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文檔簡(jiǎn)介
1、能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基本動(dòng)力。在嚴(yán)峻的能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化的壓力下,世界各國(guó)都把開發(fā)利用可持續(xù)的清潔能源作為未來(lái)的能源發(fā)展戰(zhàn)略。在當(dāng)前迅速發(fā)展的綠色能源中,太陽(yáng)能以其資源豐富、沒有地域界限、清潔等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而占有重要的地位。
影響太陽(yáng)能光伏器件大規(guī)模應(yīng)用的最主要因素,一是成本問題,二是轉(zhuǎn)換效率問題。新結(jié)構(gòu)材料氫化納米硅薄膜由于具有卓越的光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)特性,備受科研界關(guān)注—?dú)浠{米硅(nc-Si:H)由各占薄膜體積百分比約50
2、%的細(xì)微硅晶粒(晶粒大小2~10nm)和無(wú)序晶界界面組成,界面區(qū)厚度約為2~4個(gè)原子層,也有研究小組稱這種新穎材料為非晶納米結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既有非晶硅薄膜寬光學(xué)帶隙,又具有單晶硅的高電導(dǎo)和光穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)。人們利用這些特性已成功開發(fā)了如發(fā)光二極管、隧道二極管等光電器件。本論文旨在利用氫化納米硅的特殊性質(zhì)制備薄膜太陽(yáng)電池。
本論文首先通過(guò)改變工藝條件進(jìn)行分組式氫化納米硅薄膜的生長(zhǎng),并對(duì)其進(jìn)行表征以及光電性能測(cè)試。在此基礎(chǔ)上,研究
3、制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)和對(duì)薄膜光電性能的影響。最后對(duì)單結(jié)氫化納米硅薄膜太陽(yáng)電池性能進(jìn)行了模擬分析。
對(duì)于本征氫化納米硅薄膜:
1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著硅烷流量的增加,納米硅薄膜內(nèi)的晶態(tài)含量Xc逐漸減少,而晶粒尺寸卻呈現(xiàn)增大趨勢(shì);然而當(dāng)僅增加變直流偏壓時(shí),對(duì)晶粒尺寸的影響甚微,而晶態(tài)含量卻從36%直線增加到51.4%。結(jié)合晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力論,我們可以認(rèn)為:直流偏壓提供了晶粒成核的動(dòng)力。
2)生長(zhǎng)溫度的
4、高低直接影響薄膜的晶態(tài)比和晶粒大小。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著薄膜襯底溫度的增加,nc-Si:H薄膜中晶粒尺寸以及晶態(tài)含量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì);沉積時(shí)間也會(huì)對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng),氫化納米硅薄膜中晶態(tài)成分呈現(xiàn)微小的上升趨勢(shì),同時(shí)也有利于薄膜進(jìn)行規(guī)律性生長(zhǎng)。
3)射頻功率作為另一激勵(lì)源,控制著反應(yīng)腔室內(nèi)反應(yīng)離子動(dòng)能的大小,射頻功率越大腔室內(nèi)的反應(yīng)離子運(yùn)動(dòng)越是劇烈,薄膜的拉曼光譜出現(xiàn)藍(lán)移,即出現(xiàn)結(jié)晶增多現(xiàn)象。
5、 4)隨著硅烷濃度的增加,薄膜由于非晶化成分增加,光學(xué)禁帶寬度(Eg)增加,然而直流偏壓的增加使得Eg從2.2eV下降到1.6eV。對(duì)薄膜樣品的拉曼譜進(jìn)行擬合與分析,選擇薄膜內(nèi)部晶粒尺寸變化甚微,僅內(nèi)部晶態(tài)含量XC變化的樣品,分析發(fā)現(xiàn):隨著XC的增加,禁帶寬度呈下降趨勢(shì),從而真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)光學(xué)禁帶寬度的間接可控。
P型(摻雜硼元素)氫化納米硅薄膜作為太陽(yáng)電池的窗口層,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在僅改變硼烷含量的情況下:當(dāng)硼烷流量增多
6、時(shí),由于硼烷對(duì)薄膜生長(zhǎng)的毒化作用,晶態(tài)含量逐漸減少,呈線性變化;而對(duì)于晶粒尺寸以及禁帶寬度,都出現(xiàn)異于本征薄膜的變化趨勢(shì);而當(dāng)只改變直流偏壓時(shí),晶態(tài)含量隨著直流偏壓的增加,相應(yīng)地由39.7%增加到51.6%。呈單調(diào)增加的趨勢(shì)與本征氫化納米硅薄膜的變化相符一致??梢?,無(wú)論是在摻雜或是本征生長(zhǎng)的情況下,直流偏壓都是晶粒生長(zhǎng)的動(dòng)力。然而對(duì)于硼烷流量的控制,由于硼烷這種非碳氮族元素的加入,發(fā)生復(fù)雜的結(jié)鍵、晶粒生長(zhǎng);尤其隨著硼烷含量的變化,薄膜的
7、生長(zhǎng)愈加復(fù)雜化,所以對(duì)摻硼氫化納米硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。
另外,在結(jié)合光伏器件對(duì)Ⅰ層本征氫化納米硅薄膜光電性能的要求基礎(chǔ)上,利用賓夕法尼亞州州立大學(xué)的太陽(yáng)能電池模擬軟件AMPS(Analysis ofMicroelectronic and Photonic Structures),改變Ⅰ層薄膜的厚度和光學(xué)禁帶寬度等情況下,研究各納米硅薄膜性能改變時(shí)對(duì)太陽(yáng)電池的輸出性能:開路電壓、短路電流、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率
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