电光结构调制的非晶硅锗电池与非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳电池的研究

摘要

硅基三结叠层电池因其高效率高稳定性潜力而成为进一步提升硅基薄膜太阳电池性能的重要途径，而非晶硅锗薄膜材料(a-SiGe∶H)因其高吸收系数及可适配的光学带隙等光学特性则成为其中间子电池本征层材料的首选。然其随锗掺杂而劣化的材料特性却限制了非晶硅锗电池以及三结叠层电池性能的进一步提升，故亟需新技术以突破瓶颈。本论文采用RF-PECVD技术，在器件质量级非晶硅锗材料基础上，针对非晶硅锗材料应用于电池结构时出现的问题，以获得宽光谱响应、优良电学性能、可适用于三结叠层中间子电池的高效非晶硅锗单结电池为目标，从器件结构设计角度对非晶硅锗电池电学以及光学结构的调制进行了系统研究和探索。同时将其应用于非晶硅/非晶硅锗/微晶硅(a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H)三结叠层电池中间子电池，以实现与其它子电池间无损内连为目标，系统研究了三结叠层电池顶/中以及中/底隧穿复合结结构等的调制。本论文主要研究内容及成果包括如下几方面:
　　第一、针对锗掺入而导致的非晶硅锗本征层材料质量劣化及电场屏蔽效应增强，并由之而产生的体复合问题和P/I、I/N界面失配及界面缺陷态密度增大导致的界面复合问题，①通过对P/I界面不同非晶硅(a-Si∶H)缓冲层带隙进行研究，结果表明合适带隙高质量a-Si∶H缓冲层在P/I界面处可有效改善界面失配、降低界面缺陷态密度以及电场屏蔽效应，从而显著提高其电学性能。②在界面优化基础上，研究了本征层梯度带隙结构斜率符号对电池性能的调制作用。结果表明:正偏压下荷电缺陷层不同的充放电过程是不同梯度斜率符号时填充因子存在差异的原因。采用正斜率梯度结构的非晶硅锗电池可有效降低电场屏蔽效应对空穴输运和收集性能的影响，有效提高填充因子。③通过对高低锗含量(42％和30％)a-SiGe∶H电池优化电学结构进行研究，首次提出对不同锗含量非晶硅锗电池适用的优化电学结构，由此制备的高锗含量非晶硅锗电池可实现与低锗电池相近的电学性能，并为选择不同带隙高电学性能中间电池以制备电流匹配和高电学性能三结叠层电池提供有力指导。④针对高锗含量相对于低锗含量电池更强的电场屏蔽响应问题，首次提出了基于线性带隙梯度的微调结构。结果证明通过降低P/I界面附近体区锗掺杂可有效促进体区空穴输运，并进一步提升高锗含量非晶硅锗电池填充因子。⑤首次发现合适氧含量的n型微晶硅氧可通过降低漏电流的方式来调制非晶硅锗电池电学性能的功能，该方法使得PIN型非晶硅锗单结电池填充因子得到有效提升，并由此获得了高达70.05％的填充因子，其在已见关于PIN型非晶硅锗电池文献报道中为最高。
　　第二、在对非晶硅锗电学结构调制的基础上，进行了其光学结构调制的研究。①从衬底表面形貌分析、光散射分析、光吸收模拟以及实验制备等不同方面，对不同腐蚀时间溅射后腐蚀ZnO∶Al衬底表面尺寸对非晶硅锗光学性能的影响研究得出:在不损失电池电学特性的同时，可优化衬底表面特征尺寸以最大化非晶硅锗本征层光吸收，1.48eV带隙非晶硅锗单结电池最优横纵向特征尺寸为(168nm，732nm)。②通过研究n-μc-Si∶H/n-μc-SiOx∶H双n层结构对非晶硅锗光电性能的影响，首次发现除其电学增益作用外，形成的梯度折射率结构可显著提升非晶硅锗电池长波响应。基于此提出的梯度折射率n型硅氧结构相对于恒定折射率结构可在保持电池长波响应同时，一定程度上提高其电学特性。③在对P型纳米硅层以及降低硼含量的窗口层单独用于a-SiGe∶H电池的研究基础上，提出了两者相结合的双P层结构。结果表明:该结构窗口层通过结合纳米硅P层高透过率和低硼含量窗口层对界面带隙匹配作用，可在保持电学特性的同时，显著提高非晶硅锗电池的短波响应。④基于电光结构调制的非晶硅锗电池优化工艺，本论文未采用背反射结构的a-SiGe∶H单结电池最高效率达到9.70％(Voc=775.90mV，FF=65.10％，Jsc=19.21mA/cm2)，采用ZnO∶B/Ag/Al背反射结构的a-SiGe∶H单结电池最高初始效率达到10.59％(Voc=744.70mV，FF=66.79％，Jsc=21.29mA/cm2)，达到国内领先国际先进水平。
　　第三、对电光结构调制的非晶硅锗电池应用于a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H三结叠层电池时，与非晶硅顶电池以及微晶硅底电池之间的隧穿复合结结构调制等进行了研究。①针对无法直接对隧穿复合结性能进行测量的问题，提出相对于传统n/p结或者pin/p诊断方法，可快速准确诊断顶/中及中/底电池电学性能的单、双及三结电池对比分析法。②研究了n-μc-SiOx∶H插入中/底隧穿复合结时对三结叠层电池性能的影响，提出了插入n-μc-SiOx∶H层的低电学性能损失中/底隧穿复合结结构，结果表明:该结构可实现中/底电池低损内连以及中间电池短路电流密度提升的双赢。③在结构良好设计的高性能顶、中、底子电池的基础上，通过采用对比分析法成功寻找到三结叠层电池性能损失的根源，结果证明:中间电池采用低激活能p型微晶硅层，可为隧穿复合结处光生空穴输运提供辅助以进行有效复合，进而提高隧穿复合结性能，降低开路电压损失。由此获得的a-Si∶H/a-SiGe∶H双结叠层电池在总本征层厚度为290nm时初始效率达11.63％(Voc=1.75V，FF=67.97％，Jsc=9.77mA/cm2)。④针对单结及其作为中间子电池所处光谱环境不同导致开路电压和填充因子存在差异的问题，首次提出通过改变P/I界面缓冲层厚度降低填充因子以补偿开路电压的方法，其可在填充因子保持的前提下，显著提高三结叠层电池的开路电压，进而提高其电池效率。⑤在非晶硅、非晶硅锗、微晶硅子电池结构，顶/中以及中/底隧穿复合结结构调制，并微调非晶硅锗中间子电池结构的基础上，获得最佳初始效率达15.06％(Voc=2.20V, Jsc=9.04mA/cm2, FF=75.93％)的a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H三结叠层电池(有效面积0.253cm2)，达国内领先，国际先进水平。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 研究现状

1．2．1 非晶硅锗单结电池研究

1．2．2 三结叠层电池研究

第三节 课题来源

第四节 本论文的目标和意义

第五节 本论文组织结构

第二章 非晶硅锗薄膜和太阳电池的制备与特性表征方法

第一节 非晶硅锗材料的制备

2．1．1 用于非晶硅锗薄膜制备的源气体和制备工艺选择

2．1．2 非晶硅锗薄膜的沉积原理

2．1．3 RF-PECVD沉积系统

第二节 a-SiGe：H薄膜与电池器件特性表征方法

2．2．1 厚度测试

2．2．2 共面光暗电导率测试

2．2．3 激活能测试

2．2．4 X射线荧光光谱测试

2．2．5 拉曼散射谱测试

2．2．6 原子力显微镜测试

2．2．7 透过反射谱测试

2．2．8 光态J-V特性测试

2．2．9 暗态J-V特性测试

2．2．10 外量子效率EQE谱测试

第三节 本章总结

第三章 非晶硅锗单结电池电学结构调制

第一节 引言

3．1．1 本论文a-SiGe：H材料研究基础

3．1．2 本章研究内容概述

第二节 非晶硅锗太阳电池问题以及界面优化

3．2．1 GeH4／Si2H6气体流量比对a-SiGe：H电池性能的影响

3．2．2 界面缓冲层带隙对a-SiGe：H太阳电池性能的影响

第三节 非晶硅锗太阳电池本征层带隙梯度的设计

3．3．1 非晶硅锗本征层带隙梯度设计原理、制备及表征

3．3．2 线性梯度带隙的非晶硅锗本征层对电池性能的影响

3．3．3 高低锗含量的非晶硅锗单结电池的优化电学结构对比

3．3．4 高锗含量非晶硅锗单结电池线性带隙梯度分布微调

第四节 N型微晶硅氧对非晶硅锗电池的性能调制

3．4．1 研究背景

3．4．2 n型μc-SiOx：H层对a-SiGe：H电池光学特性的影响

3．4．3 n型μc-SiOx：H层对a-SiGe：H电池的电学影响

3．4．4 与带隙梯度方法对比对填充因子的影响

第五节 非晶硅锗电学调控以及存在的问题

3．5．1 非晶硅锗单结电池电学结构优化后的最高转换效率

3．5．2 非晶硅锗单结电池目前存在的问题

第六节 本章总结

第四章 非晶硅锗单结电池光学结构调制

第一节 引言

第二节 非晶硅锗电池最优陷光衬底表面特征尺寸的确定

4．2．1 不同腐蚀时间ZnO：Al衬底表面形貌比较

4．2．2 不同腐蚀时间ZnO：Al衬底光散射性质

4．2．3 不同腐蚀时间ZnO：Al衬底制备的a-SiGe：H电池的光吸收分布

4．2．4 不同腐蚀时间ZnO：Al衬底制备的a-SiGe：H单结电池

4．2．5 a-SiGe：H单结电池电学性能与ZnO：Al衬底表面形貌的关系

4．2．6 不同腐蚀时间ZnO：Al衬底a-SiGe：H单结电池有效光程增强因子对比

第三节 n型μc-Si：H／μc-SiOx：H双n层结构

4．3．1 双n层结构对非晶硅锗电池长波响应的影响

4．3．2 双n层结构对非晶硅锗电池电学性能的影响

4．3．3 梯度折射率n层硅氧结构

第四节 非晶硅锗单结电池短波响应

4．4．1 高短波响应低电学性能非晶硅锗单结电池

4．4．2 低短波响应高电学性能非晶硅锗单结电池

4．4．3 双P层结构制备高短波响应非晶硅锗单结电池

第五节 非晶硅锗单结电池光学调控最高效率

4．5．1 光电结构优化的a-SiGe：H单结电池最高效率

4．5．2 与不同研究组a-SiGe：H单结电池最高效率对比

第六节 本章总结

第五章 非晶硅／非晶硅锗／微晶硅三结叠层太阳电池的研究

第一节 引言

第二节 非晶硅锗／微晶硅隧穿复合结优化

5．2．1 研究背景

5．2．2 应用n型μc-SiOx：H的中／底隧穿复合结

5．2．3 应用n型μc-SiOx：H的中／底隧穿复合结电学损失来源

5．2．4 应用n型μc-SiOx：H的中／底隧穿复合结光学性能

5．2．5 低电学性能损失的中／底隧穿复合结

第三节 非晶硅／非晶硅锗隧穿复合结结构优化

5．3．1 中间电池p型μc-Si：H厚度对顶／中隧穿复合结性能的影响

5．3．2 顶电池n层厚度比对顶／中隧穿复合结性能的影响

5．3．3 顶／中隧穿复合结优化获得的三结叠层电池最高效率

第四节 隧穿复合结开路电压损失的补偿

5．4．1 优化a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池的子电池

5．4．2 a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池的开路电压损失分析

5．4．3 a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池的开路电压损失来源

5．4．4 非晶硅锗中间子电池P型μc-Si：H激活能的影响

第五节 非晶硅锗子电池与单结电池的差异与优化

第六节 高效a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池

5．6．1 目前PIN型a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池最高初始效率

5．6．2 PIN型a-Si：H／a-SiGe：H／μc-Si：H三结叠层电池优化表

第七节 本章总结

第六章 总结与展望

附录

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果