晶體硅太陽電池中的光衰減研究.pdf

1、晶體硅太陽電池是最重要的光伏器件，近年來一直是硅材料研究界和光伏產(chǎn)業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。眾所周知，常規(guī)的晶體硅太陽電池都是基于p型摻硼硅晶體制造的，但這種電池存在著光衰減現(xiàn)象，也就是指電池在服役過程中轉(zhuǎn)換效率會發(fā)生迅速衰減的現(xiàn)象。該現(xiàn)象已經(jīng)成為制約高效太陽電池發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸。目前光衰減現(xiàn)象的性質(zhì)和機(jī)理還未完全清楚，它是當(dāng)前國際上晶體硅太陽電池材料和器件方向的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文圍繞著晶體硅太陽電池光衰減的性質(zhì)、行為以及抑制（

2、或消除）手段，開展了系統(tǒng)研究，得到了以下主要創(chuàng)新結(jié)果:
　　(1)建立了光衰減中心——硼氧復(fù)合體與雙氧的關(guān)系。通過準(zhǔn)熱平衡退火改變直拉單晶硅中的雙氧濃度，發(fā)現(xiàn)硼氧復(fù)合體的飽和濃度正比于雙氧濃度。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為當(dāng)前主流光衰減模型的前提假設(shè)提供了證據(jù)，也就是認(rèn)為雙氧作為硼氧復(fù)合體形成所必需的組分，在光衰減過程中扮演了關(guān)鍵角色。
　　(2)研究了熱施主補(bǔ)償?shù)膎型摻硼硅晶體中的光衰減行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，n型補(bǔ)償硅中載流子壽命的光衰減曲線需

3、要雙指數(shù)擬合，是由快衰減過程和慢衰減過程共同組成的。在n型補(bǔ)償硅中，硼氧復(fù)合體的飽和濃度隨樣品中電子濃度n0成非線性增加;同時(shí)隨光照強(qiáng)度線性增加，也就是正比于非平衡的空穴濃度△p。研究還發(fā)現(xiàn)快衰減過程的缺陷形成速率常數(shù)正比于n0，但慢過程中卻與n0無關(guān);得到慢過程的形成激活能為0.4eV?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，我們研究認(rèn)為p型和n型補(bǔ)償硅中的光衰減應(yīng)該有相同的本質(zhì)，是由相同的硼氧復(fù)合體缺陷導(dǎo)致的。但與載流子濃度相當(dāng)?shù)膒型硅相比，n型補(bǔ)償中的硼氧

4、復(fù)合體濃度要低一個(gè)數(shù)量級，因此光衰減造成的影響要小很多。
　　(3提出了硼氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)以及導(dǎo)致光衰減的形成機(jī)理。研究使用第一性密度泛函理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)硼氧復(fù)合體有兩種最穩(wěn)定的基態(tài)結(jié)構(gòu)以及兩種相對應(yīng)的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，其中亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)與光衰減復(fù)合中心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究提出了新的光衰減模型，認(rèn)為基態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)著光衰減過程中的前體和產(chǎn)物，在光照注入過量載流子的情形下，通過載流子復(fù)合增強(qiáng)反應(yīng)機(jī)制，基

5、態(tài)結(jié)構(gòu)向亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了光衰減的發(fā)生。該模型較好地解釋了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　(4)提出了低光衰減的摻鍺直拉單晶硅中的鍺摻雜對光衰減的抑制機(jī)理。通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了鍺能抑制間隙氧和雙氧的擴(kuò)散，其機(jī)理在于較大尺寸的鍺原子的空間阻礙作用。由此，摻鍺降低了雙氧濃度，進(jìn)而抑制了硼氧復(fù)合體形成。摻鍺硅中熱施主的形成實(shí)驗(yàn)，表明了鍺能夠抑制熱施主的形成。通過建立氧團(tuán)聚初期過程的動力學(xué)模型，得到了四氧復(fù)合體(O4i)的擴(kuò)激活能約為1.1e

6、V，研究證明，鍺原子使各種氧復(fù)合體的擴(kuò)散能力均下降。
　　(5)研究了無光衰減的鎵磷補(bǔ)償直拉單晶硅的晶體生長、晶體性質(zhì)以及用該晶體制造的太陽電池性能。發(fā)明了氣相磷摻雜技術(shù)，用來制備軸向電阻率均勻分布的鎵磷補(bǔ)償直拉單晶硅。該技術(shù)解決了摻鎵硅晶體電阻率分散性大的缺點(diǎn)，顯著提高了晶體的利用率。此外，通過比較載流子遷移率實(shí)驗(yàn)值與Klaassen模型的計(jì)算值，指出鎵磷補(bǔ)償晶體中形成了鎵磷復(fù)合體，該復(fù)合體的形成有助于降低補(bǔ)償對遷移率的不利影響