硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池的制备与特性探索

【摘要】：纳米硅量子点由于量子限制效应等带来的特殊的物理性质和优异性能,在硅基发光器件和太阳能电池中有着潜在的应用前景。特别是镶嵌于绝缘基质中的硅量子点太阳能电池,是当前新一代太阳能电池的研究热点之一。考虑到载流子的隧穿和收集效率过低对太阳能电池光伏特性的限制,相比于氧化硅和氮化硅材料,将纳米硅量子点镶嵌在非晶碳化硅这一禁带宽度较小的介质层中有可能提高光伏器件的性能,因而受到了人们越来越多的关注。本论文选择了基于硅量子点／非晶碳化硅周期性多层结构的异质结太阳能电池作为研究对象,主要工作集中在电池的制备、结构表征以及光电性质的研究方面。制备了非晶硅子层厚度相同碳化硅子层厚度不同的非晶硅/碳化硅周期性多层结构,经过热退火等后处理过程,获得了纳米硅量子点/非晶碳化硅多层结构材料,进而构建了异质结太阳能电池结构。通过对电池结构光电性质的研究,探讨了改变退火温度和介质势垒层厚度对太阳能电池光伏特性的影响。 本论文的主要研究内容和结果如下： 1.在常规PECVD系统中在反应气体流量比R=[CH4]/[SiH4]=50:5的条件下制得了氢化非晶SiC薄膜,利用XPS、 Raman和FTIR等手段对样品的结构进行了分析,结果表明制备出的薄膜为C/Si元素组分比约为0.36的富硅非晶碳化硅薄膜,厚度为380nm。通过椭偏和光吸收谱的测量计算出样品的光学带隙约为2.35eV,在可见光范围内的吸收系数均在103cm-1以上。薄膜的室温光电导率和暗电导率分别为4×10-8S/cm和6×10-10S/cm,光暗电导比接近两个数量级。说明我们制备出的氢化非晶碳化硅薄膜具有较好的薄膜质量,可以应用到纳米硅基多层结构材料中。 2.在对单层非晶碳化硅薄膜研究的基础上,利用PECVD技术制备了非晶硅子层厚度为4nm,碳化硅子层厚度分别为2nm和4nm两种的非晶硅／非晶碳化硅周期性多层膜,采用热退火处理获得了硅量子点／碳化硅周期性多层结构。通过Raman和TEM等表征手段,看到了清晰平整的周期性层状结构并观察到了晶化的纳米硅量子点,发现退火温度的升高有助于提高晶化比率。对于Si(4nm)/SiC(4nm)多层结构1000℃退火后样品,得到了69%的晶化比率和尺寸约为5.7nm的硅量子点。 3.进一步构建了具有不同SiC厚度的硅量子点／非晶碳化硅异质结太阳能电池器件结构。经过测量和比较两种多层结构的透射率和反射率得到光吸收率和吸收系数谱线,发现硅量子点密度较大的多层膜材料的光吸收较强。通过测量两种结构电池的电流-电压曲线,分析了载流子输运机制,发现两种结构在大约V0.6V时FN隧穿的导电机制占主要地位。在AM1.5(100mW/cm2)的模拟太阳光照射下测量了电池器件的转换效率和外量子效率,结果表明,减小碳化硅子层厚度有利于载流子隧穿效率的提高,也提高了载流子收集效率,使得电池的能量转换效率和外量子效率都得到显著改善。初步得到了能量转换效率为3.73%,500～900nm光谱范围外量子效率60%以上的硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池。 【关键词】：硅量子点 非晶碳化硅 太阳能电池 光伏特性
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景11-13
• 1.2 硅基太阳能电池研究进程与现状13-17
• 1.3 本论文的主要内容17-19
• 参考文献19-21
• 第二章 氢化非晶碳化硅薄膜制备与光电性质研究21-34
• 2.1 引言21-22
• 2.2 单层氢化非晶碳化硅薄膜制备22-25
• 2.2.1 PECVD技术介绍22-24
• 2.2.2 PECVD法制备单层氢化非晶碳化硅薄膜24-25
• 2.3 氢化非晶碳化硅薄膜结构与光电性质研究25-31
• 2.4 本章小结31-33
• 参考文献33-34
• 第三章 硅量子点/非晶碳化硅周期性多层膜的制备与结构表征34-44
• 3.1 引言34-35
• 3.2 硅量子点/非晶碳化硅周期性多层结构的研究35-40
• 3.2.1 硅量子点/非晶碳化硅周期性多层膜的制备35-36
• 3.2.2 硅量子点/非晶碳化硅周期性多层膜结构表征36-40
• 3.3 硅量子点/非晶碳化硅异质结太阳能电池的制备40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 参考文献43-44
• 第四章 硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池光伏特性研究44-57
• 4.1 引言44-45
• 4.2 硅量子点/非晶碳化硅多层结构光吸收研究45-47
• 4.3 硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池光伏特性47-54
• 4.3.1 硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池光伏特性的测量47-48
• 4.3.2 硅量子点/非晶碳化硅多层结构太阳能电池光伏特性结果分析48-54
• 4.4 本章小结54-56
• 参考文献56-57
• 第五章 总结与展望57-60
• 5.1 本论文的主要结论57-58
• 5.2 对今后工作的展望58-60
• 硕士期间发表论文60-61
• 致谢61-63

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