低成本高效晶體硅材料及太陽電池研究.pdf

1、太陽能光伏發(fā)電是一種重要的綠色可再生能源，具有很好的發(fā)展前景，成為國際研究和產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)。近10年來，晶體硅太陽電池一直占據(jù)太陽能光伏市場的主體地位，約90％的太陽電池由晶體硅制造。因此，高效率和低成本的晶體硅太陽電池成為人們長期追求的目標(biāo)，而晶體硅中雜質(zhì)和缺陷以及它們對太陽電池效率的影響則是關(guān)鍵的科學(xué)問題。
　　圍繞低成本高效率太陽電池用硅晶體材料，本文發(fā)明了低成本鋁硅熔體法制備多晶硅技術(shù)，開發(fā)了低成本高效鑄造準(zhǔn)單晶硅晶體生長技術(shù)

2、和低翹曲薄片太陽電池制備關(guān)鍵技術(shù)，同時對低成本技術(shù)制備的多晶硅原料(UMG)和鑄造準(zhǔn)單晶硅材料等進(jìn)行了雜質(zhì)與缺陷方面的系統(tǒng)研究，并對太陽電池制備技術(shù)的改進(jìn)方法闡述了相關(guān)機(jī)理。本文取得了如下主要的創(chuàng)新結(jié)果:
　　(1)發(fā)明了一種利用鋁硅熔體提純多晶硅原材料的方法。利用鋁硅合金較低的共熔點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在較低溫度下對金屬硅的有效提純;研究了雜質(zhì)鋁對晶體硅及太陽電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)鋁在硅中會形成深能級缺陷，導(dǎo)致少子壽命的降低，從而引起電池

3、效率的降低;同時指出，含鋁的晶體硅太陽電池不存在效率的光致衰減。
　　(2)研究了鑄造準(zhǔn)單晶硅材料及太陽電池的性能。鑄造準(zhǔn)單晶硅氧含量較低，硼氧復(fù)合體缺陷較少，沒有晶界，但有較高的位錯密度（104～106cm-2）;鑄造準(zhǔn)單晶硅太陽電池效率絕對值比鑄造多晶硅電池高1％左右，其中材料因素和反射率因素各占約0.3％和0.7％;同時，與普通摻硼直拉單晶硅相比，鑄造準(zhǔn)單晶電池的光致衰減要小很多，但電池效率平均低0.5％。
　　(3)

4、研究了鑄造準(zhǔn)單晶硅材料中的主要雜質(zhì)與缺陷行為和物理機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，少量的分散的位錯對少子壽命以及電池性能的影響不大，但這種影響隨密度的增大而增大，而位錯聚集體是一種危害很大的缺陷，它會大幅降低材料的機(jī)械和電學(xué)性能，嚴(yán)重影響電池效率，并且無法通過電池工藝消除;鑄造準(zhǔn)單晶硅底部少子壽命低主要因?yàn)殍F雜質(zhì)的作用，論文通過實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算證實(shí)，鑄造準(zhǔn)單晶硅底部低少子壽命區(qū)域的形成是坩堝和氮化硅涂層中鐵向硅中擴(kuò)散以及初始凝固的富鐵層向兩側(cè)擴(kuò)散共同作用

5、的結(jié)果;鑄造準(zhǔn)單晶硅中位錯對硅中硼氧復(fù)合體缺陷具有直接影響，高密度的位錯會影響硼氧復(fù)合體的形成動力學(xué)參數(shù)，但對其熱力學(xué)行為不構(gòu)成影響，在高密度的硅樣品中，硼氧復(fù)合體形成激活能為0.57±0.02eV，形成速率常數(shù)為1.3×105s-1，比無位錯硅中高兩個數(shù)量級，這是因?yàn)槲诲e在p型硅中引入帶電價態(tài)，從而增加了硼氧復(fù)合體形成動力學(xué)中瞬態(tài)復(fù)合中心過程必需的空穴俘獲勢壘。
　　(4)研究了低翹曲薄片太陽電池技術(shù)。研究提出了利用金屬納米顆粒

6、催化的新型制絨方法:通過優(yōu)化銀納米顆粒的大小和制絨時間，在硅表面形成了規(guī)則排列的微孔金字塔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)在全波長段內(nèi)都具有極低的反射率，但基于常規(guī)電池工藝制備的太陽電池效率反而下降，這可能是由于多孔結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的表面復(fù)合并與擴(kuò)磷過程不兼容的原因。研究還提出了一種新的鋁背場技術(shù)，通過調(diào)制含硼的鋁漿并降低鋁漿的印刷厚度，實(shí)現(xiàn)了減小電池翹曲和降低碎片率的目的:由于硼在硅中固溶度較鋁高，這種在硅片背面形成的摻硼鋁背場在同樣