硼磷补偿晶体硅的基本性质及其光伏应用研究

【摘要】：太阳能光伏发电是一种非常重要的可再生能源。晶体硅太阳电池作为目前光伏市场的主要产品,占据了90%以上的份额,并在今后很长一段时间内仍将占据主导地位。因此,降低晶体硅太阳电池成本是产业界和学术界一直追求的主要目标之一。使用低成本的多晶硅原材料,如物理冶金法提纯的硅(UMG硅),能显著降低太阳电池的制作成本,其研究和开发成为目前的关注重点。由于其提纯路线的工艺特点,UMG硅中往往同时含有高浓度的硼和磷杂质,它们在硅中分别提供空穴和电子,因此硼磷补偿效应是影响UMG硅及其制备的太阳电池性能的最关键因素。 本文研究了硼磷补偿晶体硅的基本性质及其太阳电池的性能,这些研究结果对于实际生产中使用低成本UMG硅来制备高效率晶体硅太阳电池具有重要的指导意义,其主要的创新结果如下： (1)研究了硼磷补偿对晶体硅基本性质的影响。研究发现：晶体硅中硼磷补偿共掺杂基本不影响各自的分凝系数。具有4个与硼磷能级相关的施主受主对光致发光峰；通过对其中无声子辅助的施主受主对的发光峰进行变温研究,获得了补偿硅中硼和磷的电离能。研究指出：净掺杂浓度是影响p型和n型硼磷补偿硅中载流子寿命的重要因素,净掺杂浓度越低,载流子寿命越高。同时,硼磷补偿增加了晶体硅中的电离杂质散射强度,同时降低了多子和少子的迁移率。 (2)研究了硼磷补偿晶体硅太阳电池与普通晶硅太阳电池的性能差异。研究发现：硼磷补偿晶体硅太阳电池具有相对较高的开路电压和填充因子,从而可以平衡掉低少子迁移率引起较低短路电流的影响,使得其最终可以具有与普通晶体硅太阳电池相同的转换效率。研究还发现：高浓度硼磷补偿掺杂的晶体硅太阳电池在室温光照下性能衰减非常严重,其绝对效率衰减高达3-4%；进一步高温同时光照,可以生成低复合活性的硼氧复合体第三态,使衰减的电池性能回复到初始值,而且证实硼原子直接参与了太阳电池中硼氧复合体第三态生成过程。研究还证实：在弱光下,硼磷补偿晶体硅太阳电池发电性能略弱于普通晶体硅太阳电池,主要是由补偿硅中高浓度硼氧复合体限制的载流子寿命的注入浓度效应引起的；而在高温下,硼磷补偿晶体硅太阳电池发电性能优于普通晶体硅太阳电池,主要归因于补偿硅中少子迁移率随温度变化较低的波动性。 (3)研究揭示了两种不同的补偿度对晶体硅及太阳电池性能的影响机理。研究发现：在相同硼浓度下,随补偿度增加,空穴迁移率显著下降,而电子迁移率几乎保持不变,补偿硅中由硼元素和金属杂质限制的载流子寿命均增加使得少子扩散长度增加,短路电流得到了大幅提升,而开路电压由于减少的净掺杂浓度和增加的过剩载流子浓度对其相反的效应先下降后增加,最终太阳电池效率随补偿度增加而增加。在相同净掺杂浓度下,随补偿度增加,空穴和电子迁移率均显著下降,使得少子扩散长度减小,导致短路电流显著减少,而开路电压由于漏电流的减小得到轻微提升,最终太阳电池效率随补偿度增加而轻微地减小,但此时的高补偿度太阳电池在高温下具有更优异的发电性能。 (4)研究了新型的n型硼磷补偿晶体硅背发射结太阳电池的性能。实验指出：铝合金化发射结深度对背发射结太阳电池开路电压有非常大的影响,较浅的发射结深度可能会导致漏流通道进而严重限制开路电压。背发射结太阳电池短路电流主要被n型补偿硅中的中等少子扩散长度所限制,中等少子扩散长度主要来源于n型补偿硅中较高的净掺杂浓度和掺杂剂总量。结合实验结果,PC1D模拟计算表明：使用较薄的n型补偿硅片可以大幅提高背发射结太阳电池短路电流,从而能有效提高电池效率。 【关键词】：晶体硅太阳电池 硼磷补偿 补偿度 电池效率 光衰减 弱光效应 温度系数 铝合金化背发射结
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第一章 前言13-17
• 第二章 文献综述17-41
• 摘要17
• 2.1 引言17-18
• 2.2 太阳电池用多晶硅原材料的制备技术18-22
• 2.2.1 西门子法18-19
• 2.2.2 硅烷法19-20
• 2.2.3 物理冶金法20-21
• 2.2.4 其他方法21-22
• 2.3 太阳电池的工作原理及其制备22-27
• 2.3.1 太阳电池工作原理22-26
• 2.3.2 晶体硅太阳电池的制备26-27
• 2.4 晶体硅太阳电池中的光衰减效应27-38
• 2.4.1 光衰减缺陷成分及电学特性27-30
• 2.4.2 补偿晶体硅中硼氧复合体特性30-34
• 2.4.3 硼氧复合体的第三态34-37
• 2.4.4 抑制硼氧复合体的措施37-38
• 2.5 目前尚存在的问题38-41
• 第三章 实验样品与研究方法41-49
• 摘要41
• 3.1 实验样品41-43
• 3.1.1 直拉硅单晶的生长41
• 3.1.2 样品制备41-42
• 3.1.3 太阳电池制备42-43
• 3.2 研究方法及测试设备43-49
• 3.2.1 微波光电导衰减仪(MW-PCD)44
• 3.2.2 准稳态光电导仪(QSSPC)44-45
• 3.2.3 光致荧光光谱仪(PL)45-46
• 3.2.4 霍尔效应测试仪(HALL)46-47
• 3.2.5 太阳电池效率测试仪47
• 3.2.6 太阳电池仿真计算软件PC1D47-49
• 第四章 硼磷补偿晶体硅的基本性质研究49-63
• 摘要49
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验50-52
• 4.2.1 补偿晶体硅中硼和磷浓度的测量50
• 4.2.2 硼磷补偿晶体硅光致发光的测量50-51
• 4.2.3 硼磷补偿晶体硅载流子寿命的测量51
• 4.2.4 硼磷补偿晶体硅载流子迁移率的测量51-52
• 4.3 硼磷补偿掺杂对晶体硅分凝系数影响的研究52-53
• 4.4 硼磷补偿掺杂对晶体硅光致发光性能影响的研究53-57
• 4.5 硼磷补偿掺杂对晶体硅载流子寿命影响的研究57-58
• 4.6 硼磷补偿掺杂对多子少子迁移率影响的研究58-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第五章 硼磷补偿晶体硅太阳电池性能的研究63-87
• 摘要63
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验64-66
• 5.2.1 硼磷补偿晶体硅太阳电池的制备64-65
• 5.2.2 光衰减测试65
• 5.2.3 硼氧复合体第三态回复测试65
• 5.2.4 弱光效应测试65-66
• 5.2.5 温度系数测试66
• 5.3 硼磷补偿晶体硅太阳电池的初始效率研究66-71
• 5.4 硼磷补偿晶体硅太阳电池的光衰减效应研究71-73
• 5.5 硼磷补偿晶体硅太阳电池中硼氧复合体第三态回复的研究73-77
• 5.6 硼磷补偿晶体硅太阳电池的弱光效应研究77-82
• 5.7 硼磷补偿晶体硅太阳电池的温度系数研究82-85
• 5.8 本章小结85-87
• 第六章 补偿度对硼磷补偿晶体硅太阳电池的性能影响研究87-109
• 摘要87
• 6.1 引言87-88
• 6.2 实验88
• 6.3 相同硼浓度下补偿度对硼磷补偿晶体硅太阳电池性能影响88-101
• 6.3.1 理论计算88-99
• 6.3.1.1 不完全电离88-91
• 6.3.1.2 载流子迁移率91-93
• 6.3.1.3 载流子寿命93-95
• 6.3.1.4 少子扩散长度95-96
• 6.3.1.5 太阳电池性能96-99
• 6.3.2 实验验证99-101
• 6.4 相同净掺杂浓度下补偿度对硼磷补偿晶体硅太阳电池性能影响101-108
• 6.4.1 载流子迁移率102-103
• 6.4.2 少子扩散长度103-104
• 6.4.3 短路电流104
• 6.4.4 开路电压104-105
• 6.4.5 填充因子105-106
• 6.4.6 电池效率106
• 6.4.7 高温发电性能106-108
• 6.5 本章小结108-109
• 第七章 硼磷补偿晶体硅背发射结太阳电池的性能研究109-117
• 摘要109
• 7.1 引言109
• 7.2 实验109-111
• 7.3 太阳电池性能表征及提升效率因素探讨111-116
• 7.4 本章小结116-117
• 第八章 总结117-119
• 参考文献119-133
• 致谢133-135
• 个人简历135-136
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果136-137

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