论文部分内容阅读
半导体硅材料是可大规模应用于太阳能电池的首选材料，硅基太阳能电池一直是光伏产业发展的主流产品。但由于晶体硅的光学带隙为1.1eV，太阳光中的近紫外-紫外和近红外光子能量无法被吸收利用，导致其有效响应光谱范围仅在500nm-1100nm内。为了实现更好的光谱匹配，利用一系列具有不同带隙的子电池串联成宽光谱响应的多结电池被认为是一种突破Shockley-Queisser极限的可能途径。硅量子点，由于量子限制效应带来的特殊性质，可以通过改变其尺寸来调节其光学带隙，在串联电池中具有潜在的应用前景。因此，对硅量子点在新一代硅基太阳能电池中的应用以及如何提高器件性能方面的探索，是当前新型光伏器件研究领域中的一个前沿课题，具有重要的科学研究意义与应用研究价值。 本论文的主要研究内容是从以下几个方面对基于纳米硅量子点的异质结太阳能电池的制备及器件性能进行探索。首先，在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中制备了厚度可控的非晶硅/碳化硅多层(a-Si/SiC)多层结构，利用高温退火技术获得了硅量子点/碳化硅(Si QDs/SiC)多层膜，对其结构表征与光学性质进行了研究。在此基础上制备基于Si QDs/SiC多层膜的p-i-n异质结太阳能电池原理性器件结构，研究了基于不同尺寸硅量子点的异质结电池的光伏特性。为了进一步提高电池的光电转换效率，利用反应离子刻蚀以及金属离子辅助化学刻蚀技术获得具有良好减反效果的亚波长陷光结构衬底，将其与Si QDs/SiC多层结构太阳能电池相结合，提高了宽光谱范围的光吸收，改善了电池器件性能。进而，我们提出一种具有渐变带隙的Si QDs/SiC新型多层膜异质结电池结构，拓宽了太阳能电池的响应光谱范围，结合亚波长纳米陷光结构获得了光电转换效率大于10％的硅量子点太阳能电池。此外，我们利用激光晶化技术在镀有氧化铟锡(ITO)透明导电的玻璃衬底上制备了基于Si QDs/SiC多层膜的p-i-n结构，进而设计和构建了全量子点光伏器件，对其性能进行了初步探索。 论文的主要研究结果和创新点有: 1.我们在PECVD系统中制备了子层厚度可控的a-Si/SiC多层结构，利用高温退火技术获得了硅量子点/碳化硅(Si QDs/SiC)多层膜。发现硅量子点的平均尺寸为4.9nm，光学带隙为1.48eV。在此基础上，我们在p型单晶硅衬底(电阻率1-3Ω·cm)上连续沉积了a-Si/SiC多层膜和磷原子掺杂的单层非晶硅薄膜，高温退火后形成p-i-n结构，在上下表面蒸镀铝电极后形成了异质结太阳能电池原理性器件。电池的光电转换效率达到6.28％，响应光谱范围在300nm-1200nm范围，通过与退火前a-Si/SiC多层膜电池的外量子效率(EQE)进行比较，发现形成硅量子点后，电池在短波处的光谱响应明显提高，响应光谱范围得到了拓宽。进而制备了一系列尺寸不同的Si QDs/SiC多层膜异质结太阳能电池，观测到电池的响应光谱波长随硅量子点尺寸增大而红移，符合量子限制效应的规律。为了进一步说明硅量子点在异质结太阳能电池中的作用，我们在重掺杂的p型硅衬底上沉积了相应的电池结构，实验观察到其响应光谱位于300nm-800nm范围，并且可以明显地看到短波处的光谱响应随硅量子点尺寸的变化而变化的趋势。 2.为了减小光学损失，进一步提高基于Si QDs/SiC多层膜异质结太阳能电池的转换效率，利用纳米小球掩膜反应离子刻蚀技术，在单晶硅衬底上获得了硅基亚波长图形化纳米陷光结构，发现其具有宽光谱的减反效应，在300nm-1200nm波长范围内的加权平均反射率最低达到5.9％。将此陷光结构与硅量子点异质结太阳能电池相结合，与平面硅衬底上制备的电池相比，光电转换效率提高到10.55％。进而又利用金属离子辅助化学刻蚀技术获得了可大面积制备的纵宽比更大的硅纳米线(SiNWs)阵列结构衬底，降低反射率的同时可以显著提高载流子的隧穿几率。刻蚀时间为5min的Si QDs/Si NWs异质结太阳能电池获得了556mV的开路电压，29.13mA/cm2的短路电流密度和70.1％的填充因子，电池的光电转换效率最高达到11.35％。 3.为了拓宽量子点电池的光谱响应范围，我们基于Si QDs/SiC多层膜提出了一种新颖的具有渐变带隙的电池器件结构以实现更好的光谱匹配。实验上，我们设计并制备了由2nm、4nm和8nm的硅量子点组成的多层膜结构材料，构建了渐变带隙硅量子点异质结太阳能电池器件。与周期性纳米硅量子点多层膜结构相比，光吸收波长范围明显变宽，吸收率也有增加，证明了我们提出的渐变带隙多层结构能更好地实现光谱匹配，获得宽光谱吸收。结合具有良好减反特性的硅基亚波长陷光结构，得到最高的光电转换效率为12.80％。 4.为了进一步研究硅量子点在新型太阳能电池中的作用，同时也为了探索在廉价的绝缘衬底上实现大面积低成本的全硅基薄膜电池，我们初步尝试了对沉积在镀有氧化铟锡(ITO)透明导电电极的玻璃衬底上的全硅量子点电池性能的研究，并提出利用KrF准分子脉冲激光晶化技术代替高温退火技术来获得硅量子点多层膜材料以避免长时间的高温过程对玻璃衬底和ITO膜的破坏。实验上发现，利用激光晶化技术制备的基于硅量子点的p-i-n结构的电流-电压关系曲线呈现出明显的整流特性，在±3V处的整流比达到104，说明利用激光晶化技术可以获得良好的p-i-n器件结构。外量子效率测试结果显示，硅量子点的响应光谱在300nm-700nm范围。对于平整ITO玻璃衬底上制备的有效面积为0.8cm2的基于Si QDs/SiC多层膜的p-i-n结构太阳能电池，在AM1.5模拟太阳光照射下测试其电流-电压关系，可以观测到明显的光伏效应，电池的开路电压和短路电流密度分别为475mV和0.28mA/cm2。