太阳能电池TiO_2陷光薄膜的制备与特性研究

【摘要】： 提高光电转换效率是当前太阳能电池亟待解决的问题,在电池表面涂覆一层或多层光学性质匹配的陷光薄膜,减少电池表面光的反射损失,增加光的透射,是一种理想的解决方案。TiO2薄膜在可见光谱区内具有较高的折射率和较低的吸收率,透明波段中心(X=550nm)与太阳光的可见光谱波段相符合,是一种极具竞争力的陷光薄膜材料。 本文利用直流反应磁控溅射法在玻璃和硅衬底上制备了TiO2薄膜,优化了工艺条件；用原子力显微镜、X射线衍射仪、紫外-可见光分光光度计等对样品的表面形貌、晶体结构、可见光透过率等特性进行了表征分析,研究了制备工艺与TiO2薄膜结构性能间的影响规律,提出了通过改变制备工艺单步制备双层陷光薄膜的方法,为降低陷光薄膜的制备成本、提高太阳能电池转换效率提供了新途径。 实验结果表明,薄膜沉积速率随着氧流量比的增大先增大后减小,随着溅射功率的增加而增大,随着溅射气压的增加而减小。用直流反应磁控溅射方法可以制备出表面平整、无缺陷的TiO2薄膜。薄膜经500℃退火后,晶粒大小趋于一致,表面平滑致密,经900℃退火后,原子发生位移,TiO2薄膜由原先的柱状晶粒转变成了棱状晶粒,表面粗糙。在常温下制备的TiO2薄膜为非晶态,300℃退火后薄膜为锐钛矿结构,900℃退火后薄膜由锐钛矿结构转化为金红石结构。 制备的TiO2薄膜在可见光及近红外光范围内均有较高的透射率。薄膜折射率在1.51～2.72(λ=600nm)之间,增加氧气流量比可以制备出低折射率的TiO2薄膜,高温退火可得到高折射率的TiO2薄膜。薄膜消光系数随着退火温度的升高而增大。比起金红石薄膜,锐钛矿薄膜具有更优的光学性能,更适合作陷光薄膜。60nm厚的TiO2薄膜具有很好的减反射效果,平均反射率仅为3.37%。 【关键词】：直流反应磁控溅射 TiO_2薄膜 陷光薄膜 太阳能电池
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 研究背景8-11
• 1.2 硅太阳能电池陷光薄膜的研究现状11-12
• 1.3 TiO_2陷光薄膜的研究进展12-14
• 1.4 TiO_2薄膜常见制备方法14-16
• 1.4.1 溶胶-凝胶法14-15
• 1.4.2 化学气相沉积法15
• 1.4.3 物理气相沉积法15-16
• 1.5 论文的研究目的、意义及内容16-19
• 1.5.1 本论文的研究目的及意义16-17
• 1.5.2 本论文的主要研究工作17-19
• 第二章 陷光薄膜的设计、制备及表征19-37
• 2.1 硅太阳能电池陷光薄膜的设计19-24
• 2.1.1 陷光薄膜的减反射原理19-20
• 2.1.2 单层陷光薄膜的反射率计算及评价公式20-22
• 2.1.3 双层陷光薄膜的设计22-24
• 2.2 TiO_2薄膜的制备24-31
• 2.2.1 磁控溅射原理及设备24-26
• 2.2.2 基片预处理26-27
• 2.2.3 薄膜样品的制备流程27-29
• 2.2.4 薄膜样品的制备方案29-30
• 2.2.5 快速热退火处理30-31
• 2.3 TiO_2薄膜特性与结构的表征31-36
• 2.3.1 厚度32-33
• 2.3.2 表面形貌33-34
• 2.3.3 显微结构34-35
• 2.3.4 透过率35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 TiO_2薄膜制备工艺及微观结构特性研究37-49
• 3.1 工艺参数对薄膜沉积速率的影响37-40
• 3.1.1 氧气流量比对TiO_2薄膜沉积速率的影响37-38
• 3.1.2 溅射功率对TiO_2薄膜沉积速率的影响38-39
• 3.1.3 溅射气压对TiO_2薄膜沉积速率的影响39-40
• 3.2 TiO_2薄膜表面形貌研究40-45
• 3.2.1 氧气流量比对TiO_2薄膜表面形貌的影响41-42
• 3.2.2 溅射功率对TiO_2薄膜表面形貌的影响42-43
• 3.2.4 不同退火温度样品的AFM分析43-45
• 3.3 TiO_2薄膜晶体结构研究45-48
• 3.3.1 物相分析45-47
• 3.3.2 晶粒大小分析47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 TiO_2陷光薄膜的光学特性49-65
• 4.1 TiO_2薄膜的透射率49-53
• 4.1.1 不同制备工艺TiO_2薄膜透射率研究50-52
• 4.1.2 快速退火对TiO_2薄膜透射率的影响52-53
• 4.2 TiO_2薄膜的光学常数53-61
• 4.2.1 TiO_2薄膜的折射率55-58
• 4.2.2 TiO_2薄膜的消光系数58-61
• 4.3 TiO_2薄膜减反射性能分析与讨论61-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 结论65-67
• 参考文献67-74
• 附录 1 AM1.5太阳光光子流密度74-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间主要研究成果78

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