低溫制備硅基薄膜太陽電池及其在塑料襯底上的應(yīng)用.pdf

1、居高不下的研發(fā)、設(shè)備和生產(chǎn)成本成為限制塑料襯底柔性硅基薄膜太陽電池大規(guī)模推廣的主要因素。本論文采用低溫沉積技術(shù)，將硅基薄膜材料及太陽電池的沉積溫度降低到120℃以下，使得多種耐溫性不高但透明性好、在工業(yè)中廉價易得的光學(xué)塑料成為很好的襯底選擇。這些透明塑料襯底可以和玻璃一樣，參照傳統(tǒng)的p-i-n型太陽電池的制備方法，使得在低成本下制備出柔性硅基薄膜太陽電池成為可能。
　　 沉積溫度降低使硅基薄膜材料的光電、結(jié)構(gòu)特性劣化。目前多數(shù)研

2、究均集中在低溫下非晶硅材料的優(yōu)化，對硅基薄膜相關(guān)的材料及器件研究需要深入開展。本論文利用常規(guī)的RF-PECVD技術(shù)，采用廉價透明塑料襯底，在低溫下對非晶硅電池、微晶硅電池、非晶硅/微晶硅疊層電池以及襯底預(yù)處理技術(shù)進行系統(tǒng)研究，主要研究內(nèi)容和取得的成果如下：
　　 首先，研究了多種參數(shù)對低溫非晶硅材料性能的影響以及低速條件下材料性能的優(yōu)化，并提出了適合于RF電源的高壓高速率沉積技術(shù)優(yōu)化低溫非晶硅材料的性能。通過改變工藝參數(shù)使沉積速

3、率降低，使低速條件下可以在很大的工藝范圍內(nèi)獲得光電性能良好的非晶硅材料，其性能已經(jīng)接近200℃下制備非晶材料的光電、結(jié)構(gòu)性能。在高壓高速條件下，通過引入“氣壓功率比”這一綜合參數(shù)，有利于迅速、準(zhǔn)確地找到合適的工藝優(yōu)化區(qū)間，使材料及電池的性能得到優(yōu)化。通過OES對生長過程進行在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)低溫低壓條件下，電子溫度是材料質(zhì)量的主導(dǎo)因素，而原子氫濃度只是在一定程度上起到輔助作用。高壓條件下，在適中的氣壓功率比下，可以獲得最低的電子溫度和最高的

4、原子氫濃度。
　　 其次，對低溫沉積的p型窗口層材料進行優(yōu)化。從低溫與高溫下制備p-a-SiC材料的性能對比入手，我們發(fā)現(xiàn)，低溫常規(guī)條件制備p-a-SiC材料的寬帶隙與低激活能不易同時獲得，較低的內(nèi)建電勢是鉗制低溫非晶硅電池開路電壓的主要因素?；诠柰榕c甲烷的分解具有不同的閾值能量，提出一種．“低功率、低硅烷流量”的條件下，避免了甲烷的直接分解，可以使生長過程和生長機制得到簡化。通過對摻雜濃度的調(diào)整以及氫稀釋率的提高，使低溫制備

5、p-a-SiC材料的結(jié)構(gòu)有序度得到改善、Si-H鍵含量提高，使材料的帶隙得到展寬。與此同時，有序的結(jié)構(gòu)使摻雜效率提高，可以在較低的氣相摻雜濃度下獲得足夠高的電導(dǎo)率。最終，在125℃低溫下獲得了E04=2.02eV、暗電導(dǎo)率為1.0x10-7S/cm的p-a-SiC材料。將其與SC=8％條件下制備的本征非晶硅材料結(jié)合起來，獲得了Voc=0.97V，轉(zhuǎn)換效率達到7.5%的單結(jié)非晶硅電池。另一方面，與寬帶隙的非晶硅本征層相結(jié)合，使p-i-n型

6、單結(jié)非晶硅電池Voc達到1.01V。
　　 再次，對低溫沉積的本征微晶硅材料及非晶硅/微晶硅疊層電池性能進行優(yōu)化。我們發(fā)現(xiàn)，低溫下微晶硅材料生長初期的非晶硅孵化層較厚，沿生長方向上材料的光電、結(jié)構(gòu)特性演變也更為劇烈。采用梯度硅烷濃度法，可以實現(xiàn)不同晶化率材料的制備以及縱向結(jié)構(gòu)均勻性的優(yōu)化。然而此時薄膜的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是多種晶向混雜存在的狀態(tài)，且晶粒尺寸較小，晶粒間界的大量存在導(dǎo)致載流子的縱向輸運特性劣化。針對低溫沉積微晶硅材料中存

7、在的問題，我們提出一種將生長過程分為起始層、過渡層和主體層三個部分的“三步法”沉積工藝。在高功率、低硅烷濃度的條件下，獲得了晶化率為48%、(220)晶向擇優(yōu)生長的起始層材料。以此為基礎(chǔ)，通過提高主體層的反應(yīng)氣壓有效地降低了粒子轟擊能量，使主體層以近似外延的方式生長，其(220)擇優(yōu)取向不斷增強，且伴隨晶粒的不斷長大。將寬帶隙、高開路電壓的非晶硅項電池與“三步法”優(yōu)化的微晶硅底電池結(jié)合起來，在125℃下制備的非晶硅/微晶硅疊層電池效率達

8、到7.7%。
　　 最后，對塑料襯底的預(yù)處理技術(shù)進行了研究。首先對PET及PET/ITO進行了不同溫度的退火實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過125℃，ITO的晶粒團簇逐漸減少，至175℃退火時晶粒團簇幾乎完全消失，并出現(xiàn)ITO薄膜的斷裂現(xiàn)象。進而在PECVD腔室內(nèi)對PET塑料進行氬等離子體處理，可以有效刻蝕PET表面的非晶及無序部分，使其上生長的ITO薄膜結(jié)晶特性和光電性能得到改善。將預(yù)處理技術(shù)與低溫沉積技術(shù)相結(jié)合，使柔性非晶硅電池效率達到