硅太阳电池在迅速发展的光伏发电技术领域中一直占据着主导地位,尤其单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池更被视为了太阳电池的主流产品,但由于其价格昂贵和材料短缺已不能满足经济社会快速发展的需求。目前第二代硅薄膜型太阳电池逐渐成为硅太阳电池应用和发展的主流,然而非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、微晶硅薄膜等太阳电池均存在不同程度的光致衰退效应,也不可能产生“多重激发,,效应,因此在理论和实践上都无法突破太阳电池的Shockley Queisser极限(32.8%)效率。随着纳米科学技术和纳米光电子技术的兴起和发展,人们已认识到利用纳米材料所具有的独特性能设计和研发太阳电池,是突破“低转换效率、高制造成本、短使用寿命和低稳定性”太阳电池瓶颈的唯一途径。迄今为止,纳米硅薄膜方面研究虽然已很多,但对纳米硅薄膜沉积机制、微结构特征、光学特性、电学特性和力学特性仍未形成统一认识,这一问题严重阻碍了纳米硅薄膜材料及其太阳电池的进一步研发。论文从硅薄膜材料入手,主要对纳米硅薄膜太阳电池窗口层和光吸收层进行了理论研究和实验研究。通过给等离子体化学气相沉积系统施加直流负偏压的方法对纳米硅薄膜的制备方法进行了改进与完善,深入地分析了纳米硅薄膜的制备工艺及其沉积机制；利用原子力显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪研究了纳米硅薄膜的表面形貌特征和微结构特征；采用傅立叶变换红外光谱研究了纳米硅薄膜的组态特征；使用紫外-可见光透射光谱仪、四探针电阻测试仪和纳米压痕仪分别对薄膜的光学特性、电学特性和力学特性进行了较为系统地研究,获得的主要研究内容和成果包括以下几个方面：首先,实验发现纳米硅薄膜正常生长时反应基团的成核与结晶过程受到硼掺入的影响而导致薄膜中形成大量不完整的细微硅晶粒。硼烷和硅烷之间的浓度比例由2%增加5%时,掺硼纳米硅薄膜的晶态比和晶粒平均尺寸分别由40.5%和4.7nm减少到32.0%和2.3 nm,说明其微结构向非晶态过渡。经过退火处理后,晶粒分布有序性增加,表现出较高的电导率和较宽的光学带隙特征,因此掺硼纳米硅薄膜是替代掺硼非晶硅薄膜作为太阳电池窗口层的可选择性材料。第二,基于等离子体化学气相沉积技术制备纳米硅薄膜的特点,论文分析了衬底温度、射频功率、直流负偏压和硅烷浓度等关键工艺参数对本征纳米硅薄膜微结构和光学特性的影响。实验中发现氢原子可饱和薄膜中的部分悬挂键而形成Si-H键。薄膜的致密程度、键畸变程度和悬挂键数目与其晶态比有关。提高晶态比可使一部分带尾态和带隙态分别转化为扩展态或消失。晶态比还影响了氢原子溢出的程度和Si-H键的数目而造成光学带隙随晶态比增大而呈下降趋势。此外,研究还发现纳米硅薄膜中Si-Si键受氢原子的影响而造成薄膜的光学带隙由间接带隙向直接带隙发生转变,表明薄膜的光学带隙与硅氢键合模式紧密相关。氢的掺入将引起薄膜价带产生化学位移导致价带移向更低的能量状态；氢原子有利于提高非晶硅网络中纳米结构的有序性,并有效地降低硅薄膜中存在的悬挂键缺陷态密度,从而减少带隙中非辐射复合中心。第三,纳米硅薄膜中存在多种形式的硅氢键组合模式,这些组合分别对应傅立叶变换透射光谱中不同的振动模峰。双峰高斯拟合仅考虑SiH、SiH2的贡献,忽略了SiH3键合模式,在计算纳米硅薄膜的氢含量、结构因子和化学键合力学常数时存在一定的误差。论文提出了三峰高斯拟合计算法,该计算法可较准确地得出纳米硅薄膜的氢含量、结构因子和化学键合力学常数,基于此方法论文分析了薄膜化学组分上对纳米硅薄膜光学带隙的影响,得出薄膜中各种化学键、基团结构和内应力等因素的综合作用是造成薄膜光学带隙差异性的原因的结论。第四,据于实验结果,利用等效方法建立了纳米硅薄膜的光学模型,对薄膜的吸收系数和光学带隙进行了计算,将计算结果与实验结果进行了比较；对实验结果与模拟结果存在差异的原因进行了分析,并给出了合理解释。在理论上得出了晶态比、晶粒平均尺寸与薄膜光学带隙的定量变化关系表达式。最后,氢稀释比是影响纳米硅薄膜表面形貌特征和力学特性的关键因素之一。实验发现适当控制氢稀释比,可促进薄膜成核率,氢原子在薄膜表面移动(刻蚀)硅原子后使得硅原子之间形成刚性的晶态结构,因此有效地降低了薄膜表面粗糙度,还可提高薄膜的弹性模量和硬度值。同时纳米硅薄膜生长过程亦是一个晶态比不断提高的过程,因此压入薄膜内部深度越大,得到的弹性模量和硬度值越小。以上研究不仅对纳米硅薄膜沉积机制、微结构、光学特性、电学特性以及力学特性等形成了系统认识,也为纳米硅薄膜太阳电池进一步地应用提供了理论基础和基本依据。