（光学专业论文）多晶硅晶界理论与太阳电池光伏特性研究.pdf

上海交通大学博七学位论文摘要 多晶硅晶界理论与太阳电池光伏特性研究 摘要 环境污染和能源短缺是现代社会所面临的严峻问题，研究新型可持 续利用能源的清洁能源技术是人类构架未来世界的重要组成部分。太阳 能既是常规能源的替代源泉，也是一种环境能源，为人类将来的可持续 发展道路提供了美好的前景。如何更有效地开发利用光伏器件的光电特 性，提高太阳电池的能量转换效率，是这一领域中首先要解决的关键问 题。这就要求从材料制各、工艺和器件方面来研究有效提高太阳电池转 换效率的新途径。在各种制备太阳电池的材料中，单晶硅的成本太高， 非晶硅电池的稳定性较差，其它材料如硒铟铜、碲化镉、砷化镓等对环 境有较强的污染，违背了太阳电池的发展初衷；比较而言，采用多晶硅 材料来制备太阳电池具有很多优点：成本低，价格便宜，原材料的生产 能满足市场的需求。目前多晶硅太阳电池的研究已经成为世界上光伏领 、 域的热点课题。、 本文主要从理论与实验方面研究了多晶硅材料特性与电池器件的光 伏特性和工艺技术。理论上主要研究了多晶硅材料的界面精细结构、晶 界载流子输运行为、界面态分布、势垒分布、晶界复合特性、能带带尾 上海交通大学博士学位论文 摘要 参数模型和晶界对带尾参数的影响、晶界的光学和电学特性等。实验上 主要从实用和商品化的角度出发，研究了适合制备多晶硅太阳电池的技 术途径，以便有效地改善太阳电池的光伏特性。同时，研究了吸杂和钝 化工艺对提高太阳电池转换效率的重要作用，并且取得了很好的结果。 在此需要特别说明，本文得到云南省一上海交大省校合作项目( 多晶硅 太阳电池) 与国家科技部九五重点科技攻关项目( 太阳电池测试仪器) 的支持。 ，在理论方面，本文研究了多晶硅材料的晶界特性。影响多晶硅材料 性质的因素有很多，如杂质浓度、温度、界面态密度等，其中晶界是使 太阳电池光伏输出产生衰减的重要因素。多晶硅材料的基本特征是存在 大量的晶界，它对材料的力学、光学、磁学和电学性质影响很大。发达 国家都很重视晶界的研究和开发应用。从电子学的角度来看，随着对晶 界特征的进一步认识和控制，除了可以明显地改进材料和元器件的性能， 提高成品率和可靠性外，对开发电子材料、设计出新型器件具有重要意 义。关于多晶硅晶界结构和晶界势模型，许多学者做过这方面的研究工 作，大多是在特定的假设条件下，并且仅适合解释特定的实验现象。本 文第二章提出了新的多晶硅晶界结构精细模型和晶界势垒分布模型 ( g a u s s 分布模型) 。在此基础上得到了改进的电流一电压关系表达式和 电阻率表达式，发现在一定条件下多晶硅的平均电阻率和晶界电阻率能 相差两个数量级。本文第三章通过假设晶界界面态呈g a u s s 分布，比较 上海交通大学博士学位论文 摘要 全面地考虑了晶界的各种可能状态和行为，理论上研究了光照条件下多 晶硅晶界复合特性，探讨了光照水平和掺杂浓度对晶界势垒高度、空间 电荷区边缘的界面复合速度、有效复合速度、界面复合电流密度的影响。 结果表明在相同的光照条件下，界面复合速度、有效复合速度和界面复 合电流密度随掺杂浓度的增加而增加。这些结果为实验和规模化生产提 供了可靠的理论依据。目前，化合物半导体材料的能带带尾理论已经有 人做了研究，但是关于多晶硅能带的带尾理论却鲜见报道，为此，本文 在第四章研究了多晶硅材料的能带带尾变化情况及其相关的影响因素。 在多晶硅带尾理论中，以u r b a c h 指数带尾模型为基础，分别讨论了多晶 硅晶界、晶粒体和结构无序对带尾参数的贡献，得到了带尾参数的表达 式，同时讨论了温度和载流子浓度对带尾参数的影响。这有助于理解多 晶硅材料的性质，对提高多晶硅半导体器件的性能是非常有价值的。 为了使多晶硅太阳电池早曰实现产业化、商品化，就需要改善光伏 特性，提高转化效率，增加稳定性和成品率。本文第五章主要研究了适 合于商品化多晶硅太阳电池的生产工艺。在太阳电池的制作过程中每 步工艺都是非常关键的。清洗和表面损伤层的腐蚀是为了提供尽可能洁 净的电池原始基片，在这步，我们采用了酸溶液、碱溶液和先酸后碱 溶液的方法织构多晶硅片的表面，通过s e m 分析比较了它们的表面形貌， 分析了各种织构表面的陷光效果以及对后道工序中丝网印刷电极的影 响。分析中发现用碱溶液织构的硅片表面台阶比较多，很不平整，在丝 上海交通大学博士学位论文 摘要 网印刷工序中容易造成碎片和电极的断线，从而间接地提高了电池的成 本。而用酸腐蚀的多晶硅基片有如下优点：硅片表面是均匀的腐蚀坑， 比较平整而且薄，易于做成薄电池；可以略去制绒这一步，缩短了电池 的生产周期：由于没有使用n a o h 溶液，避免了n a 离子的沾污，有利于 电池稳定性的提高；减薄时可以用h 2 0 代替c h 。c o o h 做缓冲剂来控制 反应速度，降低了成本，有利于工业化生产；平整的硅片表面容易制作 相对平整的p - n 结等。此外，通过反射谱分析发现酸溶液织构的硅片表面 在5 0 0 1 0 0 0 n m 波长范围内反射率小于2 0 ，沉积氮化硅薄膜后，在 5 0 0 。1 0 0 0 n m 波长范围内反射率小于1 0 ，并且在波长6 0 0 n m 附近反射率 能减小到1 左右。对多晶硅而言，由于各个晶粒晶向的复杂性和晶界的 各种效应，使多晶硅的扩散行为变得相当复杂，p - n 结特性参数极难测量。 扩散工艺直接影响p - n 结的性质，由于多晶硅中大量晶界的存在，容易造 成p - n 结明显的不平整，势必影响太阳电池的光电性质。在实验中从扩散 温度，时间和气流量等工艺条件对p - n 结的影响进行了研究。还研究了烧 结温度与开路电压v 。的变化关系，氮化硅减反膜对短路电流。的影响， 本实验中得到的开路电压能达到6 5 6 m v ，短路电流能达到7 9 0 m a ，填充 因子能达到7 1 3 。沉积氮化硅膜后，短路电流增益能达到4 6 以上， 转换效率的增益在4 0 d a 上，光电效率目前达到近1 2 。由于多晶硅晶 界和缺陷的复杂性质，利用p e c v d 方法在太阳电池上沉积氮化硅薄膜， 能钝化硅表面和硅体，并能减少电池表面的光反射。通过l 矿特性曲线， 上海交通大学博士学位论文 摘要 分析了沉积氮化硅膜后多晶硅太阳电池光伏参数变化的原因。文中讨论 了氮化硅作为减反膜和钝化膜的作用机理，分析了浓磷吸杂、铝合金吸 杂、钝化技术对太阳电池光伏性能改善的原因，作者认为光伏参数的提 高不仅是吸杂和钝化作用，还有晶界界面场效应。通过e d a x 测试分析 了金属电极与硅的欧姆接触以及相互扩散的情况，研究了a l s i 合金， a g s i 合金与a i a g 共熔对太阳电池性能和光伏参数的影响，以及重金 属a g 在电池中的作用。 由于多晶硅材料的晶界结构、光电性能与工艺过程密切相关，许多 具有特殊功能的固体材料是借助于晶界效应而制成的，多晶硅材料缺陷 行为、平衡热力学、扩散、界面的精细结构与光电行为都尚未见有统一 的理论。对多晶硅光伏材料、电池结构的研究，涉及材料科学、光学、 光电子学、微电子学、凝聚态物理学、化学等许多学科。光伏电池多种 光电转换的量子过程和量子的动力学也一直是物理学前沿课题之一。研 究多晶硅材料的物理、光电性质和电池的工艺在能源、经济方面也具有 重要的意义。本论文最后提出了有待于进一步深入探索研究的理论和工 艺技术。以便实现低成本、高效率、长寿命的多晶硅太阳电池的大规模 应用，有利于改善环境，为人类创造一个洁净美好的生存空间。 关键词：多晶硅晶界，g a u s s 分布，晶界复合，能带带尾模型，表面织构， ，一 锻杂和钝化 上海交通大学博士学位论文 摘要 g r a n 、丁b o u n d a r yt h e o r ya n dp h o t o v o l t a i c c h a r a c t e r i s t i c s0 fs o l a rc e l lo n p o l y c r y s t a l l i n es i l i c o nn 【a t e r j a l a b s t r a o t e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de n e r g ys o u r c es h o r t a g ea r et h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s i nt h ec u r r e n ts o c i e t y , t h es t u d yo ft e c h n o l o g yi nn e wa n dc l e a re n e r g ys o u r c ei st h e d o m i n a t i n gp a r ti nt h ef u t u r e s o l a re n e r g y ，a ss u b s t i t u t ea n de n v i r o n m e n te n e r g y , p r o v i d e s ap r o m i s i n gp r o s p e c to nt h ec o m i n gd e v e l o p m e n tw a y i nt h ep h o t o v o l t a i cf i e l d ，t h ek e y p r o b l e mt ob ef i r s t l ys o l v e di sh o w t oe f f e c t i v e l ya p p l yt h ep h o t o v o l t a i cc h a r a c t e r i s t i c so f s o l a r c e l l ，i m p r o v et h et r a n s i t i o ne f f i c i e n c y t h u s ，i tr e q u i r e s t h a tt e c h n o l o g ym u s tb e c r e a t e da n di m p r o v e db yt h es t u d i e so fn e wm a t e r i a l sa n dn e wd e v i c e s i na l lk i n d so f m a t e r i a l so fs o l a rc e l l s ，t h ec o s to f m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ni st o om u c hh i g h ，t h es t a b i l i t yo f a m o r p h o u ss i l i c o nc e l li sv e r yp o o r ，t h eo t h e rm a t e r i a l so fs o l a rc e l l ，s u c ha sc i n ，c d t e ， c d t e c d s ，g a a s ，e ta l ，a r ep o i s o n o u st oe n v i r o n m e n t ，w h i c hv i o l a t e st h ei n i t i a t ea i mt o d e v e l o pt h es o l a rc e l l i nc o n t r a s t ，p o l y s i l i c o nc e l lh a sag r e a tp o t e n t i a ld u et ot h el o wc o s t ， r e a s o n a b l ep r i c e ，t h e m a t u r i n gt e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，t h er a wp o l y s i l i c o nm a t e r i a l i s e n o u g hf o rt h em a r k e tr e q u i r e m e n t a tp r e s e n t ，p o l y s i l i c o nc e l lh a sb e e nt h em o s ta c t i v e s u b j e c ti nt h ep h o t o v o l t a i cf i e l da l lo v e rt h ew o r l d i nt h i s p a p e r , w em a i n l ys t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fp o l y s i l i c o nm a t e r i a l ，t h ep v p r o p e r t i e sa n dt e c h n o l o g yo ft h ep o l y s i l i c o nc e l li nt h e o r ya n de x p e r i m e n t i nt h e o r y , w e p a ym o s ta t t e n t i o nt ot h ef i n es t r u c t u r eo f t h eg r a i nb o u n d a r y , t h ec a r r i e rt r a n s p o r t a t i o ni n 6 上海交通大学博士学位论文 摘要 t h eg r a i nb o u n d a r y , t h ei n t e r f a c es t a t ed i s t r i b u t i o n ，e n e r g yp o t e n t i a lb a r r i e rd i s t r i b u t i o n ， t h er e c o m b i n a t i o n p r o p e r t i e s i n g r a i nb o u n d a r y , t h e b a n dt a i l p a r a m e t e r m o d e li n p o l y s i l i c o n ，t h eo p t i c a l a n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e s i n p o l y s i l i c o n i ne x p e r i m e n t ，t h e t e c h n o l o g i e st h a ta d a p tt o f a b r i c a t et h ep o l y s i l i c o nc e l la r ed i s c u s s e d i nt h em e a n t i m e ， g e t t e r i n g a n dp a s s i v a t i o ni m p u r i t i e si n p o l y s i l i c o nm a t e r i a l sa r es t u d i e d a n d t h eg o o d r e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d i ti s n o t i n g t h a tt h i s p a p e ri sc o m p l e t e di ns u p p o r t o ft h e c o o p e r a t i v ep r o j e c t a n dt h ek e yt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t ，t h ef o r m e ri su n d e r t a k e nb yy u n n a np r o v i n c ea n d s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y , t h el a t t e ri sb r a i n s t o r m e dd u r i n gn i n t h f i v ep l a ni ns c i e n c e a n d t e c h n o l o g ys e c t i o n i nt h e o r y ，t h ep r o p e r t yo fg r a i nb o u n d a r yi ss t u d i e d t h ef a c t o r sw h i c hh a v et h e i n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so ft h ep o l y s i l i c o nm a t e r i a l sa r ed o p a n tc o n c e n t r a t i o n ，d e f e c t s ， t e m p e r a t u r e ，i n t e r f a c e s t a t ed e n s i t y , e ta l b u tt h eg r a i nb o u n d a r yi st h ek e yf a c t o r ，w h i c h d e g r a d e st h ep h o t o v o l t a i co u t p u to fp o l y s i l i c o nc e l l t h ef u n d a m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o l y s i l i c o ni st h el a r g en m n b e r o f g r a i nb o u n d a r i e s ，w h i c hh a v et h ei m p o r t a n te f f e c to n t h e o p t i c a l ，m e c h a n i c a l ，m a g n e t i ca n d e l e c t r i cp r o p e r t i e so f p o l y s i l i c o nd e v i c e s ，t h ea d v a n c e d c o u n t r i e sa t t a c hi m p o r t a n c et or e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg r a i nb o u n d a r y f r o mt h ep o i n to fv i e wo fe l e c t r i c s ，w i t ht h em o r eu n d e r s t a n d i n ga n dc o n t r o l l i n go fg r a i n b o u n d a r yp r o p e r t i e s ，t h ep e r f o r m a n c eo f m a t e r i a l sa n dd e v i c e sc a r le v i d e n t l yb ei m p r o v e d ， t h ep r o b a b i l i t yo ft h ef i n i s h e dp r o d u c ta n dr e l i a b i l i t yf o rp o l y s i l i c o nd e v i c e sa r ei n c r e a s e d f u r t h e r m o r e ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt od e v e l o pt h ee l e c t r i cm a t e r i a l s ，d e s i g nt h en o v e l d e v i c e s s o m er e s e a r c h e r si n v e s t i g a t e dt h eg r a i nb o u n d a r yp r o p e r t y , b u tt h e i rt h e o r i e sw e r e l i m i t e db yt h es p e c i a le x p e r i m e n t i nc h a p t e r2 ，t h em o d e l sf o rt h en e wf i n es t r u c t u r eo f g r a i nb o u n d a r y a n de n e r g y p o t e n t i a l b a r r i e rd i s t r i b u t i o nm o d e l g a u s sd i s t r i b u t i o ni n p o l y s i l i c o nh a v eb e e nd e v e l o p e d c o n s e q u e n t l y ，t h ei m p r o v e dc u r r e n t v o l t a g ee x p r e s s i o n a n dr e s i s t i v i t yf o r m u l ac a nb ed e d u c e d a sar e s u l t ，o nc e r t a i nc o n d i t i o n s ，t h ea v e r a g e r e s i s t i v i t yi nb u l ki sl a r g e rt w ol e v e l st h a nt h er e s i s t i v i t yi ng r a i nb o u n d a r yo fp o l y s i l i c o n i nc h a p t e r3 ，c o n s i d e r i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n t e r f a c e s t a t ea st h eg a u s sd i s t r i b u t i o n c o m p r e h e n s i v e l yt a k i n gi n t oa c c o u n to f t h es t a t e sa n db e h a v i o r so ft h eg r a i nb o u n d a r y , t h e 7 圭塑銮塑叁兰堕主兰垡堡塞 塑墨 r e c o m b i n a t i o np r o p e r t i e so fg r a i nb o u n d a r yi np o l y s i l i c o nu n d e rt h ei l l u m i n a t i o n a r e i n v e s t i g a t e di nt h e o r y i nf a c t ，g r a i nb o u n d a r y c a r lb ec h a r a c t e r i z e db yt h ep a r a m e t e r s ，s u c h a st h ep o t e n t i a lb a r r i e rh e i g h t ，e f f e c t i v er e c o m b i n a t i 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x p e r i m e n ta n dp r o d u c t i o n o fp o l y s i l i c o nc e l l s b a n dt a i lt h e o r yi nt h ec o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sh a sb e e n s t u d i e di nt h ep a s t ，b u tb a n dt a i lt h e o r yi np o l y s i l i c o nh a sl i t t l eb e e nr e p o r t e d t h e r e f o r e ，i n c h a p t e r4o ft h i sp a p e r ，t h ee n e r g y b a n dt a i lm o d e li n p o l y s i l i c o nm a t e r i a l sh a sb e e n d e v e l o p e d ，a n dt h er e l a t i v ee f f e c tf a c t o r sh a v eb e e nt a k e ni n t o a c c o u n t i nt h et h e o r yo f b a n dt a i li np o l y s i l i c o nm a t e r i a l s ，o nt h eb a s i so fu r b a c he x p o n e n t i a lb e h a v i o rm o d e l ，t h e c o n t r i b u t i o n so fg r a i nb o u n d a r y ，g r a i na n ds t r u c t u r ed i s o r d e ri nt h eb u l kt ot h eb a n dt a i l p a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ee x p r e s s i o no f t h eb a n dt a i lp 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ef a b r i c a t i o no ft h es o l a r c e l l ，e v e r ys t e p i sv e r yi m p o r t a n t r i n s i n ga n de t c h i n go ft h es u r f a c e s c a t h e dl a y e rc a n p r o v i d et h ea v a i l a b l ew a r e r sf o rt h ec e l l f a b r i c a t i o n i nt h i ss t e p t h r e ed i f i e r e n ts u r f a c e t e x t u r e s ，i e a c i d i cs o l u t i o nt e x t u r i n g ，n a o hs o l u t i o nt e x t u r i n g ，n a o ha f t e ra c i d i cs o l u t i o n t e x t u r i n g ，h a v eb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e di nt h e i rs u r f a c es t a t e ，c o n f i n i n gl i g h te f f e c to f 上海交通大学博士学位论文 摘要 t h es u r f a c e sa n dt h ee f f e c t so ft h es u r f a c em o r p h o l o g yo nt h eo t h e rt e c h n o l o g i e si nt h e f a b r i c a t i o no ft h es o l a rc e l lh a v eb e e nd i s c u s s e da sar e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n a l y s i s ， m a n ys i d e s t e p sc a r lb ef o u n do n t h es u r f a c e st e x t u r e db yn a o h s o l u t 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l a c e o f c h 3 c o o h ，e v i d e n t l y ，t h i sc h a n g er e d u c e s t h ec o s ta n db e n e f i tf o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n o nt h el a r g es c a l e i na d d i t i o n ，t h ew a f e re t c h e db ya c i ds o l u t i o ni se a s yt of a b r i c a t et h ef l a t p - nj u n c t i o n a l s o ，t h er e f l e c t i v i t yo f t h ep o l y s i l i c o ns u r f a c e st e x t u r e dw i t ha c i d i cs o l u t i o n c a nr e a c hl e s st h a n2 0 w i t h i nt h ew a v e l e n g t ho f5 0 0 1 0 0 0 n m a f t e rt h ed e p o s i t i o no f s i n xf i l m ，t h er e f l e c t i v i t yc a nb em i n i m i z e dt o 1 o rs on e a rt h ew a v e l e n g t ho f6 0 0 n m p r i n c i p a l l y , p - d i f f u s i o nm a i n l y d o m i n a t e st h ef o r m a t i o no fp - nj u n c t i o n ，a n dh a st h e d i r e c t l ye f f e c to n t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l l i nt h ee x p e r i m e n t s ，w ep a yc l o s ea t t e n t i o nt o d i f f u s i o nt e c 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