非晶硅锗薄膜太阳能电池研究

【摘要】：由于非晶硅锗材料的光学带隙连续可调，在叠层电池中其被广泛用作中电池和底电池吸收层材料。 本文采用射频-等离子体增强化学气相沉积工艺（RF-PECVD）制备非晶硅锗薄膜，系统研究了不同工艺参数对薄膜沉积速率、光学带隙以及电学性能的影响。在研究范围内随沉积压强和辉光功率增大，薄膜性能先改善后劣化。辉光功率必须和沉积压强结合以控制等离子体性质从而控制离子轰击和等离子体反应。在一定的沉积压强和辉光功率下，反应气体中锗烷浓度增加时，薄膜沉积速率不断增大，光学带隙不断降低，材料电学性能不断衰退，在光学带隙满足目标时，锗烷浓度不能过大。衬底温度升高促进活性基团在生长表面的扩散，薄膜沉积速率和光学带隙随着衬底温度升高不断降低，薄膜结构的弛豫导致电学性能不断提高，但是温度过高会导致缺陷态密度不降反升，电学性能衰退。氢稀释的作用与衬底温度类似，氢稀释提高减少悬挂键密度从而提升材料质量，但是氢稀释过大会导致氢的刻蚀作用加强。通过优化工艺参数，制备出光学带隙为1.5eV，光敏性为6×104的非晶硅锗薄膜。 在高质量非晶硅锗材料的基础上制备了单结非晶硅锗电池，研究了不同窗口层、界面层、本征吸收层厚度以及背反接触层TCO对电池性能的影响。采用p-a-SiC:H窗口层可以提高电池开路电压和短路电流。P/i界面的碳缓冲层和渐变锗缓冲层可以大大提高电池性能，而i/n界面的逆渐变锗缓冲层对电池性能的改善作用不大。本征层厚度必须在光吸收和载流子收集之间取得折中，必须具有一定厚度但是不能超过载流子的收集长度。背反电极接触层TCO减少了背电极金属的吸收损耗从而大幅度提高了短路电流密度和电池转换效率。最终制备出转换效率达到8.6%的单结a-SiGe:H电池。 【关键词】：射频-等离子体化学气相沉积 非晶硅锗 太阳能电池 转换效率
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 非晶硅锗薄膜太阳能电池现状及研究意义10-14
• 1.3 本论文的内容和结构14-16
• 2 非晶硅锗材料与电池基础及其特性表征方法16-27
• 2.1 非晶硅锗材料16-18
• 2.2 非晶薄膜太阳能电池18-19
• 2.3 非晶薄膜沉积基础19-23
• 2.4 材料特性表征方法23-25
• 2.5 电池特性表征方法25
• 2.6 小结25-27
• 3 器件质量级非晶硅锗薄膜的制备27-45
• 3.1 非晶硅锗薄膜制备工艺流程27
• 3.2 工艺参数对非晶硅锗材料性能的影响27-43
• 3.3 小结43-45
• 4 非晶硅锗太阳能电池研究45-55
• 4.1 非晶硅锗太阳能电池制备45-46
• 4.2 电池窗口层研究46-48
• 4.3 电池界面层研究48-51
• 4.4 本征层厚度研究51-52
• 4.5 背接触层研究52-53
• 4.6 小结53-55
• 5 总结与展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-65
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文65

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