（材料物理与化学专业论文）硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响.pdf

广西大学学位论文原创性声明和使用授支差fllfl苦ffll鄹fjif7fi8ll92ll 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：毒事龌脸 州扩彳月7 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：葺耘艳殓 导师签名 瞬占其7b 硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 摘要 本文采用半导体电子陶瓷工艺，在不同的烧结温度下制备了含不同杂 质的硅基半导体材料，并用正电子湮没寿命谱和符合正电子湮没多普勒展 宽谱对其微观缺陷进行了研究。用正电子寿命谱仪研究了p 型硅基半导体 和n 型硅基半导体的微观缺陷和电子密度；测量了硅基太阳能电池退火 ( 2 0 0 ，2 小时) 前后的光电特性和正电子寿命谱。通过实验得到如下结 论： ( 1 ) 对含1 0 0 p p m 的b 的s i 基半导体样品，随着烧结温度的升高，其 多谱勒商谱降低，正电子寿命增长，缺陷开空间和浓度升高。 ( 2 ) 石墨的多谱勒商谱谱峰最高，s i 0 2 的谱峰次之，b 的谱峰最低。b ， c ( g r a p h i t e ) 和s i 0 2 ( s i n g l ec r y s t a l ) 多谱勒商谱的峰位分别在9 5 3 1 0 3 ， 9 8 6 1 0 。3 和1 0 5 2 x 1 0 一m o c ，即随着b ，c 和o 原子序数的增加，与正电子湮 没的电子动量增加。 ( 3 ) 含2 0 的c 和含1 0 0 p p m 的b 的s b c l1 硅基半导体样品的商谱的 谱峰最高；含1 0 0 p p m 的b 的s b c 2 1 样品的谱峰次之；含l p p m 的b 的 s b c 3 1 样品的谱峰最低。 ( 4 ) 对p 型半导体，随着掺b 浓度的增加，空穴浓度增加，电子密度减 小，导致半导体的电阻率减小，正电子寿命增大。 ( 5 ) 对n 型半导体，随着掺p 浓度的增加，电子密度增加，导致半导 体的电阻率减小，正电子寿命减小。 ( 6 ) 经2 0 0 。c 、2 小时热处理后的太阳能电池的开路电压，短路电流 k 较处理前有明显的增加，并且太阳能电池的转换效率比热处理前增加了 两个百分点( 处理前r - - 7 4 2 5 ，热处理后r = 9 6 0 6 ) 。 ( 7 ) 经2 0 0 。c 、2 小时热处理后的太阳能电池的n 型半导体正电子寿命 比热处理前减少了。 关键词：硅基太阳能电池微缺陷正电子湮没多普勒展宽硅基半导体 光电特性热处理 本文为国家自然科学基金( 批准号：1 0 7 6 4 0 0 1 ) 和广西自然科学基金( 批 准号：桂科回0 8 3 2 0 0 3 ) 资助项目。 e f f e c t so fm i c r o s t r u c t u r eo ft h es i l i c o n b a s e d s 目m i c o n d u c t o rs o l a rc e l lo np h o t o e l e c t r i c p r o p e r t yo ft h em a t e i u a l s a b s t r a c t t h es i l i c o n - b a s e ds i m e c o n d u c t o r d o p e d w i t hd i f f e r e n t d o p a n t sa n d s i n t e r i n ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r ep r e p a r e db ys o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d t h em i c r o d e f e c to ft h es i l i c o n - b a s e ds i m e c o n d u c t o rh a v eb e e ns t u d i e db y p o s i t r o nl i f e t i m ea n dc o i n c i d e n c ed o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r a t h em i c r o d e f e c t a n de l e c t r o nd e n s i t yo ft h ep t y p es e m i c o n d u c t o ra n dn - t y p es e m i c o n d u c t o r h a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e db yp o s i t r o nl i f e t i m e t h ep h o t o e l e c t r i cp r o p e r t i e s a n dp o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r ao ft h es i l i c o n b a s e ds i m e c o n d u c t o rs o l a rc e l l s b e f o r ea n da f t e ra n n e a l i n g ( a t2 0 0 f o r2 h ) h a v eb e e nm e a u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h es a m p l e so fs i l i c o n b a s e ds i m e c o n d u c t o rd o p e dw i t hlo o p p mb ， w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e s ，t h ep e a ko ft h er a t i oc u r v eo f d o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r ao ft h es a m p l e sd e c r e a s e ，w h i l et h ep o s i t r o nl i f e t i m e ， t h eo p e n - v o l u m eo fd e f e c ta n di t sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ( 2 ) t h ep e a ko ft h er a t i oc u r v eo fd o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r u mo ft h e g r a p h i t es h o w sah i g h e s tv a l u e ，t h ep e a ko fr a t i oc u r v eo ft h es i 0 2i st h en e x t ， a n dt h eo n eo fbi st h el o w e s t t h eb ，c ( g r a p h i t e ) a n ds i 0 2 ( s i n g l ec r y s t a l ) r a t i o c u r v es h o wp e a k sa t9 5 3 x 1 0 一，9 8 6 x 1 0 一a n d1 0 5 2 x 1 0 一m o cr e s p e c t i v e l y t h a t i s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea t o m i cn u m b e ro fb ，ca n doa t o m ，t h ep r o b a b i l i t yo f p o s i t r o na n n i h i l a t i o nw i t hh i g hm o m e n t u me l e c t r o ni n c r e a s e ( 3 ) t h er a t i oc u r v eo fd o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r u mo ft h es i l i c o n b a s e d s i m e c o n d u c t o rd o p e dw i t h2 0 ca n dlo o p p m b ( r e f e r r e da s s b c11 s a m p l e ) s h o w sah i g h e s tp e a k ，t h er a t i oc u r v eo ft h es i l i c o n b a s e ds i m e c o n d u c t o rd o p e d 1 1 i w i t h10 0 p p mb ( r e f e r r e da s “s b c 2 1 ”s a m p l e ) i st h en e x t ，a n dt h eo n eo ft h e ：一s i l i c o n b a s e ds i m e c o n d u c t o rd o p e dw i t hl p p mb ( r e f e 搿e d - a s “s b c 3 1 ”s a m p l e ) i st h el o w e s t ( 4 ) f o rt h es a m p l e so fp t y p es i l i c o ns i m e c o n d u c t o r ，w i t ht h ei n c r e a s eo fb c o n t e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fh o l e si n c r e a s e ，a n dt h ee l e c t r o nd e n s i t yd e c r e a s e ， t h i sg i v er i s et ot h ed e c r e a s eo ft h er e s i s t i v i t ya n dt h ei n c r e a s eo fp o s i t r o n l i f e t i m eo ft h es e m i c o n d u c t o r s ( 5 ) f o rt h es a m p l e so fn - t y p es i l i c o ns i m e c o n d u c t o r ，w i t ht h ei n c r e a s eo fp c o n t e n t ，t h ee l e c t r o nd e n s i t yi n c r e a s e ，t h i sl e a d st ot h ed e c r e a s eo ft h er e s i s t i v i t y a n dt h ep o s i t r o nl i f e t i m eo ft h es e m i c o n d u c t o r s ( 6 ) t h eo p e nc i r c u i t - v o l t a g ea n ds h o r t c i r c u i tc u r r e n to ft h es o l a rc e l la f t e r h e a tt r e a t m e n ta t2 0 0 。cf o r2 hi n c r e a s e s s i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t ht h e p r e - h e a tt r e a t m e n t i nc o m p a r e dw i t hp r e h e a tt r e a t m e n t ，t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo f t h es o l a rc e l li n c r e a s eb y2 p e r c e n t ( p r e h e a tt r e a t m e n tr = 7 4 2 5 ， a f t e rh e a tt r e a t m e n tr = 9 6 0 6 ) ( 7 ) t h ep o s i t r o nl i f e t i m eo ft h es o l a rc e ua r e rh e a tt r e a t m e n ta t2 0 0 f o r 2 hd e c r e a s e sa sc o m p a r e dw i t ht h ep r e h e a tt r e a t m e n ts a m p l e k e yw o r d s ：s i l i c o n b a s e ds o l a rc e l l s ；m i c r o d e f e c t s ；p o s i t r o na n n i h i l a t i o n t e c h n i q u e s； c o i n c i d e n c e d o p p l e rb r o a d e n i n g s p e c t r a ； s i l i c o n b a s e d s e m i c o n d u c t o 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 ；h e a tt r e a t m e n t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e d b yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n so fc h i n a u n d e rg r a n tn o 10 7 6 4 0 01a n dt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n so fg u a n g x i u n d e rg r a n tn o 0 8 3 2 0 0 3 i v 目录 摘要i a b s t i 认c t i i i 第一章绪论1 1 1 太阳能及太阳能电池的发展现状及前景1 1 1 1 太阳能的发展前景及意义1 1 1 2 我国太阳能产业的现状和发展前景1 1 2 太阳能电池的发展现状及前景2 1 3 太阳能电池的工作原理2 1 4 太阳能电池的分类及特点3 1 4 1 非晶硅太阳能电池4 1 4 2 多晶硅太阳能电池6 1 4 3 单晶硅太阳能电池7 1 4 4 多元化合物薄膜太阳能电池8 1 4 5 有机物太阳能电池9 1 4 6 纳米晶化学太阳能电池1 0 1 5 太阳能电池的应用l o 1 6 研究方法、内容1 l 第二章正电子湮没谱学原理及实验方法1 2 2 1 前言1 2 2 2 正电子湮没实验方法1 6 2 3 多普勒展宽测量原理及装置2 0 第三章硅基半导体的缺陷的研究2 4 3 1 前言2 4 3 2 实验部分2 5 3 2 1 试剂与仪器2 5 3 2 2 样品制备2 5 3 2 3 正电子湮没寿命谱测量2 6 v 3 2 4 正电子湮没辐射d o p p l e r 展宽谱测量2 6 3 3 结果与讨论：2 6 3 3 1s i 基半导体中微量元素的行为2 6 3 3 2s i 基半导体中的微观缺陷2 8 3 4 小结2 8 第四章掺杂对硅基半导体中载流子浓度和正电子寿命的影响3 0 4 1 引言3 0 4 2 杂质半导体中的载流子浓度，3 3 4 3 杂质半导体中载流子浓度和电阻率的关系3 3 4 4p 型和n 型掺杂硅基半导体中正电子寿命测试结果3 4 4 5 小结3 5 第五章硅基太阳能电池微结构对其光电特性的影响3 6 5 1 实验部分3 6 5 1 1 硅基太阳能电池的制备工艺3 6 5 2 硅基太阳能电池的光电特性3 9 5 2 1 实验仪器3 9 5 2 2 实验原理3 9 5 2 3 实验过程及结果讨论4 0 5 3 热处理对太阳能电池特性的影响4 3 5 3 1 热处理对太阳能转换效率的影响4 3 5 3 2 热处理对太阳能电池正电子寿命的影响4 6 5 4 小结4 6 第六章总结4 8 参考文献4 8 致谢5 4 攻读学位期间发表论文情况5 5 广西大掌硕士掌位论文硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 第一章绪论 1 1 太阳能及太阳能电池的发展现状及前景 1 1 1 太阳能的发展前景及意义 太阳能是不可再生的能源的替代能源之中最好的可再生能源，因其清洁环保，永不 衰竭而受到世界各国的青睐。太阳能具有：分布广、无污染、易接受、能源巨大长久等 优点因此如何充分开发和利用太阳能对于节约常规能源，保护自然环境，促进经济发展 都有极为重要的现实意义和深远的历史意义。 在国际太阳能能源市场的巨大潜力以及能源危机的双重重压下，各国都把太阳能电 池制造业看作发展可再生能源的热点，积极的把大量的资金投入到太阳能电池的发展 中，扩大生产，以争取占据太阳能光伏电池市场的统治地位。当前全世界已经有1 3 6 个 国家投入极大的关注于太阳能电池的应用热潮中，其中有7 1 的国家正在大规模的进行 太阳能电池的研究和开发。全世界已经有将近5 0 0 0 家厂商向能源产业市场提供太阳能 光电池以及以光电池为电源的主要产品器件。美国能源部已经向国民推出“太阳能路灯 计划”，根据所制定的计划大约每盏路灯每年能节电8 0 0 k w h ；日本也已经普及了太阳 能住宅发电系统计划。欧洲将推出“尤里卡”高科技计划。当前，全球太阳能电池市场的 行业以每年1 5 的幅度在持续不断的发展。 1 1 2 我国太阳能产业的现状和发展前景 我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家，据能源统计全球化石能源的开 采量已到了屈指可数的程度【刀。我国的可以再生的并且能够利用的能源资源储量情况己 处于非常严峻的状况。据可靠的资料统计我国可以利用的不可再生的常规能源剩余可开 采总储量的所占的百分比分别是为：水资源占3 6 5 、原煤资源占5 8 8 ，原油资源占 3 4 ，天然气资源占1 3 。我国所有的可开发可利用的常规能源所能开采的年数紧紧 只有1 2 9 7 年丌。 和国际上的发达国家的光伏电池发展进度相比较，我国的太阳能电池的发展状况很 不乐观，远远的落后于他们发达国家1 0 1 5 年，与邻国印度相比发展进度还没有他们 硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 国家发展的迅速。国家现在对太阳能研究工作给与很大的支持和投入很大的资金，十分 的重视可再生能源的发展，特别是太阳能电池的发展。0 2 年国家就启动了广阔的西部省 区要实现无电通电计划，通过利用可再生能源技术把太阳能和小型风力发电技术用于解 决西部七个省区用电困难问题，在0 3 年又根据实际情况制定了“光明工程”计划。目前， 国内生产太阳能的企业的技术水平已经逐渐增强。我国的光伏产业技术水平正以每年 3 0 的速度，飞速的向前发展。从2 0 0 5 年到2 0 0 7 年，短短两年的时间，太阳能电池的 发电功率已从1 3 9 m w 增加到1 1 8 0 m w ，增加了1 0 4 1m w 成为全球太阳能电池产业发 展最快的国家。 在2 0 1 0 年以前，我国的太阳能电池主要一大部分是用于独立系统的光伏发电装置， 预计到2 0 1 1 一2 0 2 0 年，这十年之间中国光伏发电的市场主要的发展动向将会从独立系 统的发展转向并行网络结构的发电系统。现阶段我国的实验室研制的效率最好的太阳能 电池的光伏转化效率以达2 1 ，其中主要商业化的电池组件装置效率的范围是1 4 - - 1 5 ，普通的商业化电池效率通常为1 0 - - - 1 3 。由于生产技术的提高，所以电池的生 产成本也大幅下降，这对国内太阳能市场走向国际化起到了决定作用，对实现与国际光 伏市场接轨有重大的意义。 1 2 太阳能电池的发展现状及前景 人类利用太阳能有多种方式，有光化学转化、太阳能光一热转化以及太阳能光一 电转化等等。目前，太阳能主要利用集中在热能和发电两方面，而对于光化学转化尚 处于试验研究阶段。利用太阳能发电主要有两种方法，第一种方法十八热能产生的蒸 气用于发电机从而推动其做功然后转化成电能，其次是太阳能电池。 法国的a e 与1 8 9 3 年用光照射由两片金属薄片侵入已经调配好溶液构成的电池时， 就发现会产生额外的伏打电势现象，他称其为光生伏打也就是所说的太阳能电池效应， 太阳能电池的诞生是由c h a r l e s 于1 9 世纪8 0 年代末所研制的以硒为基底的光伏电池， 这一发现是太阳能电池诞生的一个里程碑。研究还发现半导体p n 结器件在太阳光照下 的光电转换效率是最理想的，所以这类光学伏打器件就被称为“太阳能电池”( s o l a rc e l l ) 1 3 太阳能电池的工作原理 2 硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 太阳能电池是一种由于能吸收到的太阳光而由此导致内部的载流子和浓度发生变 一化j ，并以产生光生伏特效应为基础的能直接把光能转换成电能的能量设备转换器【狮。是 由两种或两种以上的具有不同导电特性的半导体材料制成的物理器件，具有非常强的 内部电场。当太阳光的照射到太阳能电池上时，太阳电池表面由于光的反射，使得一部 分的光线被反射会大气当中，剩下的一部分由于光的折射而进入太阳电池的内部被吸 收。被吸收的光线中的一部分光子由于自身携带的能量大于半导体内部的光子，引起半 导体内部原子的价电子由于受到激发而在p 区、n 区以及空间电荷产生大量的光生载流 子即光生电子一空穴对。当空穴一电子对处于热运动时，太阳能电池内部的电场就会使电 子和空穴的分离，空穴和电子分别向两个相反的方向运动。在n 区由于热运动产生光生 电子空穴，在内电场的作用下，光生电子继续留在n 区，而光生空穴将会向p - n 结扩 散，并在电场力的作用下进去p 区 9 1 。同理，在p 区的光生空穴继续留在p 区而光生电 子在电场力的作用下进入n 区。这样在p - n 结的两侧就有正、负电荷的汇集，因此就 有与内部电场方向相反的光生电场。光生电场一方面用于抵消内部电场，另一方面使的 p 型半导体层带正电，呈现正电性；n 型半导体层显负电型，这样在太阳电池的正面和 背面两个面上就产生了光生电动势，当接入电路后就产生光生电流【2 6 t2 7 1 。这就是光生伏 特效应，即太阳能电池的工作原理。 1 4 太阳能电池的分类及特点 随着科技的发展和进步，太阳能电池的种类越来越多。但是纵观所有的太阳能电池， 总的来说，按照不同的材料的结构和用途可以有不同的分类。目前，按太阳能电池的材 料来分主要有：1 ) 硅类太阳能电池包括多晶硅太阳能电池( m c s i ) 、单晶硅太阳能电池 ( s o s i ) 非晶硅太阳能电池( a - s i ) 以及微晶硅太阳能电池( p c s i ) 和由日本生产的h i t 电 池，2 ) 以化合物为材料的太阳能电池主要有以g a a s 为重点的单晶化合物太阳能电池、 实际用途广泛的c d t e 和c i g s 电池，3 ) 染料敏化太阳能电池和有机半导体太阳能电池 等( 如i i v i 族半导体，塑料或绝缘材料有机物材料) 【i5 】；按太阳能电池的结构又可以 分为：1 ) 同质结( p - n 结) 太阳能电池，2 ) 异质结太阳能电池，3 ) 肖特基异质结太阳能电池 ( m s 电池) ，4 ) 复合结太阳能电池，主要有两个或两个以上的p - n 结形成的太阳能电池， 当前实验室研制的最好的复合结太阳能电池的光电转化效率已经达到3 1 ；按照用途 可以有：地面、空间以及光敏传感器三类太阳能电池。 广西大学司配七掌位论文硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 1 4 1 非晶硅太阳能电池 _ 一般相比于多晶硅和单晶硅，非晶硅的制造成本比较低，在生产工艺上通常采用材 料消耗低的工艺，所需的沉积温度较低，能够沉积的面积大。在节能降耗，降低成本 方面有很好的潜力【1 9 1 。在可见光范围内，非晶硅太阳能电池因有较好的光吸收性质，又 有可调控的价控性质，所以成为重要的光电子器件材料。制备非晶硅太阳电池有多种 方法，最常见的有电子束蒸发法、低压化学气相沉积法( l p c v d ) 、物理气相沉积法、 反应溅射法、高频率辉光放电法及热分解硅烷法【3 2 3 】 c a r l s o n 于1 9 7 3 年在r c a 实验室研制出了非晶硅太阳能电池，其转化效率当时还不 到l 。随后的几年里，c a r l s o n 等人又研制了转换效率高达5 5 的非晶硅肖特基势垒电 池【4 】。使非晶硅太阳能电池展现在人们的眼前，为人们打开了硅类电池的又一扇门。 1 9 7 8 1 9 8 1 年之间，日本大阪大学在c a r l s o n 研究的基础上先后制备出能量转换效率为 4 5 的非晶硅p i n 电池旧；改进的0 【s i c ：h a s i ：h ，能量转换效率超过8 的p 酣异质结 太阳能电池【1 4 1 ，1 9 8 2 年该电池的转换效率已经超过1 0 t 1 3 1 1 9 8 7 年，非晶硅太阳能电池 转换效率达到1 2 ，1 9 9 0 年s a n y o 公司制造的p f i ( a s i ) n - c s i ( h i t ) 太阳能电池转换效率已 经接近1 5 8 【1 6 1 日本用p e c v d 方法子1 9 9 4 年生产出b a c ks u r f a c ef i e l d ( b s f ) 结构的电 广西大掌硕士掌位论文硅基太阳能电池的徽结构对材料光电性能的影响 图1 - 1 肖特基势垒非晶硅太阳能电池结构【8 j f i g 1 - is c h o t t k yb a r r i e ra m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l ls t r u c t u r e ( 2 ) 呷) 异质结 m 电池的构造通常为：塑料类材料或透明绝缘材料i t o a - s i ：h ( i ) a i ，由i t o 和i a - s i ：h 构成异质结，i t o 一般都是间并类型的n 型基质，而a - s i ：h ( i ) 却是弱n 型，因此就可 以形成1 1 + n 异质结【2 0 1 。为了保证太阳能电池的欧姆接触良好和太阳能电池的转化效率 较高，通常在i t o 层和越膜之间加一层ra - s i ：h 。其结构如图1 2 所示，这种结构所制 备的太阳能电池较肖特基太阳能电池的转化效率高。但因为实际应用范围较小，转化效 率较低，仍不能大范围的推广使用。 一 _ r ； - - _ 一 玻璃 -口l 口 _ 一 一 _ _ ! 玎o a + a - - s i 图1 2 异质结非晶硅太阳能电池结构【8 】 f i g 1 2h e t e r o j u n c t i o ns t r u c t u r eo f a m o r p h o u ss i l i c o ns o l a rc e l l s ( 3 ) p i - n 结构型电池 对非晶硅电池来说，不能象单晶硅太阳能电池可以利用简单的p - n 结制备太阳能电 池一般要采用p i n 结，之所以采用这种方法是因为：一方面由非晶硅的晶体结构所决 定，因为非晶硅属于短程有序而长程无序，并且有很高的能隙域态密度，这样载流子的 运动除了漂移之外并无别的运动形式。导致非晶硅只有电阻特性而没有整流特性难以得 广西大掌硕士掌位说吁硅a j t , ；太阳能电：- t 的微结构对材料光电性能的影响 到良好的整流接触为了解决这些问题就在p 和n 之间加入一层本征层i ，所以非晶硅太阳 一能电池就设计成p i n 结构。p 层主要是太阳能电池的光入射层，i 层是让太阳能电池能够最 佳吸收太阳光的本征层，n 层是作为衬底的基底层。通常p i n 结的整流比要比普通的p n 结的整流比高几个数量级，这样就弥补了少数载流子由扩散引起的不足。到目前来， p i n 结构是非晶硅太阳电池的主要研究方向，具有电池的性能稳定，制作工艺简单，制 造成本低，可以连续生成，设计方面比较灵活，这是肖特基和p n 异质结没法相比的【2 0 】。 虽然非晶硅p i n 结构是一种非常看好的材料，但是它自身也带有一些不可避免的缺陷， 由于它的光学带隙较窄只有1 7 e v 。所以使得材料本身只能接受除了长波区域的光谱， 从而限制了太阳能电池的转化效率。另一方面，由于它自身具有光致衰退【2 1 ，l5 】的现象， 太阳能电池的转化效率会随着光照时间的延长而衰退，使电池的性能衰减瞄】。 1 4 2 多晶硅太阳能电池 当前，为了解决单晶硅太阳能电池在制造过程遇到的问题，人们把更多的关注投入 了多晶硅太阳能电池。多晶硅太阳能电池的制造成本低廉，经久耐用，性能稳定及效率 高受到人们的欢迎。多晶硅太阳能电池的出现主要是为了降低单晶硅电池的生产成本。 多晶硅电池通常使用浇铸法或者凝固法得到多晶硅料制作而成。多晶硅料的工艺是用 电阻率为1 0 0 - - - 3 0 0 f 2 c m 的多晶块或者单晶硅头尾料，经过多次的腐蚀和烘干，然后将烘 干后的多晶硅料掺入适量的硼硅，并在真空状态下，将其放进浇铸炉中加热融化。将熔 化后的多晶硅料进行合适时间的保温并注入石墨模具中，待自然冷却后，便得到能够制 作多晶硅太阳能电池的多晶硅锭。多晶硅太阳能电池的制作过程与单晶硅太阳电池基本 类似【2 5 1 ，主要采用吸杂、钝化以及背场等工艺。目前，吸杂工艺受到很大的重视。吸 杂工艺主要有两种：三氯氧磷吸杂和铝吸杂两种制作工艺。据报道多晶硅太阳能电池上， 不同类型的材料所具有的吸杂作用具有很大的不同。例如不同含碳量的材料所吸收的磷 有很大的差异，含碳量越高的材料，所吸收的磷就越显示不出吸收杂质的作用。根据近 年来的研究可以了解，吸杂工艺对多晶硅太阳能电池的转换效率的提高是有一定的作用 的。 钝化，是为了提高太阳能电池的质量。钝化的方法有：氢钝化和表面氧钝化。氢钝 化的目的是钝化硅体内的缺陷和位错等。多晶硅体内缺陷越多，氢钝化效果越明显。对 于多晶硅太阳能电池通常是采用在其表面用p e c v d 3 0 】或者l p c v d 镀上一层膜，经过 6 广西大掌硕士掌位嵌曙硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 热分解产生氢离子，而进行氢钝化。表面氧钝化的目的是为了提高太阳能电池的转化效 一 、率i 近年来在超低温的情况下采用表面氧钝化被越来越多的采用【3 1 】 2 8 】，太阳能电池的 转化效率有了明显的提高，美国的a s t r o p o w e r 公司在多晶硅上利用l p e f 3 2 1 法制备的太 阳能电池的效率为1 2 ，我国的陈哲艮【3 3 】采用此法并设计了一种新的多晶硅太阳能电 池，转化效率也比较显著。 1 4 3 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池是发展最快，最稳定，并且转化效率最高，一直以来占据太阳能 电池市场的主导地位的硅基太阳能电池。单晶硅太阳能电池是以纯度9 9 9 9 9 n o 】的高纯 硅作为生产的原材料。原材料的范围较广，主要有导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾 料等还包括专门制备的用于太阳电池的单晶硅，向我们所熟悉的中子嬗变掺入杂质直 拉型硅单晶b 5 】。图1 3 为单晶硅太阳能电池的制造工艺流程： 原料多罴 图1 - 3 ( a ) 薄片制造工艺 f i g 1 - 3 ( a ) s h e e tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s p 燮单晶；s i 薄片 二二二丑 p n 结乐逢 气鞫扩毅 潦数扩教 离子移植 ； 傲晦辍 ； 宪成 图1 3 ( b ) 电池工序 f i g 1 3 ( b ) s o l a rc e l l sp r o c e s s e s 图1 3 ( a ) ( b ) 为单晶硅太阳能电池的制造工艺图 f i g 1 3 ( a ) ( b ) m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 1 2 4 1 7 r 广西大学硕士掌位论文硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 单晶硅的生产工艺技术以及它的结构类型已经是固定的模型了，不会有很大的变化。 单晶硅太阳能电池韵使用目前已经是大规模的投入生产和使用了。现阶段商用的单晶硅 太阳能电池的转化效率已经超过2 0 t l 列，并且改进器件和质量的技术已经展开探索。单 晶硅更深一步的改进技术主要是平面的单晶硅、绒面处理单晶硅以及埋栅刻槽电极单晶 硅技术【1 5 1 。在刻槽埋删方面做的较好的是德国的夫朗霍夫太阳能系统研究所【5 】，该研究所 使用先进的设备对单晶硅的表面进行织构化的光照刻槽技术，他们研制的太阳能电池的 转化效率已经超过2 3 ，接近2 4 。由此可进刻槽技术对太阳能电池的转化效率的提高有 很大的帮助，这主要是因为刻槽可以使单晶硅表面要反射的阳光进行了漫反射，使得太 阳能电池能更多的接收太阳光。在德国研究所研制的基础上k o c e r a 公司【6 】采用此方法研 制了的大面积( 2 2 5 e m 2 ) 单晶硅电池，该面积的电池的转化效率为接近2 0 随后更多的 国家采用更先进的技术使得单晶硅太阳能电池的效率又有了一个新的突破。例如，澳大 利亚的新南威尔士大学以及斯坦福大学分别采用发射区背部钝化和背点接触不同的研究 点研制的太阳能电池使得经过直拉方法制备的单晶硅太阳电池的转化效率超过2 2 t 7 】。 我国的单晶硅电池的研制也有一定的成果。像北京半导体所研制的小型平面单晶硅 电池的i e p c 已经接近2 0 ，采用埋栅刻槽技术研制的已经在1 8 6 1 2 9 1 左右一般实验室研 制的硅太阳能电池的转化效率通常会比商用的转化效率高，目前已经投入应用的大面积 的太阳能单晶硅电池的转化效率的范围在1 4 一1 7 9 1 5 】，相对于实验室来说还是比较低 的。在所有的电池中太阳能单晶硅电池的转化效果是最好的。 1 4 4 多元化合物薄膜太阳能电池 化合物薄膜电池一直是人们探索的热点，随着能源紧缺，所引起的能源经济危机使 得人们把注意力转向化合物薄膜电池上。化合物薄膜电池比起单晶硅和多晶硅电池不仅 在制造工艺而且在材料的消耗方面都优于单晶硅和多晶硅电池。化合物薄膜太阳能电池 主要的碲化镉电池、砷化镓电池、c i s 以及硫化镉电池等等类型。而对于化合物电池中 的碲化物类电池中，含有重金属、剧毒性质的碲，为了减少环境污染，所以碲类电池被 人们所采用。人们用的最多的还是砷化镓类和c i s 类化合物薄膜电池。下面就着重介绍 这两种电池。 首先对于g a a s 电池来说，因为g a a s 是位于元素周期表中的i 族元素和v 族元素 相结合而产生的化合物，所以根据该特性其能级的间隙为1 1 4 e v ，这一能级对于太阳光 的吸收范围非常的大，所以被人们作为最理想的电池应用材料。砷化镓电池以及族元 8 g - 西大学硕士掌位论文硅基太阳能电池的徽结构对材料光电性能的影响 素和v 族元素类型的化合物薄膜电池，主要研制的方法有两种在半导体上生长半导体薄 一- j ：一：膜的l p e 以及m o v p e 技术。和在半导体上生长薄膜的e p e 方法相比较，m o p v e 受 多种因素条件的制约较大，比如如果v 比率不合适，那么所制备的薄膜的性能很差， 不符合要求。同样衬底的位错结构以及总流量也会影响m o v p e 技术。m o v p e 技术不 但可以制作g a a s 电池还可以制作其他的v 化合物电池。在1 9 9 8 年，达到欧洲太阳 能光电转化效率记录的g a a s 是由德国费莱堡太阳能光伏系统研究所研制出的，其转化 效率为2 4 2 。在此基础上，该太阳能光伏所还将两个独立的半导体电池叠加在一起 制成堆叠结构的g a a s g a s b 电池。此堆叠所得到的电池的效率在当时是非常高，已经 达到3 1 1 而普通的砷化嫁类的太阳能电池的转化效率通常在2 8 左右。由于砷化镓电 池的种种特性，所以砷化镓比较适合制作高效单质结的太阳能电池【5 0 1 。 第二类重要的化合物薄膜电池为c i s 电池，由于c i s 材料的特性，所以该电池不 存在光致衰减的现象。c i s 的能量间隙为1 1l e v ，与砷化镓电池相似同样有利于太阳能 电池提高转化效率。所以c i s 太阳能电池也是近年来人们关注的热点之一，c i s 的制作 方法主要硒化法、真空蒸镀电沉积以及磁控溅射等等多种方法。而对于前两种是主要的 制作方法，硒化法主要采用将c u 、g a 、i n 等合金通过预置膜硒化而制的。但是该法也 有其缺点，是不容易形成均匀的薄膜。真空蒸镀是在实验室中制各小样品时经常采用的 方法，该法制备的太阳能电池的转化效率较高。但是真空蒸镀的缺点是不能形成大规模 的产业化，产品的化学配比不能通过蒸镀达到精确的范围。现在c i s 电池的转化效率较 以前有了明显的提高，现在已经超过1 4 0 4 】松下公司研制的掺入高纯的适量镓杂质的 c i s 电池，光电转换效率已经超过1 3 ( lc m 2 ) ，现在c i s 的转化效率已经超过的多晶硅的 转化效率，超过2 3 总结c i s 电池的优点，我们可以看出该电池将会使太阳能电池市 场的一个热点。 1 4 5 有机物太阳能电池 近年来，有机太阳能电池也是发展的一个主要方向，有机太阳能电池能够大面积的 制造，并且制造层本低廉，弯曲度以及扩展度非常好还有制作工艺简单。所以有许多公 司以及科研单位在做这一方面的研究，近几年在特定的条件下有机太阳电池的i e p c 已 经高达9 5 【3 8 1 。k g h o s h 等人不但于2 0 世纪7 0 年代就研制除了a 1 m g p c a g 肖特基 势垒电池，而且还研究了有关该电池的相关特性参数，像量子效应、光吸收常数、载流 子浓度以及短路电流等等。更有研究者，在此基础上加入掺杂剂如超细晶粒的c u p c ， 9 硅基太阳能电池的微结构对材料光电性能的影响 来增加太阳光光波被有机薄膜的吸收效率。为了增大薄膜电池的电性能，有研究者在 c u p c 中掺入适量的1 2 等杂质。s h a y a s h i 等一些学者用s p p 的方法使得有机物电池在掺 入c u p e 后用白色光源从4 5 0 c 的方向照并利用共振原理，结果就发现太阳能电池的 i e p c 在原有的基础上提高了2 3 3 9 1 倍。有机电池之所以能够通过这