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纳米硅薄膜太阳能电池的制备及特性研究

核心提示:  随着工业化及城镇化步伐的加快,矿物质等传统能源日趋短缺,以至不能满足人们生活及生产的需要,因此可再生能源备受关注。由于太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染的清洁能源,世界各国政府把研究与开发太阳

  随着工业化及城镇化步伐的加快,矿物质等传统能源日趋短缺,以至不能满足人们生活及生产的需要,因此可再生能源备受关注。由于太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染的清洁能源,世界各国政府把研究与开发太阳能作为可持续发展能源的战略决策,其中美国、日本等发达国家及中国等发展中国家均制定了光伏技术发展计划,把光伏发电作为人类未来能源的希望。自1954年美国贝尔实验室制备了第1块6%硅太阳电池及20世纪70中东石油危机以来,硅太阳电池的研究进入了一个格外备受关注的时代。

  单、多晶体硅太阳能电池光电转化效率高,它们在实验室的最高转换效率分别是24.7%和20.3%,虽然它们的效率高,但是其原材料单、多晶体硅片制备工艺复杂成本高,吸收太阳光谱,理论上来说只需要晶体硅片厚度约100m,远低于现行工业化的约180pm电池片的厚度,故造成了不必要的浪费,基于成本考虑,人们想到了制备价格低廉及工艺简单的薄膜太阳能电池,其优点是原材料和电池同时在实验仪器中完成,不像晶体硅电池需要两个大环节,即原材料硅片的制备及晶体硅电池的制备等两大过程,这大大节约了原材料及人工成本。目前,硅基薄膜太阳能电池有3种类型:微晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池及纳米硅薄膜太阳能电池。

  制备,具备硅基薄膜太阳电池优点一制备工艺简单、便于大面积连续化生产,是一种间接带隙半导体材料,稳定性能高,在可见光部分的吸收系数小于非晶硅,这意味着吸收相同的太阳光,微晶硅需要的原材料多H,如没有H的钝化,电子输运能力将受到晶体边界的阻挡作用0.它包含了非晶硅的优点,没有光致衰减效应,更敏感的红光响应光谱,由非晶硅的700nm增加到微晶硅的1100nm1,。非晶硅薄膜太阳能电池由美国的Carlson和Wronski在1976年首次制备,非晶体硅薄膜光吸收系数大,较吸收系数小的其他薄膜吸收相同的太阳光更节省材料,使用廉价衬底材料如玻璃、不锈钢和塑料,制备工艺简单,可实现大面积及连续生产,降低成本;但是非晶体硅薄膜存在光致衰减效应(Staebler~Wronski)H,薄膜沉积速率慢,影响大规模生产5.纳米硅薄膜首次被Veprek小组于1986年报道以来63,国内外对于纳米硅薄膜材料、电池制备及性能研究取得了巨大的进步。纳米薄膜材料具有电导率高、电导激活能低、光热稳定性好、光吸收能力强、光学能隙宽化、工艺制备简单、量子尺寸效应等优点673.当晶体的尺寸减小到纳米量级时,由于大表体积比,其物理性质不同于块体材料,对于块材内部原子决定物质的性质,而纳米材料则表面原子决定物质的性质°8.因此纳米薄膜太阳电池的物理和化学性质将有奇特的效果。目前国内、国际大批科学工作者正在投入到纳米硅薄膜太阳电池的研究中。例如详细阐述了异质结太阳电池的等离子体增强化学气相沉积的制备方法及沉积工艺参数等外界条件对电池的光学、电学性质的影响。但是很少有像关于研究非晶和微晶硅电池一样,比较全面的阐述纳米硅薄膜太阳电池的制备理论及影响薄膜电池光电转换效率的一般物理机制,因此关于这样系统的研究很有科学指导意义。

  1硅纳米薄膜太阳能电池的制备及沉积理论1.1制备方法制备纳米薄膜的方法有:等离子体增强化学61,热丝化学气相沉积(HotWire见的沉积技术一等离子体增强化学气相沉积。

等离子体增强化学气相沉积是利用反应气体通过射频电场产生辉光放电形成等离子体,以增强化学反应,从而降低反应温度,在低温下生长氮化硅、氧化硅、非晶硅、纳米硅以及磷硅玻璃等半导体器件表面保护膜的一种新技术。

  1.2沉积理论及成核理论,具体如下:高氢稀释的SiH4生长硅纳米薄膜的热力学反应方程式为M:其中,表示正、逆向化学反应速率,正向为气相至固相的沉膜过程,逆向为化学反应的逆过程亦叫腐蚀过程。这个过程就是等离子体中H基,将薄膜表面上生成的弱Si-Si键破坏作用的过程。纳米薄膜的厚度及质量优劣主要决定于这2个反应过程。

  当气态SiHx遇到衬底后,将会在衬底表面输运,如遇到个适当的格点,硅晶粒将会在其上积累并形成Si-Si键,随着反应的不断进行,硅晶核将不断的长大,若在成核的过程中,出现弱Si-Si键,则H基将会腐蚀此键合状态,直至停止,经过这样一系列过程则硅纳米晶体最终形成M. 2H稀释浓度对硅纳米薄膜太阳电池性能的影响硅纳米薄膜通常通过H2与SiH4的比例来制备的,它可以钝化悬挂键,对薄膜有腐蚀等作用,H的浓度是影响硅薄膜结晶和太阳电池性能的一个重要参数。如,14研究了不同本征层氢稀释度SH=H2/(H2+SiH4+PH3)与太阳能电池性能参数的关系,文章指出,随着缓冲层氢稀释度的增加,太阳能电池的开路电压减少,短路电流增加较快,但当约Sh>97%时,短路电流迅速减小;填充因子增加不明显,电池效率增加,但约Sh>97%时,有一个突然的减小。他们认为原因可能是缓冲层氢稀释度的增加,掺杂效率提高,费米能级提高,但能隙宽度减小,两者综合效果使开路电压减小;氢稀释度的增加,晶粒变大,载流子迁移率增加,改善上电极对载流子的收集,提高短路电流,但过量的H稀释度,增加腐蚀作用,形成缺陷态,增加复合,减小短路电流。9也做出了与上述相似的结论。14还研究了,不同i层H稀释度与太阳能电池量子效率的关系,文章指出随着氢稀释度增加,短波段的吸收增加,短路电流增加,这个结论与上面的结论相互统如。

  3沉积气压对薄膜性能的影响薄膜性能的关系,文章指出随着沉积气压的增加,硅纳米薄膜结晶程度不断增加,如表1和XRD的3个峰位角强度的变化就可以知道。这个结论,与7的拉曼光谱测试结果是一致的,如。

  表1薄膜的气压变化参数样品号工作气压/Pa 4衬底温度对薄膜性能的影响关系,如表2.文章指出,随着衬底温度的增加,薄膜的带隙宽度不断减小,氢气含量不断增加,暗电导和光电导增加。这种材料可以应用于薄膜太阳电池本征吸收层。

  表2纳米硅和有普通带宽的氢化非晶硅材料的光电特性5 RF功率密度/mW室气压/Torr衬底温度/尤5透明导电薄膜在纳米电池上的应用应用于薄膜太阳能电池的透明导电薄膜,具有较低的电阻率、对可见光具有相当高的透光性、具有对环境的稳定性等特点。这些材料有掺铟氧化锡(ITO)、掺铟氧化锌(IZO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟氧化锡(FTO),掺锑氧化锡(ATO)等。

  对于常规透明导电薄膜(TCO)如:ITO、AZO在近红外区有自由载流子被吸收,限制了纳米硅太阳能电池长波响应M,近来有学者研究了应用于薄膜太阳电池中的掺钼氧化铟(IMO)透明导电薄膜。具有较好的光学特性,如。

  ITO和IMO薄膜透光光谱比较图从可以看出,较一般的ITO透明导电薄膜,IMO薄膜具有更宽的透光波段范围,ITO在1750nm以后的波段范围几乎没有透光,而IMO薄膜则透光率很高,具有良好的光学特性。这种用这样薄膜做成的纳米硅太阳能电池具有较好的量子效率6. 6小结本文综述了太阳能电池的发展历程,阐述了单晶体硅电池、多晶体硅电池、微晶硅电池、薄膜硅电池的性质和特点;阐述了纳米硅薄膜太阳能电池的等离子体增强化学气相沉积制备及沉积理论;论证了H稀释浓度对硅纳米薄膜太阳能电池性能的影响,随着缓冲层氢稀释度的增加,太阳能电池的开路电压减少,短路电流增加较快;阐述了沉积气压和衬底温度对薄膜性能的影响,沉积气压增加,硅纳米薄膜结晶程度不断增加,衬底温度增加,薄膜的带隙宽度不断减小,暗电导和光电导增加;最后讲述了透明导电薄膜在薄膜太阳能电池中的应用情况及光学性质,关于沉积条件对薄膜性能影响我们还在进一步的研究。