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为了开发低成本、高效、环境友好以及材料来源丰富的新一代光伏电池,迫切需要人们对太阳电池的理论研究、新材料开发和结构设计等方面进行创新,发展第三代太阳电池技术。本文主要从新型第三代太阳电池以上特征角度出发,提出了基于硅纳米线阵列结构的新型异质太阳电池,它采用来源丰富、产业化成熟的硅作为其主要原材料,将低品质的单晶硅通过金属催化腐蚀法刻蚀成纳米线阵列结构;然后在其上通过增强等离子体气相沉积法(PECVD)沉积本征微晶硅及掺杂非晶硅薄膜层;同时,采用对环境无污染的掺铝氧化锌(ZnO:Al)透明导电膜代替传统金属栅形电极和有毒的氧化铟锡(ITO)薄膜进一步降低对环境污染,最终制备出具有产业化前景的新型高效异质太阳电池。具体研究内容如下: 首先采用新发展起来的金属纳米颗粒辅助无电极化学腐蚀方法,对普通单晶硅片进行刻蚀,制备硅纳米线阵列结构。研究了刻蚀过程中银离子浓度、氢氟酸浓度以及刻蚀时间主要参数对制备硅纳米线阵列结构的影响,发现了以下规律:硝酸银浓度决定着前期吸附在硅片表面银颗粒的数量及颗粒尺寸大小,它直接影响对硅的氧化能力和刻蚀剂对硅片的刻蚀能力,对硅纳米线阵列形成初期至关重要;当氢氟酸超过15％,刻蚀能力超过银离子对硅的氧化能力,有效形成硅纳米线阵列结构,超过该浓度后,其对硅纳米线阵列的影响主要体现在刻蚀速率方面;刻蚀时间对硅纳米线阵列形成影响较小,只随着刻蚀时间继续增加,硅纳米线长度呈线性增加。然后根据主要影响参数对硅纳米线阵列结构的影响规律的研究,改进方法,进一步提高对硅纳米线阵列制备的控制,研究了硅纳米线阵列生长机制,得到了以下结果:硅片表面起初是由银纳米颗粒形成的网络所覆盖,通过观察刻蚀前后银纳米颗粒的位置和刻蚀硅纳米线阵列所形成的腐蚀坑道路径,确定了硅纳米线阵列形成是随着刻蚀的进行银颗粒最终沉陷到硅纳米线底部,硅纳米线间的空隙为银纳米颗粒网络下陷时所形成的路径;因此通过改变第一步中银纳米颗粒的沉积时间,有效控制了吸附在硅片表面的银纳米颗粒大小及分布,最终能够很好的控制硅纳米线阵列结构。 然后在制备好的纳米线阵列单晶硅片衬底上沉积制备本征微晶硅层为重点,通过SEM图、Raman光谱、FTIR吸收谱等测试分析,研究了硅烷浓度和衬底温度对微晶硅薄膜的表面形貌、晶化率、氧含量等影响。然后在其上在沉积一层N型非晶硅掺杂层,通过改变掺杂浓度和射频功率,研究了其对N层非晶硅薄膜沉积速率及其性能的影响。最终确定制备微晶硅本征薄膜最佳参数为:硅烷浓度为4%、衬底温度为300℃、射频功率为200W,沉积气压为133Pa,沉积速率为1.81nm/min;N层非晶硅薄膜的最佳参数:磷掺杂浓度为2%,射频功率为180W,硅烷浓度为10%,衬底温度为300℃,腔室气压为133Pa,暗电导率为2.37×10-3S/cm,沉积速率为2.5nm/min。 接着对太阳电池透明窗口电极进行研究,采用射频磁控溅射方法,动态沉积制备了大尺寸 ZnO:Al透明导电薄膜,并在分析薄膜均匀性基础上,通过对ZnO:Al薄膜沉积速率、结构、光电性质的分析,研究了不同溅射功率、衬底温度、沉积气压的影响。为了进一步降低薄膜电阻率,通过在溅射气氛中通入一定比例H2对ZnO:Al薄膜进行氢化处理,研究了氢化处理后衬底温度和溅射气氛中H2含量对ZnO:Al薄膜性能的影响。氢化处理可以有效提高薄膜结晶质量、降低电阻率,且在低温条件下对薄膜结晶质量和电阻率的改善更为明显,最终在低温100℃通入4%H2含量时,获得本文最低电阻率6.0×10-4??cm。 最后,通过对电池结构中的三种关键材料进行了深入研究,提出了基于硅纳米线阵列的异质太阳电池的设计,制备出了基于硅纳米线阵列结构的新型异质太阳电池。研究不同 ZnO:Al透明导电膜厚度和硅纳米线阵列长度对p-SiNWs/i-μc-Si/n-a-Si/ZnO:Al结构HIT太阳电池的性能影响发现:采用50nm厚的 ZnO:Al透明导电膜作为电池的窗口电极、5μm长的硅纳米线阵列后,电池开路电压、短路电流、填充因子和转化效率获得最大值,分别为527.77mV、22.16mA/cm2、50.40%和5.89%,此时光谱响应也获得了最佳值。