高锗含量微晶硅锗材料及其在太阳电池中的应用

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硅基薄膜太阳电池因其成本低廉、易于大面积生产等优点,日渐受到人们的广泛关注并且发展迅速。采用多结叠层电池结构,是提高电池效率和稳定性的重要手段。由于微晶硅锗薄膜(μc-Si1-xGex:H)具有窄带隙、高吸收系数等优点,成为叠层电池中底电池的理想选择。然而,随着μc-Si1-xGex:H中Ge含量的增加,薄膜中的缺陷态密度增加、电学性能下降,应用于电池中时,由于较差的载流子传输特性,无法体现出窄带隙μc-Si1-xGex:H薄膜在提高电池长波响应的优势。于是,制备高质量的高Ge含量的μc-Si1-xGex:H以及更窄带隙的薄膜材料势在必行。本论文采用RF-PECVD技术,对高Ge含量的μc-Si1-xGex:H的制备工艺进行了系统研究,并使太阳电池的长波响应得到增强和拓展。另一方面,初步制备并优化了具有更窄带隙的微晶锗(μc-Ge:H)材料。本论文的主要研究内容与成果如下:  第一,研究了不同制备参数(辉光功率,沉积气压)对高 Ge含量的μc-Si1-xGex:H薄膜材料性能的影响,系统分析了沉积参数对其生长速率、Ge掺入、晶化率以及光电性能的影响。在特定的Ge含量下,可以通过工艺参数的调控,实现μc-Si1-xGex:H材料的晶化率的增加,进而提高长波吸收系数。通过调整沉积气压以及电极间距改变离子轰击能量,提出在高离子轰击条件下可抑制薄膜中Ge的优先掺入,使得此条件下生长的薄膜晶粒分布均匀。于是,在高离子轰击条件下制备了Ge含量x=0.77的μc-Si1-xGex:H薄膜,在保证较高晶化率的前提下使其光敏性达到34,并将其应用于 p-i-n型太阳电池,在吸收层厚度仅为300nm的条件下,获得的短路电流密度(Jsc)达到24.87mA/cm2,同时长波响应可以拓展至1300nm。  第二,为获得超窄带隙的薄膜,进一步提高电池的长波响应,初步研究了制备具有高晶化率的μc-Ge:H薄膜的方法。通过改变沉积参数、氢处理以及超高氢稀释等方法对μc-Ge:H薄膜进行结构优化,总结了不同制备方法对μc-Ge:H孵化层的影响。最终,在超高氢稀释率、高气压条件下在绒面衬底上采用两步生长法制备出了厚度仅为23nm、晶化率达74.2%的μc-Ge:H薄膜。同时,为避免由高晶化率引入的晶界缺陷,提出了μc-Ge:H/a-Si:H多层膜结构,发现其暗电导率降低,电学性能有所改善。
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