晶體硅太陽能電池梯度減反射膜及硅錠中晶體缺陷的研究.pdf

1、多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率雖然稍低于單晶硅太陽能電池，但前者因制備工藝較簡(jiǎn)單、成本較低而更受市場(chǎng)的歡迎。目前，如何提高硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。提高硅基太陽能電池的效率主要有兩種途徑:多晶硅硅錠制備工藝的改進(jìn)和電池制備工藝的改進(jìn)。
　　多晶硅鑄錠工藝主要有三種:澆鑄法、直接熔融定向凝固法（布里奇曼法）和電磁鑄造法(EMC);直接熔融定向凝固法是目前主流的生長(zhǎng)工藝，該方法可以生長(zhǎng)出取向性較好的柱狀硅錠。為

2、了得到尺寸更大、質(zhì)量更高的多晶硅鑄錠，多晶硅錠的生產(chǎn)工藝仍然需要進(jìn)一步完善;通過計(jì)算機(jī)對(duì)多晶硅凝固進(jìn)行數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，大量實(shí)驗(yàn)表明模擬結(jié)果具有較好的可靠性。本論文采用CGSIM軟件對(duì)多晶硅鑄錠爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、溫度梯度和硅熔體中的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了它們?cè)诓煌L(zhǎng)晶高度（隔熱籠開度）和長(zhǎng)晶速度時(shí)的分布圖，為解釋多晶硅硅錠不同位置出現(xiàn)微晶的機(jī)理提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為今后進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)多晶硅錠的工藝提供參考依據(jù)。
　　定

3、向凝固多晶硅中存在較高密度的晶體缺陷（位錯(cuò)、晶界、微晶），這些缺陷的存在影響了多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。本論文借助光學(xué)顯微鏡通過觀察位錯(cuò)的微觀形貌來研究定向凝固多晶硅錠中的位錯(cuò)特征，發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)分布的高度不均勻性、以及大量的滑移位錯(cuò)。利用掃描電子顯微鏡(SEM)并結(jié)合背散射電子衍射(EBSD)技術(shù)觀察定向凝固多晶硅樣品的表面形貌，對(duì)其中的晶界類型、分布、晶粒間取向特征等進(jìn)行了研究;這些結(jié)果有助于理解多晶硅太陽能電池的效率為什么低于單晶硅

4、太陽能電池。本論文也研究了多晶硅錠定向凝固生長(zhǎng)過程中微晶的形成，結(jié)合硅錠爐中溫度場(chǎng)、溫度梯度和流場(chǎng)及晶體形核和長(zhǎng)大的相關(guān)理論解釋了微晶形成的機(jī)理，并研究了微晶區(qū)域的面積百分比對(duì)太陽能電池光伏性能的影響行為。
　　本論文使用SiH4和NH3作為反應(yīng)氣體，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了單層和雙層氫化氮化硅(SiNx∶H)減反射薄膜。通過改變反應(yīng)氣體的流量比來控制SiNx∶H薄膜的折射率n值在1.8到3.3之間變化，改變沉積時(shí)間來控制雙層S

5、iNx∶H薄膜中的頂層和底層厚度;通過對(duì)多晶硅太陽能電池雙層SiNx∶H減反射薄膜進(jìn)行優(yōu)化，得到了頂層和底層SiNx∶H薄膜的最佳參數(shù):頂層折射率n1=1.9、底層折射率n2=2.3(λ=615nm);頂層和底層的厚度分別為d1=60nm和d2=23nm。優(yōu)化后的雙層SiNx∶H太陽能電池比單層SiNx∶H具有更好的光伏性能，這包括更高的轉(zhuǎn)換效率η、更高的開路電壓Voc和更大的短路電流密度Jsc。
　　為進(jìn)一步降低太陽能電池的光反

6、射，在SiNx∶H減反射膜上生長(zhǎng)了氧化物納米結(jié)構(gòu)，對(duì)這種納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算?？紤]到ZnO在各種基體上能較容易地生長(zhǎng)成納米陣列，其納米晶的形貌容易控制，本論文選擇在SiNx∶H減反射膜上生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步降低太陽能電池的反射率。實(shí)驗(yàn)中，在SiNx∶H減反射膜上用水浴法生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列膜層，形成梯度減反射薄膜，從而進(jìn)一步降低太陽能電池的光反射率;采用嚴(yán)格耦合波分析方法(rigorous coupled-wave ana

7、lysis，簡(jiǎn)稱為RCWA)對(duì)此梯度膜層進(jìn)行設(shè)計(jì);研究了水浴溫度、時(shí)間和溶液溶度對(duì)ZnO納米柱生長(zhǎng)特征及其性能的影響;得到了ZnO納米柱的直徑、長(zhǎng)度和陣列之間的距離不同與對(duì)光的反射率之間的關(guān)系;用有限差分時(shí)域(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)計(jì)算方法分析了這種納米結(jié)構(gòu)對(duì)降低電池光反射率的機(jī)制。
　　為了獲得到ZnO納米棒的形狀與對(duì)光的反射率之間的關(guān)系，論文采用水浴法在SiNx∶H層上成功地制備

8、了摻鉺的ZnO納米須陣列;研究了生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)摻鉺的ZnO納米須陣列的微結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻鉺的ZnO納米須陣列的長(zhǎng)度和直徑隨生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)間增加到90和120min，摻鉺的ZnO納米須陣列的納米須底部相互連接在一起，其頂部由針狀變?yōu)槠教?使其減反射性能變差。60min生長(zhǎng)的摻鉺的ZnO納米須陣列呈現(xiàn)出最好的減反射性能和光伏性能，其轉(zhuǎn)換效率由15.64％增加到17.41％。在水浴法制備摻鉺ZnO的過程中加入氨水，可得到拋物