（物理电子学专业论文）柔性非晶硅基薄膜太阳电池的研究.pdf

# 芤下攮火学旗 擘垃论文 柔性嚣磊硅基薄膜太鬻电浊翦研究 摘要 近年来，随瀚空间技术的发展，应用于小卫星的轻质村底薄膜太阳电池得到了广泛的 磺窥。在诸多轻痰薅痰薄骥太麓毫渣中，浆牲檐廉菲器继基薄膜太聚魄逮在矮多方嚣占毒 优势。聚酰强胺薄膜由于其魁好的物理化举性能，成为橥性衬底的理想材料。值怒由于柔 性衬底的采用，也给太阳电池的制各工艺带来了新的问蹶。 冬骧璃等剐镶树底穗澎，黍萑萄疯戆辩离溢毪较麓，奄渣熬流黻瀑凄不畿太嵩，吾曩 材料的沉积温度般不应超溅2 0 0 1 2 。实验在低温下通过调整其它沉积参数制备出商带隙 的p 型a s i c ：h 木才料，代替舡s i ：h 做为太阳电池的窗口材料，改善了太阳电池的短波响应， 瓣蕊了太疆电漶鲍短路奄滚密凄。 由于柔性衬黼透过率较低，电池采嗣倒结构沉积，电池有源层i 鼹和窗口层p 层之间 的过渡方式对于电池性能的影响十分重要。实验通过调撼混舍气体中器成分进入反应室的 硬垮，褥黉了不秘链囊斡t p 赛嚣遘渡璺，经过馥较分瓣，找甍了爵以改善龟遗往熊戆赛 西处理方式，并髓在i ，p 界筒使用h 2 处理辟臼方式，提离了太阳电池的开路电压。 娃= l 于聚酰弧脓柔性衬底本痨的热膨胀系数较大，经过电池沉积的冷热循环，埘太阳电 鹣抟器萎羹辩纛定静破坏话瘸，在裁餐大藤褒夔毫漕鳟暹嚣了爨礁。实验鬟霞衾满n i 代替z n o 做为树底与n 层之阅的阻挡层，提高了电池的稳定性，在大面积的柔性树底上 制餐出了性能良壶孑的太阳电池。 逶过对这冀赫蓬鹣解决，逐多疆离了太鞠电洼懿整体毪琵，在大鬣凝( 4 c mx4 e m ) 兹 聚酰亚胺柔性衬底上使用p e c v d 法制备出了功率重量比达2 0 0 w 重2 9 的非晶硅基薄膜太阳 电池。 关徽词：a - s i c ：h ，i pb u f f e r ，p e c v d ，聚酰距胺，倒结构，太阳电池 棠挂嚣晶醚璀蒋壤轰鞭电髋静研究 r e s e a r c ho f f l e x i b l et h i nf i l ma m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l s a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c et e c h n o l o g y , l i g h t w e i g h ts u b s t r a t et h i nf i l ms o l a r c e l l sh a v eb e e nr e s e a r c h e dw i d e l y , i nt h e s es o l a rc e l l s ，f l e x i b l et h i nf i l ma _ m o f p h o u ss i l i c o ns o l a r c e l l sa r ea t t a c h e di m p o r t a n c ef o rt h e i ra d v a n t a g e si nm a n ya s p e c t s p o l y i m i d ef i l mh a sb e e nt h e i d e a lf l e x i b l es u b s t r a t ef o ri t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e b u t ，t h ef l e x i b l eb r i n g ss o m e n e w c h a l l e n g e st ot h em a n u f a c t u r eo f t h es o l a rc e l l s 。 f l e x i b l es u b s t r a t eh a sap o o rh e a tr e s i s t a n c e ，s ot h ed e p o s i t i o nt e m p e r a t u r es h o u l dn o tb e t o oh i g h ，c o r r m t o n l yb e l o w2 0 0 。c a tt h el o wt e m p e r a t u r e ，w eo b t a i nt h ep - t y p ea - s i c ：h m a t e r i a l s 巅氇赫馥b a n d g a p ，t h o u g h ta d j u r i n gt h eo t h e rd e p o s i t i o nc o n d i t i o n s ；p - t y p ea - s i c ：h h a sb e e nu s e di nt h es o l a rc e l l si n s t e a do fa - s i ：h ，w h i c hi m p r o v et h es h o r t w a v er e s p o n s ea n d r a i s et h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n to f t h ec e l l s i n v e r s e d - s t r u c m r ea r ea d o p t e df o rt h el o wt r a n s p a r e n c eo ft h ef l e x i b l es u b s t r a t e ，t h ei p b u f f e ri si m p o r t a n tf o rs o l a rc e l l s w eo b t a i ns o m ek i n d so fi pb u f f e r sw i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r t h r o u g hc h a n g i n gt h eo r d e ro fg a s e si n t ot h ec h a m b e r , a n df i n dt h ec o r r e c tm e t h o dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es o l a rc e l l s a l s o 粥f m dt h et t 2p l a s m ac 勰r a i s et h eo p e n - c i r c u i tv o l t a g eo f t h ec e l l s t h es o l a rc e l l sw o u l db e e nd e s t r o y e di nt h ed e p o s i t i o np r o c e s sf o rt h eh i g ht h e r m a l e x p a n s i b i l i t yo ft h ep o l y i m i d ef i l m ，s oi t sd i f f i c u l tt od e p o s i ts o l a rc e l l so i lt h ek 糟e a r e a p o l y i m i d es u b s g a t e n i c k e lf i h nd e p o s i to nt h ea l u m i n m nf i l mt op r e v e n ta l u m i n u md i f f u s i o n i n s t e a do fz n of i l m w h i c hi m p r o v et h es t a b i l i t yo fs o l a rc e l l s a n ds o l a r c e l l so 姐b e m a n u f a c t u r e do nt h el a r g e - a r e af l e x i b l es u b s t r a t e 。s o l v i n gt h ep r o b l e m s ，w ei m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es o l a rc e l l s i nt h i sp a p e r , w eo b t a i n e dt h et h i nf i l ma m o r p h o u ss i l i c o ns o l a r c e l l sw i t h2 0 0 w k go r lt h el a r g e a r e af l e x i b l ep o l y i m i d ef i l m sb yp e c v d 。 k e yw o r d s ：扑s i c ：h ，i 僧b u f f e r ，p e c v d ，p o t y i m i d e - i n v e r s e d ，s o l a rc e l l s , l f j t t 业大学颂l 学位论业 第一章绪论 1 1 太阳能光伏技术的发展概况 世界人口快速增氏和工业化造成了三个全球性的难题：能源短缺、生态破坏、温室效应和环境污 染。能源是国民经济发展和人民生活所必需的重要物质基础。在1 8 世纪，能源主要为| ：占| 体煤，从2 0 世纪开始，液体燃料汽油进入了汽车燃料的行列，接着，天然气等气体燃料开始为人们广泛使用。表 1 1 列出了几种燃料排放c 0 2 、n 0 2 、s o 。的情况，从表中的数据可以看出，每发出1 k w h 的电能，用煤 燃料产生的碳污染因子为3 2 2 8 9 k w h ，用油燃料产生的碳污染因子为2 5 85 9 ，l ( w h ，而是用太刚能发电， 碳污染因子只有5 3 9 & w h 。由此可见，太阳能是最清洁的能源。 表1 1 生产i k w h 的电能所用的几种燃料的污染因子( g ，l c w h ) t a b l e1 1 p o l l u t i o nf a c t o r so f f u e l sf o r1 k w he l e c t r i c i t ye n e r g y 新能源技术是2 l 世纪五大现代高技术的支柱之一，为使经济、社会、人口、资源和环境协调发展， 防l 和减轻大量使用石化能源对于环境的严重污染和生态破坏必须走可持续发展能源之路，即采用可 再生能源。太阳能是一种清洁的自然再生能源，取之不尽，用之不竭，开发和使用太阳能及不会造成大 气污染，也不会影响自然界的生态平衡，而且阡1 光所及的地区都有太刚能可以利用。太刚能以其长久 性、再生性、无污染等优点备受人们的亲睐f ”。 1 1 1 国外发展现状 近年来各国将太阳能光伏发电摆在利用可再生能源的首位。自7 0 年代以来，全世界已安装的光伏 发电系统超过1 0 0 0 m w ，9 0 年代后期的发展更快，1 9 9 7 年世界太阳电池组件总产量达1 2 2 m w ，比】9 9 6 年增艮约3 5 超过了年增睦2 0 的、f 导体工业的发展速度，已成为全世界增k 最快的高新技术产业 i 豢健嚣蠡硅垫薄貘寒籀龟撼辩辑辩 之。 美霆夔瓣帮t 9 9 0 攀建嚣巍捷技素戆产鼗穗嚣麓，t 9 9 7 年鑫巍懿“竞耩赣憨蕊西万鬟瑗巍镁诗麓8 ； 在2 0 1 0 年前将婪为1 0 0 万个美图家庭每户安耧3 一s k w 的光杖麟顶，共需光能电池4 6 0 0 m w 。德国、 臼举瞧有类似的斟两尾琐光伏计划。世界一些犬公司也纷纷制定扩大规模的计划，如：2 0 0 0 攀b ps o l a r 公麓翘毙挂龟憩熬雯产蘸鸯盎辩w ，苹扩夫蘩5 0 m w ：q f ； 9 辨零穗薹轰簿公蔼与垒顿轰鬻靛萤镶窘羹 浅德国已建成了擞产能力为2 5 m w 年的多晶确杰刚能电池厂) 。 光伏发电技术殿其产业正在腾b 今厉1 0 娜巍扶缀件生产将姓年增3 0 猷上躲速度发燧+ 2 0 0 0 年 这戮4 赫鬻苹，耱年这受4 6 g w 年。在蒜磺蕊溪主，运疹瞧避遂筵嚣黎农瓣懿蛰竟藏滚爨垒耪嚣 的襻代能源过渡。专家们预言。2 l 世纪中叶式黼能发电将占懒界总发屯量的1 5 2 0 ，成为人类的 基础源之一。 l 1 + 2 羹蠹发菱蠛凝 1 9 7 3 年我国太阳能光伏技术谳入民用应用领域，8 0 年代常，我国太俐电撖的产量和销懿都商较快 的燃鲢，截t t n1 9 9 7 年底，我圜泌舞成太阳能抛状发电系统的髓枢总量为1 0 1 5 m w ，主要耀于边远 逸嚣器琵夔毫。骥蒎甚经蠢热秽麓瓣逶嚣、王纛鼗矮域襄爱蓑赛菇鹭。8 蔑嚣”赣瀚藐鏊在滚潮、豪 分别建成1 7 千僦、7 千瓦的光t i 靛电屋顶并熨珊井网发电。哉嘲本刚能光伏生产厂家主要采j 七、八 十年代的技术，生声& 力魄较小，供霈基本平樾。谯质量、产鬣、菇静、成本簿器方西与国外黝菔距还 巍簸天，暴箨表璃霞；园生产囊耩枣。萎翦宴黪燮产麓力羹鸯t , 5 m w t 季；专麓逮蓬家甚至整瓣串蘑家 印麟还有一定差躐。技术水平低，电池效率敷缎件的封装质熊将遍较低： 专用材料主要依熊进口。 出予上述多方藤的瓣素，生产成本瘫。 瑗在，藐鋈翁套麓多夸无逡蒜；j l 矗令嚣逸懿注天鑫，慧诗跨育一琵夫澄帮； l 主电，斑筑密绣熬 前辫r 阀，商机光敞。从光伏技术的科学研究米糟，我国主要魁腺在各国的崩粼一缺乏创新思路。第一 代巍状电池( 即单熬醚巍扶电浊) 的光电转换敷宰可达到2 2 ，繁二代光伏魄涟f 多晶硅及稼娅半 导舔薄骥戆谤巍雾为蓑天矮域壤鞲，毽莛辩瓣瓣、器替爱配套瓣鍪静巷蒋考纛觞研窕麓嘉嚣黢。 1 1 3 太阳能光伏电池的研究与糙腿 宽铰技术於秘学研究一壹都锻涎跃，已经错嚣了2 s 属莲黪越谈学戆会谈+ 秘蕊曩绕醛熊蠛本、挺 嵩戴嚣躺蠢耱疆究，l j 箨一囊在紧张麓遴行；箕串越弱诲疆麓瓣为蕊雅裁裔羧遗洮狃薄簇逮憩燕蟒究魏熟 点。嘲际上该领域的研究内容涉搅：非晶硅光致遐化机理和稳定性艘进；薄膜劳龋硅低温成拨擞晶化机 建 擞鑫硅生长撼裁、杂囊、结梅按戳及电性能谶裁；特定光伏薄膜撼鞑，特剐燕艇辩矮域憨鼹赞疆变 戏繁翱纳笨技术徽婊梅与竞茯淫魏殿黎蚕薪技术瀚褥竞；燕窝蠢张嫡癍懿耨材辩、精臻翻、甄宵法等等。 总的褥米，太刚能她伏电池的发麟黼二二个阶段。 2 采胜前晶 i = 1 基薄畦太阳电池的州究 z 一。 美国能源部19 9 9 年启动光伏技术朐产业化计划，1 9 9 7 年宣布的“克林顿总统百万屋顶光伏计划”， 在2 0 1 0 年前将要为1 0 0 万个美国家庭每户安装3 s k w 的光杖屋顶，菇需光伏电池4 6 0 ( _ i m w 。德国、 日本也有类似的百万屋确光伏计划。世界一些大公司也纷纷制定扩大规模的计划，如：2 0 0 0 年b p s o l a r 公司把光佚电池的生产能力由2 0 m w 年扩大到5 9 m w 年；1 9 9 9 年德国壳牌公司与金顿太m 能公司合资 在德国已建成了生产能力为2 5 m w l 年的多晶硅太艮l 能电池厂1 j 1 。 光伏发电技术及其产业正在腾b 今屙1 0 年光伏组件生产将以年增3 0 以上的速度发展，2 0 0 0 年 达到4 0 0 m w l 年。2 0 1 0 年达到4 6 g w l 年。在应用范围上，逐步由边远地区和农村的补充能源向全社厉 的替代能源过渡。专家们预言，2 l 世纪中叶太阳能发电将占世界总发电量的1 5 r - 2 0 ，成为人类的 基础能源之一。 1 1 2 国内发展现状 】9 7 3 年我国太阳能光伏技术进入民用应用领域，8 0 年代末，我国太阳电池的产量和销量都有较快 的增长截i 卜到1 9 9 7 年底，我国已完成太阳能光伏发电系统的装机总量为1 0 15 m w ，主要用于边远 地区居民供电。现在已经开始扩展到通讯、工农业领域和民用商品等。“九五”期间我国在深圳、北京 分别建成1 7 千瓦、7 千瓦的光伏发电崖硕并实现井网发电。我国太刚能光伏生产厂家主要采h 七、八 十年代的技术，生产能力比较小，供需基本平衡。在质量、产量，晶种、成本等各方面与国外的差距还 比较人，具体表现在：生产规模小，目前实际生产能力约为1 5 m w 乌：，与发达国家甚至发展中国家 印度还有一定差距。技术水平低：电池效率及组件的封装质量普遍较低：专片j 材料主要依靠进口。 由于上述多方面的因素，生产成本高。 现在，我国约有2 0 多个无电县。儿白个无电的住人岛，总计约有一亿人没有州上电，光伏市场的 前景广阔，商机无限，从光伏技术的科学研究来看，我国土要是跟在各国的厉面。缺乏创新思路。第一 代光伏电池( 即单晶硅光伏电池) 的光电转换教率可达到2 2 ，第二代光伏电池( 多晶硅及化合物半 导体薄膜) 的研究多为航天领域项目，但是对材料、器件及配套设备的总体考虑的研究能力有限。 1 1 3 太阳能光伏电池的研究与发展 光伏技术的科学研究一直都根活跃，已经召开了2 s 屑国际光优学的会议。目前嗣绕降低成本、提 高效率的各种研究i 作一直在紧张地进行，其中以晶体硅材料为基础的高效电池和薄膜电池是研究的热 点。国际上该领域的研究内容涉及：非晶硅光致退化机理和稳定性改进；薄膜多晶硅低温成核及晶化机 理；微晶磋生长机制、杂质、结构控制及电性能调制；特定光扶薄膜材料。特别是材料领域的最新研究 成果如纳米技术微结构与光伏性能及制备新技术的研究：拓宽光伏响麻的新材料、新结构、新方法等等。 总的看米，太口i 能光伏电池的发展有三个阶段。 总的看来，太吲1 能光伏电池的发展有二个阶段。 2 豢健嚣蠡硅垫薄貘寒籀龟撼辩辑辩 之。 美霆夔瓣帮t 9 9 0 攀建嚣巍捷技素戆产鼗穗嚣麓，t 9 9 7 年鑫巍懿“竞耩赣憨蕊西万鬟瑗巍镁诗麓8 ； 在2 0 1 0 年前将婪为1 0 0 万个美图家庭每户安耧3 一s k w 的光杖麟顶，共需光能电池4 6 0 0 m w 。德国、 臼举瞧有类似的斟两尾琐光伏计划。世界一些犬公司也纷纷制定扩大规模的计划，如：2 0 0 0 攀b ps o l a r 公麓翘毙挂龟憩熬雯产蘸鸯盎辩w ，苹扩夫蘩5 0 m w ：q f ； 9 辨零穗薹轰簿公蔼与垒顿轰鬻靛萤镶窘羹 浅德国已建成了擞产能力为2 5 m w 年的多晶确杰刚能电池厂) 。 光伏发电技术殿其产业正在腾b 今厉1 0 娜巍扶缀件生产将姓年增3 0 猷上躲速度发燧+ 2 0 0 0 年 这戮4 赫鬻苹，耱年这受4 6 g w 年。在蒜磺蕊溪主，运疹瞧避遂筵嚣黎农瓣懿蛰竟藏滚爨垒耪嚣 的襻代能源过渡。专家们预言。2 l 世纪中叶式黼能发电将占懒界总发屯量的1 5 2 0 ，成为人类的 基础源之一。 l 1 + 2 羹蠹发菱蠛凝 1 9 7 3 年我国太阳能光伏技术谳入民用应用领域，8 0 年代常，我国太俐电撖的产量和销懿都商较快 的燃鲢，截t t n1 9 9 7 年底，我圜泌舞成太阳能抛状发电系统的髓枢总量为1 0 1 5 m w ，主要耀于边远 逸嚣器琵夔毫。骥蒎甚经蠢热秽麓瓣逶嚣、王纛鼗矮域襄爱蓑赛菇鹭。8 蔑嚣”赣瀚藐鏊在滚潮、豪 分别建成1 7 千僦、7 千瓦的光t i 靛电屋顶并熨珊井网发电。哉嘲本刚能光伏生产厂家主要采j 七、八 十年代的技术，生声& 力魄较小，供霈基本平樾。谯质量、产鬣、菇静、成本簿器方西与国外黝菔距还 巍簸天，暴箨表璃霞；园生产囊耩枣。萎翦宴黪燮产麓力羹鸯t , 5 m w t 季；专麓逮蓬家甚至整瓣串蘑家 印麟还有一定差躐。技术水平低，电池效率敷缎件的封装质熊将遍较低： 专用材料主要依熊进口。 出予上述多方藤的瓣素，生产成本瘫。 瑗在，藐鋈翁套麓多夸无逡蒜；j l 矗令嚣逸懿注天鑫，慧诗跨育一琵夫澄帮； l 主电，斑筑密绣熬 前辫r 阀，商机光敞。从光伏技术的科学研究米糟，我国主要魁腺在各国的崩粼一缺乏创新思路。第一 代巍状电池( 即单熬醚巍扶电浊) 的光电转换敷宰可达到2 2 ，繁二代光伏魄涟f 多晶硅及稼娅半 导舔薄骥戆谤巍雾为蓑天矮域壤鞲，毽莛辩瓣瓣、器替爱配套瓣鍪静巷蒋考纛觞研窕麓嘉嚣黢。 1 1 3 太阳能光伏电池的研究与糙腿 宽铰技术於秘学研究一壹都锻涎跃，已经错嚣了2 s 属莲黪越谈学戆会谈+ 秘蕊曩绕醛熊蠛本、挺 嵩戴嚣躺蠢耱疆究，l j 箨一囊在紧张麓遴行；箕串越弱诲疆麓瓣为蕊雅裁裔羧遗洮狃薄簇逮憩燕蟒究魏熟 点。嘲际上该领域的研究内容涉搅：非晶硅光致遐化机理和稳定性艘进；薄膜劳龋硅低温成拨擞晶化机 建 擞鑫硅生长撼裁、杂囊、结梅按戳及电性能谶裁；特定光伏薄膜撼鞑，特剐燕艇辩矮域憨鼹赞疆变 戏繁翱纳笨技术徽婊梅与竞茯淫魏殿黎蚕薪技术瀚褥竞；燕窝蠢张嫡癍懿耨材辩、精臻翻、甄宵法等等。 总的褥米，太刚能她伏电池的发麟黼二二个阶段。 2 掰就王鼗走学坝 学位论文 第一代光伏电池，即晶体醚光伏电池赢皴单晶硅电池的效率已达2 4 7 ，但是成本较辫，加l ：复 杂。穗片或奉蠹 + 5 美元i w ，光虢缀佟熬巷徐离予4 美元w 。与现舂的梵掰魄滚栝差葵逮。戮割葶螽 砖光伏电池转换效率的主要因素商；电池表面栅续遮光表面光损失，光传导损失，内部及表面复合损 失蛰。针对这些闻飕，近年来慕臌畎、f 技术：用撒层反射膜及光隅瓣作用减小淡丽反射，激光刻横j = i ! 棚 线，绒嚣技寒，尊患接鲢逸援瓷瓣袭瑟遮竞接术，离簸聂嚣器致先吸收技拳等等。孽薅己经寄轰接敲砖 光伏电池，p e r i le 钝化发射区背部扩散) 电池等新型单晶磷电绝。 第二代光伏电池( 薄膜型) 燕在8 0 年代束到9 0 年代初拜发，并取得了令人瞩目的成绩。主要有： 嚣潞硅、多晶疆薄膜，g a a s 鼯a a s ，g a a g g e ，i n p f t r t p ，t n p s i ，锑馋锈( c d t e ) 、锈锾瑟豫秘( c s ) 薄艇，和染料1 1 魄电池等。g a a s 系列的光伏融池效率高( 犬于3 0 ) ，但造价太高，仅适朋于航天系 缆+ 诵系 c d t e ，c d s ) 电池有较赢的的效率1 6 ) ，但稳定性燕，靠4 造蛙媳姒保证质繁靳 氐价格。 c i s 薄膜窀逮燕窝效率可这 7 7 ，遁成奉熹、较难髓造。蘩蘸硅及氢毪嚣晶蘸麴来潺较广，毽是转换 效率较低，一般只有1 0 左右另外氢化非晶赫的光致衰退的问题也尚待解决。非晶硅多结电池的效 率研这1 5 ，但是镱8 器太耍积薄膜海存在价格糍灼问题。 纳米羹鼗多藤壤姥捣翁党试瞧池榜辩鑫手箕畿带，窀爱翡特性，爱龟漶蕊夺高豹笼鼙转拯效率； 土蕊有以f 原因：纳米结构的龋粒尺寸与载i j 【予的散射长度同数量级减小了散射速率，增火了载流 予的收集效率；由于电子态密发匏增大，纳米续糖有强的吸牧累数，控毫纳米镣构的尺寸，戆够运过 敷牧特定豹戆量藏嚣的毙子，使麓带阔豫褥爨调秘。 逶过屡鸯屡翦堆擦，采爝福丽蕹数熬p n 结多层 结构。纳米结构静犬的能带阐隙就可以吸收短波长的光，在较窝的波长范围内，光的吸收能力增强将会 找离难茯电涟的散搴。纳米蟹缎的多芸攫中，多量子瞒结构及疑矮蘸级将影戚j # 母体超晶椿中的徽带 效斑，使得遣予砸辇i 硅零蠢予越鑫格舞瑟懿方爨褊运，蓑生菸藏隧穿、羁黎趱域态闼统获替泡簿现象， 从1 1 j i 可以大大提赫光电转换效攀。 露蘸裁鍪霸米锻结搀及耨荧的徽缨加工技零商；镌理气穗撬棍( p v d ) ，纯学气摆沉积c v d ) ， 簿离子体瑶强熬纯学气裙沉积( p e c v d ) ，分子激辨延生长( m b e ) ，电子寒赛4 蚀反癞离子瓤蚀等等。 本文试验制备的麟基薄膜就是使梢的等离子体增强的化学气相沉积法。 为了克鼹效率糕，铃捂裹驰髑氍性，太 f j 探索髓罄控巷誓蹲体蝻米微皱拇懿定寸及搿粼楼撵碰静 掰技术，提出价格较低酶裁备光伏电池材料的新方法。我国太黼能翮用静潜力徭大。在第一拽、第二我 光伙电池的研究开发中与世界水平相差较远，力求在新型光伏材料及第三代太刚电池的研究中取得突破 瞧戏票f 5 , 2 , 6 j 1 。 1 2 柔链携基薄膜太鞠电池 2 0 世纪9 0 年代初。人们研制成功以不锈钢、聚合物为基腻的柔性非晶张太附电池，并成功地麻 3 粱链棼爵睦藏簿糍太麓电拖豹瞬究 ，太曙晴 b 机、太m 能e 艇、平流鼷气球平台。邀煺磁功健人们谶一步探索柔健啦晶硅太5 | 电池席j _ ；丁 空瓣黪羧末嚣势。获蒋最囊蠢鬻趣漓虢流子蕊产空、辍逛番菱套瓣理进一多鬟暴了蒋螽建蠹蠢 魄涟羹畜 独特的性能优势瑚。 1 2 1 非晶硅太嘲电滤俸鸯空嘲能源的性能特点 侉为一释悫袋器静，錾鑫穗轰辩瞧遣载菠予戆产空惑囊真肖譬耋礞之整。饕麓碌半导蒋其寄托最嚣 张筒个数量级的光吸收系数，一个徽米厚舶椎晶礁就能将m 光中| 勺9 0 的淤最吸收，而晶体稚需要 | 0 0 3 0 0 9 s n ，这一撩性决定了黎一漩非晶硅太阳电池具育极大的艘鬣 e 功率的可女性。非晶醚太鞭电池 燕一释迁罄受亳瀛趣漉，竞童蓑流予诺臻予奉援麓内强夫藜奄疑糕动】幽托辩) 捧迁移逶秘鹬遮n 区溅者p 区，形成光电流。有多少载流子能成为光电流，郎所谓瓣内量子效率+ 主器取决下鳍闯电场强 度。邀龛垒不丽予熬俸硅太翮电浊，焉者的光生载溅子是依靠其扩欺运动进入空搁奄蔚医，形成党生电 浚，肖多多囊生载瀛子g 藏鸯巍憩流，主要取凌予少予羲扩羧长藏，麓藐，翥誊x 可穗受g - 鼓懿奄滚宅 池。由丁产生电流机理的差异，使得非晶硅太阳电池在空间辐射环境下的使用十箭有利，并在寤际麻用 串鼹添如独特的优势一l 。 毛2 + 1 。l 蕞赛篓纛爨爨凑奉 太冈= f 电池组件| ! f 勺质量比功率大小，除了取决f 太阳电池的效率外，芙键烂基底的质量，美国的e c d 公驾。慕豫不锈镪傲基臻铡造的嚣菇硅太睫= 电池蠛髂；蜃量魄功察逡6 0 0 w k g ，美霪联合太跚瓣公惩 为n a s a 硬翱帮生产霸瑷辩蒸溢聚台镌c a p t o n 鸯萋嚣静黎蒜硅太强奄鹣藏鳖览磅率疆双选强 2 5 0 0 w k g ! 吼 1 2 1 2 建好翡爨辗艚瞧能 盘予箍蒋蘸泰辩电德帮礴弦镶太鼯窀洼露甏黯宇宙嚣线粒子辐赫薅，多子寿鑫严重“f 簿，奶在 i m e v 电子辐射通擞达i 1 0 1 6 e 旭m 2 时，其输出功辩下降6 0 ，避对于犬功率、长寿命空间e 行器域者 空瓣太辫越发宅蟪嫌谶整个严重魏鹪鼹。嚣菲晶醚太黪龟涟鲻裳璐蜒蠡好戆撬辐瓣鼹蠡，这是氐予宇枣 串蚤种粒子豹辐瓣并不能藏多嚣菇疆太雕窀撼审畿瓶子戆迁替避穑。学术器霹嚣豁硅运一跨煮避行了鞍 系统的研究，发现线同样的粒子梢射通量下。非龋稚太阿_ 1 电池的揽辐射能力远强t 单晶硅太阱1 媳池，它 酶撬辐瓣髓力熹予攀蘸醚矗隈邂溉辩磐，焉曼，疑辗静嚣性能f 秘趣菲晶醚太戮越隧。奁1 3 0 一, t 7 5 6 c 邋戎嚣。萁效率胃鞋恢复裂耱始袋睾的8 0 9 7 这一煮楚冀窀电淹掰不粪蠡纳。 1 2 ，1 。3 良好的激发特性 零器硅蘑辩黪自带煎度蠹| 蕊v ，簿纯镶戆辘辩整度鸯 ，始v ，两巷晶鳇卷鞭瞧瞻戆g 繁爨寝浆鸯 6 3 e v ，具有较爨翻带隙，掰疆籍者耍沈单晶醚度瀚电涟和辩倦糠太雨窀池襄脊更好孵瀑凄辩性。在同 样的i ：作漏度f 非晶砖太阳电池的饱和电流逝小下单晶硅太刖 蟪池和砷化镓太刚电池，而短潞电流温 瓣嚣下键文学碗 擘髓论鼙 庶系数却比撼体砖电池高l 储。约为4 0 ”a ，( c c m 。) 避谢m 罩u 予在高温f 保持较高的蜘c 和f f 。在空 满磊境。f 太鼢彀涟静工箨黎发霹遮1 0 0 疆支，在逮一条蒋下。霉晶穗泰辫瞧洼显示窭箕它逛涟掰菠裔 的高效率和搿稳定性。 1 2 1 4 良料的光谱响应 替品臻舂觏邀涟察舂莛瓣熬a m l o 懋潜澳赢，莲 ； 避粪琴戆莘蘩鬻螽臻走氍逡渔糯瘫整镌赢。 从图中可以澍出单结非晶糍太阳电池光谱响应的峰值襁0 , 5 0 6 9 t m ，w 单晶硅太刚也池光谱响应的 的峰值在o 8 o 9 肼l ，这一特点艘键非晶砖淑陌电池具有较赢的空闻效率。 图i 1单躺滞晶硅太阳电池光谱响应例 f i g 、1 1 o p t i c a ld i s t r i b u t i o no f 、s i n g l e - j u n c t i o n a m o 零h o u ss 鞭e o ns o l a r c e l l s 1 2 1 5 嵩埘拣性和易于生产蜜装 嚣晶硅太黻啦池在空闷邵壤条嚣下艘黻基膏裹可靠搜，麟舍太难鼗公蔼熬棼鑫赣窳菇l 嘏灌级锋在 7 0 5 c 韵温囊。f 畿霸王撂，澄肖菠现臻显魏犍辘交纯，试验瓣移避孬了燕鹱鬻= 试礁，在零0 一尊。妁溢瘦 范围内，循环3 0 0 次以后，也嫩有发现明感的性能变化。 盎于痰建了粱性基底，邀耱太鬻电造熟疆穗冀有援好鹣霰辍健，鹫戳挺意卷蕊，裁棼。这特轰 对予空间赢霸十努重要。签麓，这一类窀澈缝瘸靛空褥太辫魄渣方阵靛蘼擞 功翠约两鞠1 0 0 w k g 。 1 2 2 柔性然威太阳电池的特点 柔牲太戳魄涟般是奁豢链基赢挺鹳上剡备嚣晶囊炎粼窀涎。盎子嚣蕊酶靛竞啜载誉数夫，鬓莲邀 波本妻可戳徽黉缀薄，菲藉魏馐豹簿疫不到l # 档，电弛翡垒禳厚瘦火约为s 瓣5 。m ，怒漉的重量棼 常轻。其质擞比功率和体积比纳率比其它e b l l i 商几个数量绂。非晶硅的生长溉度低，利用档离子体增拦 瓣键擎气耜溅辍法( p e c v d ) ，辩矗瀑整凌2 泌麦舂霉擞长建l 瀵意嚣嚣蕊疆薄鹱。这瓣遮簿封瘫瓣 氍蒋裁有秘。紫姓基底太鼹魄没可以任意鸯馥，鄄搜弯菇穰枣鹩半经，逛溉淫能也不会蓑篷交纯。这霞 柔性太阳电池摘带、运输和髁傺极为方便1 ”。在一些特辣的应用场合，w 以把柔性太刚呶池贴在任意 冀 *曹羹喜静羹 i量蔷爱蒂燃瞥鬟靛 朵忡1 f 品赫皋薄膜太阳电池的研究 弯曲的物体表面上。以玻璃为基底的便电池是绝对不到的。由于柔性太阳电池有较强的耐腐蚀能力，而 且很容易通过退火消除辐射造成的损伤因而在空间廊用中占有很大的优势。 2 0 世纪9 0 年代，美国密执安州u n i t e ds o l a rs y s t e m sc o r p o r a t i o n 利用r o l lt or o l l 沉积技术，在聚酰 弧胺衬底上制作出不透明柔性衬底謦层1 f 品砗太r f 电池。在沉积前，将聚酰弧胺膜乐在不锈钢卷上。这 种复合卷作为几个连续滚动式沉积的基底。采用刻划、腐蚀、丝网印刷等方法将此卷制成集成式太阳电 池板。为了制作轻组件，去除不锈钢带后，将电池层压在e v a 膜和氟化物膜间，以保护电池的性能 最后将这种柔性基底的太阳电池卷切割成组件尺寸。这种太阳电池组件的面积是o 8 7 m 2 ，输出功率为 4 7 6 w ，质量比功率大丁2 0 0 w k g 。 2 0 世纪9 0 年代，沈刚真空技术研究所与中科院上海砖酸盐研究所联台研制成功国内第r 台具有实 际应用价值的不锈钢柔性基底非晶硅太刚电池六室半连续镀膜机。该设备可以轰击清洗衬底，磁控溅射 铝膜、t c o 膜、绝缘介质膜。辉光放电沉积多层p i n 非晶硅膜，并刷0 2 m m 厚、1 0 0 m m 宽的不锈钢带 制作出了不透明柔性衬底太刚电池i ”1 。 为了得到转换效率高、柔性好、重量轻的太阳电池，人们还在透明树脂膜以及透明导电聚合物等柔 性衬底上制作了非晶硅太阳电池。 1 - 3 本论文的主要研究内容 本论文中制备的柔性硅基薄膜太阳电池主要应用于空间小卫星，由于空间应用的特殊要求，柔性衬 底的非晶硅基薄膜太阳电池在与柔性衬底的适廊性、光电转换效率、抗辐射损伤以及技术可行性等方面 与其它太阳电池相比都占有优势。非晶硅基薄膜的高光学吸收系数( 10 4 ，1 0 5 ) 使得太阳电池光伏材料层在 微米量级上就可达到所期望的能量转换量，而微米级的光伏材料层将能很好地适应柔性衬底在低曲率半 径对线胀系数上的要求。另外就非晶硅基薄膜材料本身对空间粒子辐射、紫外辐射等环境也有很强的适 麻能力。 为了有利于薄膜太阳电池中低迁移率少数载流子处于较高的吸收区，太阳电池一般采用p 层作窗 口层，常规电池太阳光可以经过透明的玻璃衬底首先进入p 层，故一般都采用( g l a s s t c o p i n a i ) 结 构。但由于聚酰距胺材料在各种添加剂的作用下，其外表呈黄褐色的，对可见光透过率较著，不能像 玻璃一样作为透明衬底使用。为保证太阳光不经过聚酰胺而直接照射p 层，必须采用与常规沉积相 反的顺序( 即p i a i n 1 - p t c o ) 制备太阳电池，也称为倒结构太阳电池。如图1 2 所示。 倒结构及柔性衬底的采用给太擀1 电池的制备r 艺带来了新的问题，为了解决这些问题，提高太阳电 池的转换效率，改善太阳电池的性能，我 j 从材料的沉积i 艺界面的处理方式电池的结构调整等多 个方面进行了研究本论文的研究内容主要包括以f - - 个方面。 6 河北工业大学硕士学位论文 z n i ： p i n zj i o a i p i 图1 2 硅基薄膜太阳电池结构示意圈 f i g 1 2 s t r u c t u r eo f a - s i b a s e ds o l a rc e l l s ( 1 ) 窗口材料a s i c ：h 的研究及其在太刚电池中的应用 p 型a - s i c ：h 材料是太阳电池的窗口材料，p 型材料的性能对于整个电池的性能有直接的影响。高 电导的p 型材料可以减小太阳电池的串联电阻，宽带隙的p 型材料可以使更多的光子进入太刚电池的 本征层，从而提高太目 电池的短路电流。另外，由丁采州了聚酰噩胺柔性衬底。材料的沉积温度不能太 高，一般要控制在2 0 0 c 以下，这又给沉积工艺提出了新的要求。我们通过调整辉光功率、反应气体的 流量配比、沉积温度等工艺参数，制各出了可以满足太阳电池要求的p 型a - s i c ：h 材料，并且应用在了 太阳电池中。 ( 2 ) i p 界面处理方式的研究 除了太阳电池各层材料的性能，本征层i 层和窗口层p 层的界面处理方式，对于提高非品硅基薄膜 太阳电池的性能也非常重要。为了寻找l 伊界面的合理的处理方式，在不改变各层沉积工艺的条件下， 对i p 界面的处理方法进行了调整，通过电池参数的变化分析这些方法对于太阳电池性能的影响，并 给出一定的分析解释。 ( 3 ) 电池背电极及阻挡层的研究 由于电池采用了聚酰砸胺柔性衬底这给电池的背电极及其它备层的沉积1 艺提出了新的要求。 聚酰亚胺的热膨胀系数( 2 x l f f 5 2 1 0 4 c ) 与电池各层半导体材料相比较大，在p e c v d 设备中制 备电池要经过一个冷热循环，由于热膨胀系数的不匹配，会使太阳电池在制备过程中遭到破坏很难制 备出大面积的太阳电池。为此，我们做了一系列的试验来优化太阳电池的背电极和阻挡层，并且刖金属 n i 替代z n o 薄膜作为太刚电池的阻挡层，取得了良好的效= 5 i ! ，在聚酰亚胺柔性衬底上制备出了性能良 好的非品碎基薄膜太阳电池。 7 霹静霉品藏摭游鞋赢褫龟拖秘涮究 第二豪理论蕊础帮寰埝方法 蠢麓至寒辫鼹篷工器篆溪 2 1 。 光生伏特皴殿 警夺瑾慈黥瓣囊瓣蘩餐装簿鼍竞鬟爨辩鬣：篷藿攀芋凌定亨舞擎攀攀嫩嚣妻子辫滏麓串鸯 萄越产生非平衡墩予空穴对。在糕尽区及箕附邋柏那些电子空定时，将曾先被p 啪辅内建也翰逊越分开， 分别栩向i i 区和p 隰。同时，p 隧内部的光生电皆和n 层内部f f 孽光惠空穴女4 姆同时从两边向糕尽区扩 簸，然暴遂羲羹建渗凳鬟鏊鑫臻嚣灏雾嚣；蘩繁镶争啦彗慈鬈楚予器露凌銮，瓣主_ 遽遘襄薅遂涝菠嚣 髫袋电子，处于戤电位；便p 嚣窘寐空穴，越予谢电位。如此积髂起来前电位攫产生前电场与内建电场 的方向相反。a 剿赞最终阻止光患裁滤子的继续j 萋穆。稳定时，德t 位差有一个确定的大小，撇猕兔歼 簿壤蕊，透霉委翰口襄摹。嚣蘩姆邀争p n 劈霁骧懿躺蓑熬蓐l 镬霉襞嚣拣黻圭莲舞煮雯鼗瀵：纛至 棼蛙槔将通过多 攘撵线继续进帮“f 囊，从而戎潮滩中形成电流，如图2 1 汹骈桊。稳定时，羰鹕流亦有 一趱太小。称为蠖然电流，通常燃点附表示。对域n m 结而吉，她呶滚楚一个艨内电流。这时- 糟对该 辩淞受褰穰薤，懿窀鎏天聂黎逢滤，器爨懑辫港蘧蠢产至黎港浚蠹，蠡嚣蠢；穗溪暴，惫藏臻枣静 电溅辫零时的芷囱德置电乐的失一， 、，显然就替乎扦琏电压u o o 。 圈2 ，1 兜燃“f 的p - n 结鼗带嘲 f i 磐2 ，l e n e r g yb a n d 酣驴nj u n c t i o r iu m o r l 逗娜 上述试验攀爨褒明；适当渡、醅的光照将程中p m 结( 也越糟异质结荆搭特藏势叠结) 中产生一定 火小的电动势，镁辫变成一电漶。斌就是光生谯特效皮1 1 6 , 1 7 。 s 就p 下i 眩学鬏| 譬稼论立 为了越弛生俄蟪娃戍避舒定诺讨论，我们从鼹简单的储辩入手，即考虑烩愿在p 区黜n 庶邦是均匀 静寮麓突变麓；簿燕羹嚣囊甏委迄孚空寇薄薅产叟j l 搴釜楚餐簿。妄霉渗黎枣，蘧耄碡薰磁蹩予燕鬟蓉 近域者恰好譬e o p t 豹怒辚麒蒋膜器骨。这i 9 光在材料中灼穿透深度较戈，农不太厚的螋世 ：g r p 2 - 次肆, 熟鼹收肇霹璐被褥作是均匀髓”l 。求解这辨情掇f 躲p n 始啦卦加电餍盯掉魁1f 的电潦，如求解碴状 签”f 嚣乒器蓉餐露法蠢囊，墓饕乎夔羲囊孚簿妒篷舅鬟强黍溪糯争霉鼗凌，薅产皇霉s 。鼹予e 嚣李 的少数载流予空穴，其扩教右裂可以写成 毽警= 等s 潮， 式中t r 一糊席分别是空穴酌寿命和手广教累鼗t 该方程盼邋解冒利掰扩漱怪鹰= z 器写成 龄。g 毛幸岛姆擎器，每q c x p ( - x 强 一 霪鸯 糟令坐标2 戳p 啪结界面为糕点，而为耗瑟越糖n 区中韵洒辫坐标，刘遗弊务件应为昂f * ) 毗。一g t ， 只( ) = 只椁x p f 口孵1 3 1 。据此褥剐适合此边辩摄傅的特解： 粕瓴恸，墨。0 礞警寸晦h 刳， 类 馘鳇，对p 粼中盼少数栽擞子晦子，可糌 槲碣一毛 肿b 警；) 氓h 词 式枣憋r 。糍磊分别电子的黪酶酾扩敬长麟* 是耗尽区崧p 隧的边界坐橼。 鬟蠡爹彀戆菠彝麦更，蕊黎嚣羹空焱擎蔑遥浚塞鬟 僻警档一， e 柠卜e x p ( 钢， 淤嚣孛爨瀵挚移鼗窀囊：誊漤 圳= 骂磐e x 愕一- 卜睁 一g 瓯e x 警】偶哪 萋葶考簿鬻簿嚣孛；菱台避器薅雾穗s 麓。器鑫 彝毒簿糕黼嚣嚣蓉嚣一爨海杰枣嚣癸瓣鸯毫露遴天 籁尽区对的惯槲郫，部分剥与品矧和删榭镣。而耗尽窟率产生的电漾搿艘 乓= 譬疆善，) g w 她? 式串，黟球糕稼慝竞褒。警避总窀瀛誊鬻 譬 装靛薛蠡舔旃群髌走鞭遗渣蕊罐 究 # = 文一b 十j g = 五雠警一1 ) 馨8 式巾，南即培状态对的反向饱餐j 迦流密度，矗却光女g 对的短勰电流( u = o 时+ 乒迭) ，其表达戢分别为 五等警】 嚣圆 ，l = q g ( l ，+ l 。+ )心，l f ) ) ，i 一一一l 0。”魄鲰 毒：p 一一 。爿蘑 以 j 血 醐2 2 个理想p - n 结二稷臀在踏状态和斑照状态下酌状蜜曲线 擎 9 0 ，2v o l t o a m p e m c u r v e s o f l d m | v nj u n e t i o t l m l f l e r l i g h t a n d d a r k 武( 2 ，b ) 邵避抄n 绪在光照”f 的茯安特性裳迭赋t 其函数图瓣如图2 2 所群- 阁中虚线建戒蜘- 即暗 拔褰醛懿据废秘臻。式8 。l 爱满憋遗表嚼，巍上述理想馕嚣f ，令太雕嗽漶瓣熊电流r 篱予耗尽医 藏萁两舞善一个多子扩鼗豪寰鏊鬻鸯懿垒零巍磐裁滚予蘩委簿端。透露；饕魏藏蓬瘫黎夔枣嚣壤豫受 村源集电区。 2 1 漕太辩龟遮靛龄征参数 耍籀运太熬锻阮豹簸警蒋拣，疑案；妥三争参羧藏霉孩豢述蒸究整蒋茬。程辩楚嚣薅毫蕊渤如薤菇 电流密度, i s c 和填商因子f f 。协。和出c 的物理朦必已经在前黼说明，其中汽即为d s c ，对于r ”可由 奔褥逛； 吣孥b 睁，) 弘m 孽l o 烈溪式2 ；8 巍；哥鞋舞窭荤税鬻辫& 袁鼙 嚎堍黪羧窭醯率袭遮蕊； k 阿= 也u d 筹斗 盯 疆m 辩竞王箍大掌硕主聋霞埝黧 琏 d p d u = o ，叫累凇谢出功率蹴天嗣躲e 巳流黼曼而匈电比l k 删椭正田灭糸： 蠢= 矗警哪警 娥人输出功率氏诋可以通过燧当选取负载电阻米获得。盘上式可雏，此嫩陋麻女 耻瓦k t 融篇 翻。 谯圈2 , 2 瞬工u 姆牲曲线上由鲰跟k 确定7 一个爆佳t 作点好m 于是t 域糍麟予定义为 肌器 潮匐 取图上考，算f 裁是蘸个虚线崧第唾象雕蹦撒瓣翘形面糕2 嫩。益线在第蛙鬣孵的形状越蠢，孵睡 蕊憩凝越夫。委攀镶瑟事，实嚣懿融躲嚣5 一簸整姻霉，寒5 乏媾l 肇8 。 f f 一般其箍u o e 和温度t 舶函数。为了方便于描述这种荧祭，定义芷* 目纯汗踌电压 醒。生k t q 叠 奄 声f 的理想值与秽的关系如浏2 。3 所示。 攫2 3 拶姻懑想佳随芷则能帮路电蔗拶，恋诧f l 孽半鲣缝擦承 爨嚣0 0 嚣基辩箍舞玲o f i d e a | f f w i h 器羹 盖l 洚始电转换皴枣 交鬻毫骛熬鹣羹辖蒺效率警避冀羹曩天翰凌殛攀磊与臻囊黪瀑蘧豪赞爨簸塞蠡襄羹鐾攀p 氧之篷。 剃婿莫定义拭可以写成 礓= 心。3 。f f p 。 2 1 铃 王王 ， ，：。墨茎董塑釜溅奎堡垒垄! 鍪蠹蠢 ，。；。，。； 妇r 于f f 仪魁滁腹和乩。的溺数，因而在确定温度下限定犬小的主要是矗承【k 。在谜黼个参