p r o x i m a t e l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft i c s is o l a rc e l l d e t e r i o r a t e do b v i o u s l ya n di ta p p e a r e dt h ep h e n o m e n o no fp o s t - o x i d a t i o n w h e nt h e i 洲so fs o l a re e l lw a s m o r et h a nlo o n m 。t h es o l a re e l lo w n e dab e t t e rj s c f i n a l l y ，b yt h em e a n so fo p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo fu c - s il a y e r s ，a nc o n v e r s i o n e 硒c i e n c yo f8 4 6 ( v o c = 0 5 2 4 v ，j s c = 2 5 0 3 m a c m 2 ，f f = 0 6 4 5 ) w a s o b t a i n e df o ra s i n g l ej u n c t i o nl i e s is o l a rc e l l b ym e a n so fa d j u s t i n gt h es t r u c t u r eo fp - u c s if u r t h e r a n dt h et h i c k n e s so fb o t t o mc e l l ac o n v e r s i o ne 陌c i e n c yo f1 1 6 3 ( v o c = 1 3 5 2 v ， j s c = 1 3 6 9 m a c m 2 ，f f = 0 6 2 9 ) f o ra - s i u c s it a n d e ms o l a rc e l l a n d1 0 6 3 f o r a s i u c s it a n d e ms o l a rm o d u l ew e r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：h i g h - r a t ed e p o s i t i o n ，m i c r o c r y s t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l ，t r a n s p a r e n t c o n d u c t i v eo x i d e ，t h es t r u c t u r eo fu c s i i v 目录 目录 中文摘要1 a b s t r a c t i i i 第l 章引言1 1 1 课题来源1 1 2 研究背景l 1 3 研究意义2 1 4 微晶硅电池的研究现状4 1 5 本论文的目标及组织结构7 第2 章硅基薄膜材料及电池的理论与实验基础。9 2 1 硅基薄膜材料9 2 2 硅基薄膜太阳电池。1 0 2 3 硅基薄膜材料及电池的沉积技术1 2 2 4 实验系统简介1 3 2 5 硅基薄膜材料及电池的特性表征方法1 5 2 5 1 厚度的测量1 5 2 5 2 电导率测量1 5 2 5 3 拉曼散射谱1 5 2 5 4x 射线衍射16 2 5 5 原子力显微镜1 7 2 5 6 扫描电子显微镜- s e m 1 7 2 5 7 电池光态和暗态j - v 特性1 7 2 5 8 量子效率( q e ) 1 9 第3 章t c o 表面形貌对p 层及微晶硅电池性能的影响2 1 v 目录 3 1 引言2 1 3 2 透明导电氧化物( t c o ) 。21 3 3t c o 对p 层的影响2 2 3 4t c o 对电池性能的影响2 5 3 5 不同t c o 电池的稳定性3 2 3 6 本章小结3 4 第4 章p 层结构对微晶硅电池性能的影响3 6 4 1 沉积条件对p 型微晶硅材料结构的影响3 6 4 1 1 掺杂浓度对p 型微晶硅材料的影响。3 6 4 1 2 衬底温度对p 型微晶硅材料的影响4 0 4 1 3 h 2 稀释率对p 型微晶硅材料的影响4 2 4 1 4 辉光功率对p 型微晶硅材料的影响。4 5 4 1 5 ，j 、结4 8 4 2 不同p 层结构对电池性能的影响4 9 4 2 1 不同沉积条件的p 层对电池性能的影响。4 9 4 2 2p 层结构对电池性能的影响5 l 4 2 3p 层结构对i 层结构的影响。5 8 4 2 4 ，j 、结6l 第5 章i 层结构对微晶硅电池性能的影响6 2 5 1p i 界面处晶化率对电池性能的影响6 2 5 2i 层晶化率对电池性能的影响6 4 5 3 晶粒尺寸对电池性能的影响6 8 5 4 微结构因子r 和表面粗糙度r m s 对电池性能的影响6 8 5 5 本章小结7 l 第6 章综合优化电池的结果7 2 6 1 单结微晶硅电池7 2 6 1 1 p 层的优化7 2 v l 目录 一一 6 1 2l 层结构的调制一7 3 6 2 非晶硅微晶硅叠层电池与组件7 4 6 3 本章小结7 5 第7 章总结与展望7 6 参考文献7 8 致谢8 1 个人简历8 2 v u 第1 章引言 1 1 课题来源 第1 章引言 本课题来自于国家重点基础研究发展规戈0 ( 9 7 3 ) 项目大面积低价长寿命太 阳电池关键科学和技术问题的基础研究的0 2 课题低成本硅薄膜太阳电池制 造技术研究。 1 2 研究背景 随着世界经济的发展，世界人口数量的急剧增加，人民生活水平的不断提 高，人类对能源的需求量越来越大。人类对能源的消耗越来越多，平均呈指数 增长的趋势。能源的大量消耗带来了许多严重的后果，不仅会使全球气候变暖， 导致生态环境恶化，引发各种自然灾害，同时也加速了常规化石能源储量的消 耗。根据科学家和经济学家的估计，如图1 1 所示，到本世纪中叶，即2 0 5 0 年 左右，常规的化石能源将会开采殆尽，到时如果新的能源体系尚未建立，能源 危机将席卷全球】。 蜒 越 嗣 严 一勇：jk 总能耗 一可再生能源 一亿石豢辩 7 0 0 02 i n 图1 1 世界能源形势预测【l j 面对能源的潜在危机和生态环境的不断恶化，目前世界各国正积极开发利 用如太阳能、j x t , f + v 等在内的可再生能源，从而实现能源工业的可持续发展。在 第l 章引言 _ _ _ - - l _ 一 各种可再生能源中，太阳能有如下一些特点：具有能量的巨大性和使用寿命 的长久性，可以说太阳能是一种取之不尽、用之不竭的长久能源；具有广泛 性，因为阳光普照大地，无论在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，都可 以就地取用，无须开采和运输；太阳能是一种清洁的能源，在开发和利用过 程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质， 不会给环境造成污染和破坏生态平衡。这些优点使得太阳能具有广泛的应用前 景，备受人们重视。 在多种太阳能利用中，太阳能光伏利用是近年来发展最快、最具有活力的 研究领域【2 1 2 。现在很多发达国家都已经认识到光伏发电的未来前景，并且制定出 相应的光伏发展规划。据专家估计，本世纪光伏发电成本将呈现大幅降低的趋 势。目前很多国家都在加大投入，积极研究开发薄膜太阳电池，期望获得重大 突破，使生产成本降低，从而成为可替代能源。未来太阳能光伏发电的最大市 场是建筑物的自身能耗。很多国家都非常重视将太阳能光伏系统和建筑完美结 合在一起，纷纷制定了本国的屋顶计划。根据专家预测，未来光伏产业发展将 会快速增长，光伏发电市场发展潜力巨大，光伏发电有望达到世界总发电的1 0 2 0 。凭借着快速发展的屋顶计划、各种减免税政策、补贴政策以及逐渐 成熟的绿色电力价格，太阳能光伏产业市场发展前景广阔p 1 。 目前的光伏( p v ) 市场主要由被称为第一代太阳电池的单晶硅( c s i ) 和多晶 硅( m u l t i s i ) 硅片的太阳电池所主导【4 1 。但是这些电池的生产成本主要来自材料 的损耗，例如单晶硅、多晶硅硅片及封装材料等，大幅度降低生产成本上存在 瓶颈，使得目前太阳能的上网电价仍远高于传统能源的上网电价，而薄膜太阳 能电池，作为第二代电池，不需要昂贵的半导体材料，具有低温、低成本和便 于大面积生产等优点，是当前国际研究开发领域中非常重要的方向。 在薄膜太阳电池中，硅薄膜太阳电池最早被商业化。硅材料丰富，无毒无 污染，而且硅薄膜可以在相当低的衬底温度下沉积，大大节省了生产过程中的 能源消耗【5 1 ，所以被认为是一种有着良好发展前景的太阳电池。在非晶硅太阳电 池基础上发展起来的微晶硅材料及电池是本论文的主要研究对象。 1 3 研究意义 薄膜硅太阳电池中，非晶硅薄膜电池很早就受到人们的重视，并迅速发展。 2 第l 章引言 非晶硅材料的基本结构特征是短程有序，而长程无序，带与带之间的跃迁不需 要遵守动量守恒定律【6 】，使得非晶硅表现得类似于一个直接带隙半导体。和间接 带隙半导体c s i 相比，a - s i ：h 光吸收系数较大，较薄的a - s i ：h 电池就可以吸收 大部分太阳光。尽管如此，非晶硅薄膜光学带隙为1 7 e v 左右，对太阳光长波区 域不敏感，限制了其转化效率的进一步提高。非晶硅电池还存在严重的光致衰 退效应，稳定性较差。 相对而言，微晶硅薄膜的光学带隙在1 1 e v 左右，从图1 2 中可以看出，与 非晶硅相比，微晶硅电池的太阳光谱响应范围得到了扩展：而且微结构有序性 也得到了提高，基本不存在光致衰退效应，太阳电池的稳定性也得到了很大的 改善f 7 】。因此，微晶硅被认为是一种非常具有发展前景的光伏材料。此外，微 晶硅可以与非晶硅叠加在一起，构成非晶硅微晶硅叠层电池，能更充分地利用 太阳光谱，提高硅薄膜电池的转换效率。 w a v a 螂l n m 】 图i 2 非晶硅和微晶硅对太阳光谱的吸收范围f 刀 研究表明，微晶硅薄膜材料是一种由微晶粒、晶粒间界、空洞和非晶硅组 成的多相复合材料，其结构相当复杂【9 l 。此外，微晶硅薄膜还存在纵向不均匀性， 随着薄膜厚度的增加，其微结构及表面形貌都会发生变化。图1 3 给出了一个 n i p 微晶硅薄膜电池的t e m 副1 0 j 。从图中可以看出，微晶硅生长初期存在一层 非晶孵化层，图中h 为非晶孵化层的厚度，非晶硅网络中镶有圆锥状晶粒，薄 膜厚度大于h 时圆锥状晶粒相互接触，晶粒之间存在空洞。微晶硅材料的结构 取决于沉积条件和所采用衬底的特性】。在一定条件下，通过改变沉积条件或 衬底特性可以控制微晶硅中非晶硅孵化层的厚度及各相在微晶硅薄膜中所占的 比例。已有研究表吲1 2 13 1 ，高效率的微晶硅电池都是在靠近非晶硅微晶硅过渡 区获得的，该过渡区的工艺窗口相对较窄，且由于微晶硅的纵向不均匀性，微 百n，呈、苦套西至 第l 章引言 晶硅薄膜很难始终保持靠近非晶硅微晶硅过渡区。因此，要获得高效率的微晶 硅电池必须控制好微晶硅的结构。 h n - l a y e r s p u t z n o 图1 3n i p 微晶硅薄膜电池的t e m 图像( 亮场) 【l 川 微晶硅电池是一种多层结构的器件。从图1 3 可看出，先是在磁控溅射的 z n o 上沉积一层n ，接着在n 层上沉积本征层。各层材料的结构都受到上一层材 料结构的影响。由此可见，微晶硅太阳电池的性能与采用的各层材料的结构密 切相关，每一层材料结构的改变都会在一定程度上影响到微晶硅电池的特性。 因此，研究电池的微晶硅材料的结构对电池性能的影响，以确定高效电池所需 要的微晶硅材料的结构特征，对于制备高效微晶硅电池具有一定的指导作用， 对降低制造成本，加快微晶硅电池的实用化具有重要意义。 1 4 微晶硅电池的研究现状 本征微晶硅是一种间接带隙材料，从图1 4 可以看出，微晶硅在长波段 g l 8 0 0 n m ) 的吸收系数比非晶硅低，为了充分吸收太阳光，要求微晶硅电池吸 收层厚度至少大于1 微米( 而非晶硅厚度只要3 0 0 n m ) 8 , 1 4 - 1 6 】。传统的r f - p e c v d 技术一般在高氢稀释、低功率和低气压条件下生长微晶硅，生长速率很低，这 对降低成本，实现工业化生产是极为不利的。提高微晶硅的生产速率，可以大 大缩短生产时间，提高电池的产量。由此可见，高速沉积微晶硅材料对于降低 硅薄膜的生产成本至关重要。 4 第1 章引言 图1 4 非晶硅、单晶硅和微晶硅的吸收曲线【町 提高微晶硅沉积速率有几种常见技术途径：高压耗尽射频等离子体增强化 学气相沉积( h p d r f p e c v d ) 、高压耗尽甚高频等离子体增强化学气相沉积 ( h p d v h f p e c v d ) 、热丝化学气相沉积( h w c v d ) 和微波等离子体化学 气相沉积( m p c v d ) 。目前许多著名的研究单位都是通过采用v h f 结合高压耗 尽( h p d ) 的方法来获得高速高质量的微晶硅。下面简要叙述目前国内外微晶 硅电池的研究现状。 日本a i s t 的t a k u y am a t s u i 等人采用v h f ( 7 0 1 0 0 m h z ) 结合h p d 的方法 来实现微晶硅薄膜的高速沉积。在高速条件下( 2 3 r n r d s ) ，沉积气压成为影响微 晶硅薄膜电池的主要因素。电池采用绒面的z n o 作为衬底，i 层的晶相比 1 5 2 0 c m - 1 1 4 8 0 c m 1 在5 到7 之间，沉积气压从4 t o r r 增加到7 t o r r 时，短路电流密度 增大约5 0 ，主要提高了电池在长波区域的响应。原因归结为在较大的气压下， 材料中晶粒分布更加致密，能够有效的防止后氧化；在沉积速率2 3 n m s ，9 t o r r 气压下，得到电池的最高效率9 1 3 ( j s c = 2 3 7 m a c m z ，v o c = 0 5 2 8 v ，f f = 0 7 3 ， d = 2 3 1 x m ) t 1 7 1 。 日本三菱重工y o u j in a k a n o 等人采用高压和窄电极间距的方法，电极为梯 形电极结构，如图1 5 所示。v h f 频率1 0 0 m h z ，掺杂层采用微晶硅p 和n ，i 层的晶相比1 5 2 0 c m - l 1 4 8 0 c m 1 在6 到1 0 之间，厚度1 5 1 , t m ，在面积3 2 r a m 2 上制备得 到电池效率为8 7 ( r d = 2 7 n m s ，j s c = 2 4 2 m a c m 2 ，v o c = 0 5 1 v ，f f = 0 7 1 ) 和 8 5 ( r d = 3 1 n m s ，j s c = 2 3 7 m a c m 2 ，v o c = 0 5 i v ，f f = 0 6 9 ) 。沉积速率为1 4 n m s 时得到非晶硅微晶硅叠层电池的效率为1 3 5 附博j 。 第1 章引言 图1 5 腔室内部结构示意图 1 5 】 日本大阪大学u s ms o b a j i m a 等人在1 8 2 4 t o r r 的高压下，v h f 频率 i o o m h z ，通过加大输入功率使硅烷达到耗尽。在2 4 t o r r ，2 8 w e r a 2 条件下得到 沉积速率8 1 n m s ，晶化率i s 2 0 伽1 ( 1 5 2 0 锄1 + 1 4 8 0 c l r 卜1 ) 约5 0 的本征微晶硅材料。将 该材料用在g l a s s t e x t u r e dz n o ：a i a g z n o ：a i 槲- p z n o ：a i a gg r i d 结构电池 中，i 层厚度2 1 2 5 1 x r n ，电池面积0 2 3 c m 2 ，效率达到6 3 ( j s e = 2 2 i m a c m 2 ， v o c = o 4 7 v ，f f = 0 6 0 7 ) t 1 9 1 。 u t r e c h t 大学a g o r d i j i n 等人采用v h f p e c v d ( 6 0 m h z ) l p d 的方法，使 用s h o w e r h e a d 电极结构，通过外加直流偏压来减小等离子势，降低轰击离子的 能量，从而减小微晶硅材料中的缺陷态密度，采用的衬底有a s a h iu - t y p es n 0 2 ：f 和绒面z n o ：a i ；在4 m m x 4 m m 面积上，采用绒面z n o ：a 1 衬底，加z n o a g 背电 极，沉积速率为0 4 5 n m s ，得到电池稳定效率9 9 ( j s c = 2 5 9 m a c m 2 ，v o c - = o 5 2 v ， f f = 0 7 4 ，d = 1 5 1 x m ) 。沉积速率为4 5 n m s ，得到电池初始效率6 4 ( j s c = 2 2 3 m a c m 2 ，v o e = 0 4 5 v ，f f = 0 6 3 ) ：i 层晶化率r c 0 4 ( 晶相强度总 s i s it o 峰强度) ，采用的是邮s i ：hp 层和a - s i ：h n 层( 防止后氧化，同时减小 横向电流收集) 2 0 l 。 瑞士i m tl f e i t k n e c h t 等人采用v h f g d 方法，在激发频率为8 0 1 0 0 m h z 下，沉积速率为7 4 a s ，制备出效率为7 8 ( j s c = 2 4 m a c m 2 , v o c = 0 4 4 5 v ，f f = 0 7 0 ) 的n i p 型单结微晶硅太阳电池，n i p n i p 型非晶微晶叠层太阳电池的初始效率达