从古至今，能源都是关系国计民生，经济发展和社会进步的重要因素。人类对于能源的利用伴随着整个人类社会发展的历史。近年来，随着传统能源储量的不断消耗，以及人们对于环境和碳汇经济的关注，清洁能源越来越受到人们的重视。　　在众多清洁能源中，太阳能，作为一种取之不尽的绿色可再生能源，被认为是未来人类使用能源的主要方式之一。而利用光伏效应，可以将太阳能和当今人类生产和生活中最通用的能源形式--电能结合起来，是人类利用太阳能的一种重要形式。　　硅太阳能电池，由于其原材料丰富，大规模生产技术成熟，一直以来是使用最广泛的太阳能电池。然而，受硅材料本身性质所限，传统结构的硅基太阳能电池难以突破单结电池的Shockley-Queisser(S-Q)极限效率，其对于太阳光谱的紫外短波和红外长波部分均有不同程度的损失。近年来，人们尝试采用新的技术手段和新的物理思路，来制备新概念的太阳能电池，通过对宽光谱的响应，以期获得超过S-Q限制的电池效率。　　在这些新概念的技术手段中，利用杂质光伏效应来提高电池的效率是一种很有潜力的方式。杂质光伏效应，即杂质带工程，是指在半导体材料的禁带中形成深能级中间带，该中间带可以在相应能量光子的照射下，吸收电子从价带跃迁到中间带，并且从中间带跃迁到导带，从而实现光生载流子的产生以及双光子吸收过程。从理论来说，杂质中间带太阳能电池可以在不降低开压的情况下，有效的利用原先未能利用的低能光子，从而提升了电池的输出电流和转换效率。因此，杂质中间带电池采用单结结构，将对可见和红外光的吸收兼容于一体，制作工艺简单，对于单结全光谱响应有重要的意义。　　本论文从理论和实验两个方面对杂质光伏效应在硅太阳能电池中的应用进行了研究。理论分析了母体材料的带隙宽度，杂质深能级所处的位置，掺杂浓度以及掺杂材料的发射截面和俘获截面等因素对于硅基杂质中间带太阳能电池特性的影响。实验上，回顾了实验室在单晶硅中制备中间带材料的工作基础，并且在非晶硅材料中制备了高浓度掺杂钛的材料，并且对其制备条件、材料结构、光学性质以及光电转换性质进行了研究。本论文重点针对掺杂钛元素对晶体硅太阳能电池性能的相关影响展开了较为深入地分析和讨论，通过讨论中间能级所引入的杂质吸收以及非辐射复合中心对于载流子产生和复合速率的影响，较好的解释了试验中观测到的可见光响应下降而红外光响应提高的实验结果。　　本论文的主要工作如下：　　1.采用细致平衡原理的分析方法，对硅基中间带太阳能电池的理论最大效率极限进行了分析和计算。模拟结果表明，在全聚光的条件下，单晶硅太阳能电池的最大效率可以从传统单结电池的41％上升到采用中间带结构的54％，对应中间带位置为距离导带或价带0.36eV处。而对于非晶硅太阳能电池(带隙为1.7eV时)而言，采用中间带结构以后，其理论最大效率可以上升到62.47％。　　2.为了更准确的分析杂质元素对于硅太阳能电池的影响，本论文细致讨论了中间能级所带来的非辐射复合中心对于太阳能电池性能的影响。首次针对掺钛的中间能级晶硅太阳能电池的性质进行了理论分析和数值计算。得到了掺杂钛的晶体硅材料的吸收系数，计算了掺杂浓度与杂质中间能级电池效率、短路电流、QE曲线之间的关系。模拟结果表明：钛能级的引入带来了大量的非辐射复合，给太阳能电池的性能带来了负面的影响。形成钛杂质能带是抑制非辐射复合的唯一可能出路。　　3.讨论了载流子俘获截面对电池性能的影响，提出了理想杂质元素必须具有合适的能级位置和足够小的载流子俘获截面的观点。本文以钛元素在晶体硅中导带下方0.271eV的能级位置为例，证明了当杂质能级对于电子和空穴的俘获截面足够小(on=1×10-20cm2，σp=1×10-22cm2)时，中间能级太阳能电池的性能比晶体硅太阳能电池的性能有明显的提高。验证了中间能级和中间带太阳能电池在晶体硅材料中应用的潜力。　　4.对非晶硅材料中杂质光伏效应的应用展开了探索性的研究。本文利用磁控共溅射方法，获得了含钛浓度高(2×1020cm-3)、分布均匀且厚度可控的掺钛非晶硅薄膜材料。与未掺杂的非晶硅材料相比，该材料在可见光波段吸收相近，而在近红外波段的吸收则有明显提高，这体现了杂质光吸收的特点。然而，这两类材料在650hm-1550nm范围内光电导谱基本一致，说明杂质吸收的红外光子未能有效转化为可以输运的光生载流子，这可能是未经氢钝化的非晶硅中隙态密度过高所致。因此，非晶硅材料中实现杂质光伏效应的关键就是有害缺陷态的钝化问题，应尽量降低隙态密度，减小不必要的缺陷态能级的非辐射复合作用。　　综上所述，本论文从理论和实验两个方面，对硅材料中杂质光伏效应进行了深入的研究和分析。推动了硅材料中杂质光伏效应研究的进一步发展。