基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验与仿真研究

【摘要】：非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比,具有工艺简单、成本低、能耗少等优点。但是,由于非晶硅薄膜材料自身的缺陷及光致衰减效应的存在,电池的转换效率较低、性能稳定性较差,阻碍了非晶硅薄膜太阳电池的应用。 影响非晶硅薄膜太阳能电池性能的因素主要有两个方面：一是各层薄膜材料自身的特性；二是薄膜太阳能电池结构的设计。本文基于非晶硅薄膜太阳能电池开展基础实验研究,包括透明电极TCO表面处理、窗口层a-SiC:H薄膜材料结构和性能研究以及TCO/p电接触特性研究。在此基础上,采用半导体器件仿真软件AMPS-ID对电池性能进行仿真计算,优化电池的各层材料和器件结构。论文的研究内容和主要研究结果如下： (1)盐酸对AZO表面处理能得到良好的绒面结构,腐蚀时间为20s时,绒面效果最好。用浓硫酸对ITO表面进行处理,发现粗糙度随着腐蚀时间的延长,先大后小,说明ITO表面污染物和Sn氧化物被渐渐处理掉,表面变得平滑,这样可以提高其功函数,从而提高电池性能。 (2)随着混合气体中CH4流量比例的增加,a-SiC:H薄膜的沉积速率随之降低。FTIR测试发现,CH4比例增加使得薄膜中C-C和Si-C键数目和强度得到提高；UV-vis测试可知,CH4流量比例增加使a-SiC:H薄膜的光学带隙得到升高。 (3)稀盐酸对AZO绒面处理时间存在最优值20s,此时AZO/a-SiC:H电接触特性最佳。当浓硫酸对ITO表面处理时间为10s或15s时,均获得了良好的欧姆接触。FTO/a-SiC:H能获得良好的欧姆接触,其接触电阻小于表面未经处理的AZO/a-SiC:H。p型a-SiC:H薄膜沉积过程中CH4/CH4+SiH4流量比R对TCO/a-SiC:H电接触特性有较明显的影响,R较小时有更好的电接触特性。 (4)仿真结果表明,ITO功函数的提高能有效提高非晶硅电池性能。当p层厚度选择为10nm、光学带隙在2eV～2.2eV之间变化、掺杂浓度(等效为浅受主浓度)略大于1×1020/cm3时,电池性能最好。i层厚度及其缺陷态密度对非晶硅电池性能起关键作用,其最佳厚度取值为600nm左右,此时缺陷态较少,而薄膜电池的性能较佳。 【关键词】：氢化非晶硅薄膜 太阳能电池 TCO表面绒化 非晶碳化硅薄膜 仿真
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能电池的发展概况11-16
• 1.2.1 太阳能电池的发展历史和产业现状11-13
• 1.2.2 薄膜太阳能电池13-16
• 1.3 非晶硅薄膜材料及其光伏应用16-23
• 1.3.1 非晶硅薄膜结构16-17
• 1.3.2 非晶硅薄膜制备方法17-18
• 1.3.3 非晶硅薄膜的光致衰减效应18-19
• 1.3.4 非晶硅薄膜太阳能电池19-23
• 1.4 研究目标、研究内容及技术路线23-25
• 1.4.1 研究目标23
• 1.4.2 研究内容23-24
• 1.4.3 技术路线24-25
• 第二章 非晶硅薄膜太阳能电池的物理和材料基础25-37
• 2.1 p-n结理论25-29
• 2.1.1 p-n结的能带结构和电流电压特性25-27
• 2.1.2 a-Si：H的p-n结和p-i-n结27-28
• 2.1.3 光生伏特效应28-29
• 2.2 透明导电氧化物(TCO)薄膜概述29-31
• 2.2.1 TCO薄膜特性和制备29-30
• 2.2.2 太阳能电池用TCO薄膜的发展30-31
• 2.3 一维光电子结构分析模型(AMPS-1D)的理论基础31-37
• 2.3.1 基本方程31-33
• 2.3.2 非平衡载流子的复合理论33-35
• 2.3.3 太阳能电池模型建立和参数选取35-37
• 第三章 试样制备与性能测试37-44
• 3.1 试样制备37-41
• 3.1.1 RF-PECVD沉膜系统37
• 3.1.2 原附材料和基片准备37-39
• 3.1.3 a-SiC：H薄膜的制备39-40
• 3.1.4 TCO/p结的制备40-41
• 3.2 表征与测试方法41-44
• 3.2.1 原子力显微分析41
• 3.2.2 紫外-可见光谱(UV-Vis)41-42
• 3.2.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)42-43
• 3.2.4 模拟太阳光测试系统43-44
• 第四章 基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验研究44-57
• 4.1 透明导电薄膜(TCO)表面处理的研究44-48
• 4.1.1 AZO薄膜制备44-45
• 4.1.2 AZO薄膜绒面设计45-46
• 4.1.3 浓硫酸处理对ITO薄膜表面形貌的影响46-48
• 4.2 a-SiC：H薄膜研究48-52
• 4.2.1 CH4流量比例对薄膜沉积速率的影响48-49
• 4.2.2 FTIR光谱分析49-50
• 4.2.3 光学带隙研究50-52
• 4.3 TCO/p接触特性研究52-55
• 4.3.1 AZO/a-SiC：H接触特性52-53
• 4.3.2 ITO/a-SiC：H接触特性53-54
• 4.3.3 FTO/a-SiC：H接触特性54-55
• 4.3.4 不同CH_4流量比例a-SiC：H与TCO接触特性55
• 4.4 本章小结55-57
• 第五章 非晶硅薄膜太阳能电池的仿真研究57-68
• 5.1 ITO功函数对电池性能的影响57-58
• 5.2 窗口层(p层)的优化58-63
• 5.2.1 窗口层厚度的选择58-60
• 5.2.2 窗口层光学带隙对电池性能的影响60-61
• 5.2.3 窗口层掺杂浓度对电池性能的影响61-63
• 5.3 吸收层(i层)的优化63-67
• 5.3.1 i层厚度的设计63-65
• 5.3.2 缺陷态密度对电池性能的影响65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68
• 6.2 工作不足68-69
• 6.3 展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 攻硕期间取得的研究成果75

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