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硅基三结叠层电池因其高效率高稳定性潜力而成为进一步提升硅基薄膜太阳电池性能的重要途径,而非晶硅锗薄膜材料(a-SiGe:H)因其高吸收系数及可适配的光学带隙等光学特性则成为其中间子电池本征层材料的首选。然其随锗掺杂而劣化的材料特性却限制了非晶硅锗电池以及三结叠层电池性能的进一步提升,故亟需新技术以突破瓶颈。本论文采用RF-PECVD技术,在器件质量级非晶硅锗材料基础上,针对非晶硅锗材料应用于电池结构时出现的问题,以获得宽光谱响应、优良电学性能、可适用于三结叠层中间子电池的高效非晶硅锗单结电池为目标,从器件结构设计角度对非晶硅锗电池电学以及光学结构的调制进行了系统研究和探索。同时将其应用于非晶硅／非晶硅锗／微晶硅(a-Si:H/a-SiGe:H/μc-Si:H)三结叠层电池中间子电池,以实现与其它子电池间无损内连为目标,系统研究了三结叠层电池顶／中以及中／底隧穿复合结结构等的调制。本论文主要研究内容及成果包括如下几方面：第一、针对锗掺入而导致的非晶硅锗本征层材料质量劣化及电场屏蔽效应增强,并由之而产生的体复合问题和P/I、I/N界面失配及界面缺陷态密度增大导致的界面复合问题,①通过对P/I界面不同非晶硅(a-Si:H)缓冲层带隙进行研究,结果表明合适带隙高质量a-Si:H缓冲层在P/I界面处可有效改善界面失配、降低界面缺陷态密度以及电场屏蔽效应,从而显著提高其电学性能。②在界面优化基础上,研究了本征层梯度带隙结构斜率符号对电池性能的调制作用。结果表明：正偏压下荷电缺陷层不同的充放电过程是不同梯度斜率符号时填充因子存在差异的原因。采用正斜率梯度结构的非晶硅锗电池可有效降低电场屏蔽效应对空穴输运和收集性能的影响,有效提高填充因子。③通过对高低锗含量(42%和30%)a-SiGe:H电池优化电学结构进行研究,首次提出对不同锗含量非晶硅锗电池适用的优化电学结构,由此制备的高锗含量非晶硅锗电池可实现与低锗电池相近的电学性能,并为选择不同带隙高电学性能中间电池以制备电流匹配和高电学性能三结叠层电池提供有力指导。④针对高锗含量相对于低锗含量电池更强的电场屏蔽响应问题,首次提出了基于线性带隙梯度的微调结构。结果证明通过降低P/I界面附近体区锗掺杂可有效促进体区空穴输运,并进一步提升高锗含量非晶硅锗电池填充因子。⑤首次发现合适氧含量的n型微晶硅氧可通过降低漏电流的方式来调制非晶硅锗电池电学性能的功能,该方法使得PIN型非晶硅锗单结电池填充因子得到有效提升,并由此获得了高达70.05%的填充因子,其在已见关于PIN型非晶硅锗电池文献报道中为最高。第二、在对非晶硅锗电学结构调制的基础上,进行了其光学结构调制的研究。①从衬底表面形貌分析、光散射分析、光吸收模拟以及实验制备等不同方面,对不同腐蚀时间溅射后腐蚀ZnO:Al衬底表面尺寸对非晶硅锗光学性能的影响研究得出：在不损失电池电学特性的同时,可优化衬底表面特征尺寸以最大化非晶硅锗本征层光吸收,1.48eV带隙非晶硅锗单结电池最优横纵向特征尺寸为(168nm,732nm)。②通过研究n-μc-Si:H/n-μc-SiOx:H双n层结构对非晶硅锗光电性能的影响,首次发现除其电学增益作用外,形成的梯度折射率结构可显著提升非晶硅锗电池长波响应。基于此提出的梯度折射率n型硅氧结构相对于恒定折射率结构可在保持电池长波响应同时,一定程度上提高其电学特性。③在对P型纳米硅层以及降低硼含量的窗口层单独用于a-SiGe:H电池的研究基础上,提出了两者相结合的双P层结构。结果表明：该结构窗口层通过结合纳米硅P层高透过率和低硼含量窗口层对界面带隙匹配作用,可在保持电学特性的同时,显著提高非晶硅锗电池的短波响应。④基于电光结构调制的非晶硅锗电池优化工艺,本论文未采用背反射结构的a-SiGe:H单结电池最高效率达到9.70%(Voc=775.90mV, FF=65.10%, Jsc=19.21mA/cm2),采用ZnO:B/Ag/Al背反射结构的a-SiGe:H单结电池最高初始效率达到10.59%(Voc=744.70mV, FF=66.79%, Jsc=21.29mA/cm2),达到国内领先国际先进水平。第三、对电光结构调制的非晶硅锗电池应用于a-Si:H/a-SiGe:H/nc-Si:H三结叠层电池时,与非晶硅顶电池以及微晶硅底电池之间的隧穿复合结结构调制等进行了研究。①针对无法直接对隧穿复合结性能进行测量的问题,提出相对于传统n/p结或者pin/p诊断方法,可快速准确诊断顶／中及中／底电池电学性能的单、双及三结电池对比分析法。②研究了n-μc-SiOx:H插入中／底隧穿复合结时对三结叠层电池性能的影响,提出了插入n-μc-SiOx:H层的低电学性能损失中／底隧穿复合结结构,结果表明：该结构可实现中／底电池低损内连以及中间电池短路电流密度提升的双赢。③在结构良好设计的高性能顶、中、底子电池的基础上,通过采用对比分析法成功寻找到三结叠层电池性能损失的根源,结果证明：中间电池采用低激活能p型微晶硅层,可为隧穿复合结处光生空穴输运提供辅助以进行有效复合,进而提高隧穿复合结性能,降低开路电压损失。由此获得的a-Si:H/a-SiGe:H双结叠层电池在总本征层厚度为290nm时初始效率达11.63%(Voc=1.75V, FF=67.97%, Jsc=9.77mA/cm2).④针对单结及其作为中间子电池所处光谱环境不同导致开路电压和填充因子存在差异的问题,首次提出通过改变P/I界面缓冲层厚度降低填充因子以补偿开路电压的方法,其可在填充因子保持的前提下,显著提高三结叠层电池的开路电压,进而提高其电池效率。⑤在非晶硅、非晶硅锗、微晶硅子电池结构,顶/中以及中/底隧穿复合结结构调制,并微调非晶硅锗中间子电池结构的基础上,获得最佳初始效率达15.06%(Voc=2.20V, Jsc=9.04mA/cm2, FF=75.93%)的a-Si:H/a-SiGe:H/μc-Si:H三结叠层电池(有效面积0.253cm2),达国内领先,国际先进水平。