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硅基薄膜太阳电池是当前发展最快的光伏技术之一,运用和发展硅基薄膜电池的光管理技术,是实现低成本、高效电池制备的有效途径,也是目前的研究重点。本论文采用与硅基薄膜太阳电池工艺兼容的PECVD技术制备N型氢化微晶硅氧薄膜来改善电池的陷光特性,为高效硅基薄膜太阳电池的工业化生产提供一个可供选择的技术路线。论文的主要研究内容及成果如下:
一、详细研究了采用RF-PECVD技术制备μc-SiOx:H薄膜时材料光电性能随CO2/SiH4流量比、沉积功率和磷烷掺杂浓度等工艺参数变化的规律,同时结合各种分析测试手段研究材料的微观结构和化学成分,进一步揭示薄膜表观特性随沉积参数变化的因为:
改变CO2/SiH4流量比和沉积功率可以通过对等离子体空间内参与薄膜生长的氧、硅前驱物比值进行调节,从而得到光电性能不同的μc-SiOx:H薄膜。随着CO2/SiH4流量比和沉积功率的提高,薄膜在整个测试波长范围内的折射率不断降低。与此同时,随着材料中氧含量的增加,薄膜的禁带宽度逐渐增大,电导率逐渐降低。在μc-SiOx:H薄膜中,作为电子施主的磷原子通常存在于材料的富硅相网络,改变富硅相内的磷掺杂可以实现对薄膜电导率的调节。
通过对μc-SiOx:H薄膜Raman谱和XPS谱的综合分析,初步给出了材料的微观结构模型,即相分离模型。μc-SiOx:H由富硅相和富氧相组成,这两相分别为具有一定晶化率的Si:H颗粒相和包围硅颗粒的非晶态SiOy:H(y＞x)介质相。替位式掺杂发生在Si:H颗粒相中,对导电起主要作用；非晶态介质相中的氧含量对降低折射率起主要作用。
二、将μc-SiOx:H薄膜应用于硅基薄膜太阳电池中,研究了μc-SiOx:H/Al复合背反射电极和μc-SiOx:H中间反射层对电池性能的影响,通过优化分别初步实现了对单结a-Si:H电池和a-Si:H/μc-Si:H叠层电池效率的提高:
对于a-Si:H电池,μc-SiOx:H折射率匹配层的加入使得具有不同厚度本征层的a-Si:H电池J-V特性均有改善,其中短路电流的增大主要来源于550～750 nm波长范围内EQE的提高。μc-SiOx:H层的加入也在一定程度上提高了电池的开路电压和填充因子。在研究范围内,μc-SiOx:H/Al复合背反射电极的采用能够将电池的效率相对提升约10％。
对于a-Si:H/μc-Si:H叠层电池,μc-SiOx:H中间反射层折射率的降低和厚度的增加均会使得其短波反射能力增强。μc-SiOx:H中间层与顶电池N-μc-Si:H层、底电池P-μc-Si:H层组成的结构具有欧姆特性,低折射率低电导率中间层的引入会使得其串联电阻增大,而中间层厚度的改变对其串联电阻的影响则小至可以忽略。
中间层的加入使得叠层电池的a-Si:H顶电池对于波长在700 nm以下入射光的响应有所增加,与此同时μc-Si:H底电池对这部分入射光的响应有所降低。同时研究发现底电池对波长在700 nm以上的入射光响应也有一定程度的提高。采用较薄的高氧含量低折射率重掺杂μc-SiOx:H中间层有助于获得高稳定性高效率的a-Si:H/μc-Si:H叠层太阳电池。从量子效率测量结果来看,目前获得电流匹配最好的电池计算得到的顶底电池电流分别为:Jtop=12.67 mA/cm2、Jbot=12.69mA/cm2,电池的光电转换效率为10.26％。