论文部分内容阅读
进入21世纪以来,全球能源问题日益突出。太阳能具有清洁、高效的特点,堪称最好的绿色能源选择。非晶硅锗（a-SiGe:H）材料作为一种硅基合金,由于具有较高的吸收系数以及可根据光谱吸收的需要灵活调节带隙等优点,近些年来受到大量关注。本文采用PECVD法系统地研究了a-SiGe:H薄膜的沉积工艺。在获得高品质a-SiGe:H材料的基础上,制备了初始的p-i-n型a-SiGe:H薄膜太阳能电池。针对电池的本征层、掺杂层、背反射层、不同材料和器件结构之间的界面层进行了详细的研究,提升了a-SiGe:H薄膜太阳能电池的转换效率（PCE）。本论文主要研究了以下内容:第一,对a-SiGe:H的沉积参数如压强、辉光功率、氢稀释率和锗烷浓度等进行了优化。研究了它们对a-SiGe:H薄膜的沉积速率、激活能、锗（Ge）含量、带隙、光电导率、暗电导率和光敏性等特性的影响。在这些工艺的优化研究完成后,得到了器件质量级a-SiGe:H材料并将其作为吸收层组装进薄膜太阳能电池。从吸收层厚度、最低带隙、阶梯带隙、渐变带隙等角度设计了不同的电池结构,研究了它们对电池转换效率的影响。第二,对a-SiGe:H薄膜太阳能电池的背反射层和界面层进行研究。分别研究了铝（Al）、银（Ag）、银/铝（Ag/Al）、银/铬/铝（Ag/Cr/Al）等金属和金属复合材料对电池性能的影响。在n层和上述金属背反射层之间加入氢化氧化铟（IOH）,并采用不同的水分压调节IOH的电阻率、迁移率和载流子密度。发现IOH/Ag/Cr/Al的背反射层结构相比其他单一材料和结构能够有效提高电池的短路电流密度(Jsc)和填充因子（FF）。与此同时,采用非晶硅（a-Si:H）、氧化硅（SiOx）等材料作为p/i和i/n界面之间的缓冲层。发现通过空气暴露得到的a-SiOx比真空沉积得到的a-Si:H缓冲层材料能更好地提升a-SiGe:H太阳能电池的效率。第三,发现采用SiOx材料作为a-SiGe:H薄膜太阳能电池的p和n层,通过调节SiOx材料中的含氧量可以获得优异的光电特性,进而明显提高电池的转换效率。在本论文中,针对p和n层进行了创新设计,分别从单层、双层、渐变带隙层及其组合的角度设计了12种结构,进行了器件制备和对比分析。发现通过调节CO2/SiH4气体流量比例可以改变p-SiOx材料的电学性能。设计双层不同带隙p-SiOx结构对电池的开路电压(Voc)和Jsc具有明显的提升,Voc达到750 mV,Jsc达到17.75 mA/cm2。在此基础上搭配双层渐变带隙n-SiOx结构,电池性能得到了进一步提升,主要体现在Jsc和FF的提高,最终获得了9.35%的高效率a-SiGe:H薄膜太阳能电池。