硅薄膜材料和电池研究已经成为热点，开发低价、稳定和高效率的太阳电池是光伏研究的目标。微晶硅薄膜电池克服了非晶硅薄膜电池光致不稳定的缺点，而且与非晶硅电池组成叠层电池，既能进一步拓展光谱响应范围，提高电池效率和稳定性，又能更进一步降低成本。本文叙述了采用VHF-PECVD技术，制备P型微晶硅(μc-Si：H)薄膜材料及其在微晶硅太阳电池上的应用，并就非晶硅/微晶硅叠层太阳电池进行了实验研究。主要做了以下几方面的工作： 1.P型微晶硅材料特性和沉积工艺的研究 随着氢稀释率的提高，材料从非晶向微晶转变；提高VHF功率，也可使材料晶化率增加；适当的反应气压既可提高薄膜的均匀性，又可改善薄膜的电学特性；硼掺杂可以提高材料的电导率，另一方面，硼又有抑制材料晶化作用。采用光发射谱技术(opticalemissionspectra，OES)研究P型微晶硅材料的生长动力学过程。提高氢稀释和等离子体功率都可以使等离子体中原子氢的含量增加，SiH*的含量减小，SiH*和原子氢的比值也减小，获得的材料晶化率得到提高；提高反应气压，等离子体中原子氢、SiH*的含量，以及SiH*和原子氢的比值都减小，获得的材料电导率先增大后减小；硼掺杂对等离子体影响是，随着硼掺杂浓度的提高，等离子体中SiH*和原子氢的比值减小，但是由于硼抑制晶化的作用，材料晶化率随硼掺杂浓度的提高而减小。 采用双层结构的p-μc-Si：H，首次系统研究了分别调控两层的晶化率、掺杂浓度与厚度，来达到晶化和掺杂效果分别完成、最终合成一致达到高电导、适当晶化率同时得以满足的p-μc-Si：H，为随后微晶硅有源层的生长提供良好晶化基础。通过这种方法，在厚度小于30nm情况下，电导率大于10-2S/cm，光学带隙大于2.0eV，激活能小于0.06eV，可见光区透过率大于80％。p-μc-Si：H的晶化率从～20％提高到～50％，并且可以通过第一、二层的调制，调节薄膜晶化率。 2.从器件的角度，进一步研究了P型微晶硅材料特性及其前后界面对微晶硅太阳电池的影响 微晶硅Ⅰ层是在作为窗口层的P层上沉积的，p-μc-Si：H的晶化率对微晶硅Ⅰ层生长起始阶段非晶孵化层有很大影响。采用双层结构的p-μc-Si：H层，微晶硅Ⅰ层的非晶孵化层厚度减小，P/I界面得到改善。 采用Raman谱技术，首次观察到p-μc-Si：H层的微结构对在其上沉积的微晶硅Ⅰ层结构没有影响，主要影响的是微晶硅电池的P/I界面结构和特性。 首次提出对P/I界面进行20秒氢处理，可以改善界面特性，电池的短路电流密度和填充因子都可获得大幅提高。 还研究了ZnO/P界面对微晶硅电池性能的影响，沉积p-μc-S：H层之前先对ZnO表面进行20秒氢处理，可以降低ZnO的方块电阻。氢等离子处理之后，保持辉光连续，加入硅烷、硼烷等反应气体沉积双层结构p-μc-S：H层，这样可以改善ZnO和p-μc-Si：H层之间的接触特性。首次采用光发射谱(OES)技术，研究这个过程中等离子体发光峰的变化，经过30秒的不稳定期后，等离子体达到稳定，SiH*和原子氢比值在0.75左右；同时发现绝缘衬底和导电衬底对等离子体状态有不同的影响，从而导致了在它们上面沉积的材料结构和特性不同。 经过系列优化研究，采用MOCVD技术制备的ZnO背反射层与Ag/Al金属背电极形成复合背反射电极，微晶硅薄膜太阳电池的转换效率进一步得到了提高，达到了9.19％(Voc=0.55v，Jsc=26.53mA/cm2，FF=0.6296)。 3.非晶硅/微晶硅叠层电池中NP隧穿结特性的研究 在非晶硅/微晶硅叠层太阳电池中，实现欧姆接触的顶电池N层和底电池P层都是微晶硅，形成NP隧穿结。调整它们的厚度可以改善NP隧穿结特性。通过实验确定了，非晶硅顶电池的N层厚度约25nm，微晶硅底电池的P层厚度约27nm时，非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的效率最大。对NP界面进行20秒的氢处理，氢等离子处理之后，保持辉光连续，加入硅烷等气体，沉积后续层，可以提高电池效率。 4.非晶硅/微晶硅叠层太阳电池电流匹配的研究 对于非晶硅/微晶硅薄膜叠层电池来说，电流匹配主要是电池吸收层厚度的匹配。通过研究，初步确定了非晶硅顶电池的厚度为250nm，微晶硅底电池的厚度2800nm，顶电池的N层采用非晶和微晶硅双层结构(改善NP结隧穿特性，同时不影响非晶硅顶电池)。采用ZnO背反射层，小面积非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的效率为11.37％，(Voc=1.38v，Jsc=12.63mA/cm2，FF=0.6502)；10×10cm2非晶硅/微晶硅叠层组件的效率为9.72％(Voc=13.36v，Jsc=10.29mA/cm2，FF=0.7073)。