多结电池的叠层结构既能拓宽对太阳光谱的响应范围,又有利于提高电池的稳定性,因而成为进一步提升硅基薄膜太阳电池性能的重要途径,而子电池之间插入的中间层因其具有反射短波光,提高顶电池的电流密度,进而提高电池的转换效率和稳定性等特点,成为硅基薄膜叠层电池的研究重点之一。然而,中间层的作用机理及材料特性的研究还处于婴儿期,同时还需寻求新材料以突破瓶颈。本论文采用等离子体增强化学气相沉积及磁控溅射技术,以硅基薄膜叠层电池为研究对象,针对如何进一步提高叠层结构电池的转换效率与稳定性这一问题,对中间层的结构、原理、材料及器件进行了系统的研究和探索。本论文主要研究内容及成果包括如下几方面:第一,基于叠层结构的硅基薄膜太阳电池的理论设计、模拟与计算。1)研究先进的光管理并优化设计叠层结构。研究硅基薄膜叠层电池的先进光管理技术,研究如何合理的分配及有效的利用子电池界面处的透射光,研究中间反射层以提高非晶硅子电池的短路电流密度,减少光致衰减率,优化设计子电池吸收层厚度及光学带隙以提高电池整体转换效率及稳定性;2)叠层结构的光学模拟与理论计算。对叠层电池各子电池之间的中间层进行模拟研究,分别设计基于中间反射层的具有选择性反射作用的光学模型和基于隧道结的隧穿复合理论的电学模型,计算中间反射层处的可见光反射率和隧道结处的光生载流子复合速率,计算最优中间反射层材料的折射率和厚度匹配关系,通过模拟计算得出中间反射层的折射率和厚度的最优关系为:折射率约为1.59,厚度约为94.3 nm,且厚度与折射率的关系式为d=150/n(nm);3)优化中间层材料的制备工艺。研究气体流量、沉积压强、射频功率、衬底温度等对中间层材料的沉积速率、氧含量、晶化率、光学带隙和折射率等光电性质的影响。第二,基于叠层结构的新型隧穿反射层概念研究。1)提出新型隧穿反射层概念。针对目前叠层结构研究的不足之处,提出兼具中间反射层的陷光性能和隧道结的隧穿性能的隧穿反射层概念。此隧穿反射层一方面起到中间反射层的作用,解决叠层电池内部的陷光问题,另一方面优化了叠层太阳电池的隧道结,解决顶、底电池内部对光生载流子的有效收集问题;2)建立隧穿反射层材料体系的选择原则。低折射率、高电导率、宽带隙、高缺陷态密度等要求成为性能优异的隧穿反射层材料的选择原则。第三,新型隧穿反射层材料的制备与性能研究。结合实验室现有的条件,提出利用磁控溅射法制备掺铝的硅氧薄膜a-SiO_x:Al,研究退火温度对提高硅氧薄膜晶化率的影响机制,研究铝掺杂量对薄膜折射率的影响机制。实验调整腔室内的溅射压强,不同靶材的溅射功率、溅射时间,金属Al的掺杂量,成品的退火温度及退火时间等工艺参数,制备出具有低折射率、高电导率、宽带隙以及高缺陷态密度等要求的隧穿反射层材料。第四,研究成果与器件级电池的结合。结合先进光管理技术和新型隧穿反射层技术,设计单结、双结和多结叠层硅基薄膜太阳电池结构;采用PECVD系统,将N型μc-SiO_x:H薄膜优化设计于单结微晶硅电池的背反射层,三结叠层硅基合金薄膜电池的双功能N型层,将P型μc-SiO_x:H薄膜优化设计于双结非晶硅/微晶硅叠层电池的P型窗口层,制备出转换效率为6.8%的单结微晶硅太阳电池,转换效率在13%以上的高效非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池和转换效率接近14%的高效非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗三结叠层太阳电池。