采用VHF-PECVD在不锈钢衬底上沉积非晶硅太阳能电池

【摘要】：21世纪,人们面临着能源危机和环境污染的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源成为最具决定影响的技术领域之一。其中,太阳能光伏技术是近年来发展最快、最具活力的可再生清洁能源技术。作为第二代太阳能电池,非晶硅薄膜电池能够降低电池成本,是未来研究应用的热点之一。本论文采用美国进口的七腔室连续MVSystems PECVD沉积系统,优化工艺,在玻璃衬底上得到光电性质良好的非晶硅本征层,并将它应用于不锈钢衬底上的非晶硅薄膜电池中,提高电池的效率。本论文的主要研究内容和结论如下： 首先,采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术(VHF-PECVD,60.293MHZ),在玻璃衬底上制备了氢化非晶硅薄膜。在衬底温度和电极间距恒定的条件下,系统地研究了硅烷浓度、气体流量、气压和功率对a-Si:H薄膜特性的影响。得出如下结论： 1.低硅烷浓度、低压强和低功率,能够获得低沉积速率,光电导和光敏性比较优异的氢化非晶硅薄膜。 2.气体总流量是给薄膜缺陷态带来重大影响的因素之一。不改变其它参数,适量增加气体流量能够提高沉积速率,得到质量较好的薄膜；当气体流量过大时,反应气体的滞留时间变短,薄膜的沉积速率降低,光电导、暗电导和光敏性降低。 其次,将工艺优化的本征层应用于不锈钢衬底上制备的非晶硅太阳能电池中(SS/Ag/AZO/n-a-Si/i/p-a-Si/ITO)。系统的研究了本征层厚度、氢等离子体处理p-i界面、电池面积和背反射极对电池性能的影响。得到以下结论： 1.随着本征层沉积时间增加,电池在300-800nm光波段的量子效率增大,开路电压,短路电流密度增大。在工艺时间2900s,本征层厚度223.3nm时,开路电压是0.96V,填充因子是45.90%,短路电流密度是13.81mA/cm2时,得到电池最大效率6.11%。 2.氢等离子体处理p-i界面能够明显改善非晶硅太阳能电池的性能。电池在黄绿光(560-580nm),黄光(580-595nm)、橙光(595-605nm)和红光(605～700nm)波段光的量子效率显著提高,最大值从84.25%增加到89.87%。开路电压、短路电流和电池效率也有显著增加,分别由0.95V增加至0.97V、由12.45mA/cm2增加到17.43mA/cm2,由5.81%增加到6.41%,然而填充因子降低。 3.相同工艺条件下制备的大面积太阳能电池(0.25cm2),电池的短路电流密度不变,仅仅与制备工艺条件有关,与电池面积大小无关；填充因子有大幅度的降低,这可能归因于,电池面积增大后电池的内阻显著增加,造成填充因子降低。总之,太阳能电池面积近增大后,电池的效率与开路电压和填充因子有关,主要取决于填充因子。 4.背反射极能够提高540-800nm光波段光的量子效率,提高短路电流密度和电池效率。取消背反射极后(SS/n-a-Si/i/p-a-Si/ITO),电池效率由6.23%下降到5.19%,这可能归因于背反射极对电池的电流密度和填充因子影响很大,进而影响电池的效率。该结论对于制作非晶/微晶叠层电池对光的吸收,同样有重要的意义。 【关键词】：非晶硅薄膜 本征层 等离子体增强化学气相沉积 太阳能电池
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 非晶硅薄膜12-17
• 1.2.1 非晶硅薄膜的性质12-14
• 1.2.2 非晶硅薄膜的生长机理14-17
• 1.3 非晶硅太阳能电池17-20
• 1.3.1 非晶硅太阳能电池的研究现状17-18
• 1.3.2 非晶硅太阳能电池的原理18-20
• 1.4 本论文的研究内容及意义20-21
• 第2章 非晶硅薄膜及电池的制备和表征方法21-33
• 2.1 Multi-Chamber PECVD沉积系统21-24
• 2.1.1 Multi-Chamber PECVD沉积系统21-24
• 2.2 Multi-Chamber PECVD操作系统24-26
• 2.3 非晶硅太阳能电池的制备流程26-27
• 2.4 非晶硅薄膜和太阳能电池的表征方法27-32
• 2.4.1 非晶硅薄膜厚度的测量28
• 2.4.2 非晶硅薄膜结构特性测量28-29
• 2.4.3 非晶硅薄膜电学特性的测量29
• 2.4.4 非晶硅电池的J-V特性测量29-31
• 2.4.5 非晶硅电池的QE特性测量31-32
• 2.5 小结32-33
• 第3章 沉积条件对a-Si：H薄膜性能的影响33-43
• 3.1 浓度和流量对薄膜性质的影响33-38
• 3.1.1 氢气量恒定,改变硅烷的量33-35
• 3.1.2 硅烷量恒定,改变氢气的量35-36
• 3.1.3 硅烷量恒定,高氢气稀释36-38
• 3.2 压强对薄膜性质的影响38
• 3.3 功率对薄膜性质的影响38-40
• 3.4 小结40-43
• 第4章 工艺条件对太阳能电池性能的影响43-55
• 4.1 本征层厚度的影响43-47
• 4.2 界面氢等离子体处理的影响47-48
• 4.3 面积对电池的影响48-52
• 4.4 背反射极的影响52-53
• 4.5 小结53-55
• 第5章 总结与展望55-57
• 5.1 总结55-56
• 5.2 展望56-57
• 参考文献57-63
• 致谢63-65
• 攻读硕士学位期间的研究成果65

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