多孔硅的制备、性能及层转移技术制备晶硅薄膜太阳电池

摘要

近几年经济和人口的迅速增长一方面加剧了常规能源的短缺，另一方面也带来了环境保护的压力，因此，太阳电池光伏发电日益受到重视。然而，和传统发电方式相比，太阳电池光伏发电成本仍然非常高。这其中硅片本身的成本占了相当大的比重，而且想进一步地降低硅片厚度已经非常困难。最有效的解决办法就是采取由原料直接到太阳电池的工艺方法，也就是采用薄膜太阳电池技术。硅基薄膜太阳电池具有原料储量丰富，技术成熟，光电性能稳定等优点，因而成为当前研究的热点。目前，非晶硅薄膜太阳电池虽然成本较低，但其存在光致衰退效应的问题；多晶硅薄膜太阳电池不但具有晶体硅太阳电池性能高的优点，而且没有光致衰退效应，其面临的主要问题是效率较低，而要提高效率主要通过改进多晶硅薄膜的质量。薄膜层转移工艺可以说为发展高效晶硅薄膜太阳电池开辟了一条新道路。薄膜层转移工艺主要通过多孔硅材料。基于此，本文本着制备高效硅基薄膜太阳电池的目的，对多孔硅层转移技术的材料制备、性能及器件制备工艺等进行了深入的研究。
　　 本文通过电化学腐蚀(阳极氧化)的方法分别制备了不同孔隙率的多孔硅样品，通过原子力显微镜和扫描电镜等对多孔硅材料的一些基本性能作了深入探讨，讨论分析了多孔硅的形成机理，系统研究了阳极氧化条件对多孔硅微结构、性能和表面形貌等的影响，主要包括：多孔硅膜层表面以及断面形貌的分析、多孔硅层的化学组成成分分析、腐蚀电流密度和腐蚀时间对多孔硅孔隙率和多孔硅层厚度的影响等。通过实验发现：多孔硅层孔洞分布均匀，孔径尺寸在50nm范围内；多孔硅的孔隙率和厚度都有随着腐蚀电流密度的增大和腐蚀时间的延长先增加后降低的趋势。研究结果为多孔硅衬底上材料的生长以及光电性能的研究提供了良好的实验依据。为了进一步对多孔硅的微结构进行研究，本文选择氧化锌对多孔硅表面进行修饰，分别采用磁控溅射法和溶胶-凝胶法在多孔硅衬底的表面制备了一层纳米氧化锌薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明，两种方法制备的氧化锌薄膜均属于六角纤锌矿结构，并都具有(002)高度择优取向。光致发光谱(PL)分析还发现，多孔硅与氧化锌复合后，分别在380 nm(紫外)、510nm(绿光)和750nm(红光)处具有强烈的光致发光现象。通过比较原生多孔硅与多孔硅/氧化锌复合后的荧光光谱的差异，并结合其表面形貌的变化，本文探讨了多孔硅的发光机制和其特殊结构对提高氧化锌的结晶性能的作用机制。
　　 本文采用碱溶液各向异性腐蚀的方法在单晶硅表面制备了金字塔绒面，制备的硅片样品绒面反射率为11.7％。随后通过两步电化学腐蚀的方法分别在镜面单晶硅片和制绒后的单晶硅片上腐蚀了双层结构的多孔硅衬底，上层多孔硅的孔隙率低于20％，下层多孔硅的孔隙率大于50％。将两种双层多孔硅样品在H2保护下高温1050℃退火30min，使得多孔硅表面的小孔发生闭合后恢复为准单晶结构。这种准单晶结构是外延硅膜理想的籽晶层。外延晶硅膜质量的好坏主要取决于多孔硅上层的小孔层经过退火工艺后的闭合情况。为了研究多孔硅在高温退火过程中的形貌和结构变化，本文借用传统的晶体生长中的均匀形核理论对多孔硅在高温退火过程中存在的临界半径值进行定性分析，并从热力学角度对多孔硅在高温退火过程中结构变化的微观机制进行描述。实验和理论分析的结果均表明，在高温退火过程中，多孔硅存在一个临界半径值，当孔径初始值大于此临界值时，孔会进一步扩展，而当孔径初始值小于此临界值时，则会发生收缩，直至闭合。
　　 本文采用低压化学气相沉积的方法分别在退火后的镜面和织构化的双层多孔硅衬底上进行晶硅薄膜的外延。通过扫描电镜、XRD和拉曼谱等，对低压化学气相沉积(LPCVD)在双层多孔硅上沉积晶硅薄膜的结晶质量做了系统研究。分析了不同村底、不同沉积温度等工艺参数对晶硅薄膜结晶性能的影响，优化了外延条件，为后续太阳电池器件的制备提供了基础。从扫描电镜图片可以看出，外延薄膜厚度约为6μm，并且很好地复制了织构化多孔硅衬底的金字塔形貌；XRD的测试结果表明，外延的晶硅薄膜具有高度的择优取向，拉曼光谱表明其结晶性能接近单晶硅。这说明多孔硅表面经过退火处理后恢复为准单晶层，对硅薄膜的外延具有很好的诱导作用。
　　 本文通过多孔硅层转移技术成功地制备出了固定在普通玻璃衬底上的晶硅薄膜太阳电池器件。电池的总厚度约为20μm。电极的制备是通过磁控溅射法分别在电池的正面沉积一层ITO作前电极，在电池的背面沉积一层ITO+Ag作背电极。太阳电池的Ⅰ-Ⅴ特性在25℃、AM1.5和100mW/cm2条件下测量。结果表明，电池在表面未做织构的情况下，效率达到了8.74％。