晶硅薄膜的制備及其在太陽電池中的應(yīng)用.pdf

1、傳統(tǒng)化石能源的日益減少以及由其造成的環(huán)境的污染迫使我們必須開發(fā)清潔的可再生能源。太陽能光伏發(fā)電是一種直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的能源利用方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前市場上占主導(dǎo)地位的太陽電池為體硅電池，由于硅片本身成本較高，導(dǎo)致太陽電池的發(fā)電成本仍然無法和傳統(tǒng)發(fā)電成本相抗衡。利用品硅薄膜代替體硅材料可以有效的降低太陽電池成本，從而降低太陽能發(fā)電成本。
　　本文以太陽電池使用的晶硅薄膜作為研究對象，針對當(dāng)前晶硅薄膜制備方法的不足，提出

2、了一系列新穎的制備方法，并詳細(xì)研究了不同參數(shù)對制備的薄膜性能的影響及影響機理。通過優(yōu)化材料性能，制備了晶硅薄膜太陽電池器件并對器件制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，制各了光電轉(zhuǎn)換效率較高的晶硅薄膜太陽電池。
　　系統(tǒng)研究了熱絲溫度、H2稀釋比、襯底溫度及襯底類型等對熱絲CVD沉積硅薄膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奶岣邿峤z溫度可以有效的提高硅薄膜的結(jié)晶性能，而過高的熱絲溫度反而會使硅薄膜的結(jié)晶性能降低。H2稀釋比對薄膜性能的影響表現(xiàn)出類似的趨勢，

3、即:適當(dāng)?shù)腍2稀釋比有利于硅薄膜結(jié)晶性能的提高，同時隨H2稀釋比的升高薄膜的沉積速率急劇下降。隨襯底溫度的升高，薄膜的結(jié)晶性能有一定的提高。通過優(yōu)化硅薄膜的制備參數(shù)，制備了硅薄膜p-n結(jié)，發(fā)現(xiàn)其最高工作溫度可達(dá)280℃。此外，不同類型的襯底對多晶硅薄膜的結(jié)晶性能也有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Si(111)襯底對熱絲CVD制備多晶硅薄膜具有很強的誘導(dǎo)作用，Si(100)襯底次之，AZO襯底對多晶硅薄膜也具有一定的誘導(dǎo)作用，而普通玻璃則沒有表現(xiàn)

4、出對硅薄膜生長的誘導(dǎo)作用。
　　對非晶硅薄膜進(jìn)行固相晶化處理可以制備結(jié)晶性能優(yōu)異的多晶硅薄膜，如固相晶化法(SPC)、金屬誘導(dǎo)晶化法(MIC)等。然而長達(dá)數(shù)小時甚至數(shù)十小時的晶化時間使這種方法制備的多晶硅薄膜成本很高。本文對熱絲CVD沉積的非晶硅薄膜進(jìn)行快速熱退火晶化處理，研究了不同處理參數(shù)對所制備薄膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，利用快速熱退火可以在極短時間(＜20s)內(nèi)得到晶化率超過95％的多晶硅薄膜。在上述研究基礎(chǔ)上，制備了硅薄膜p

5、-n結(jié)，最高工作可達(dá)300℃。此外，通過優(yōu)化工藝，有效抑制了厚度為微米級的非晶硅薄膜在快速熱退火晶化過程中可能出現(xiàn)的微裂紋及脫落現(xiàn)象。
　　通過雙層多孔硅層轉(zhuǎn)移技術(shù)，利用自行設(shè)計的電化學(xué)腐蝕裝置實現(xiàn)對待腐蝕單晶硅片全面積腐蝕制備雙層多孔硅，并以此為模板采用LPCVD技術(shù)外延高質(zhì)量準(zhǔn)單晶硅薄膜。同時，采用熱絲CVD低溫沉積非晶硅薄膜作為電池的發(fā)射極，形成薄膜型HIT(Heterojunction withIntrinsic Thin

6、 layer)結(jié)構(gòu)太陽電池。這種技術(shù)一方面使用外延高質(zhì)量晶硅薄膜作為吸收層可以有效降低硅材料用量，并且可以將制備的太陽電池轉(zhuǎn)移至廉價襯底上，同時用于制備雙層多孔硅的單晶硅片可以重復(fù)利用，從而降低電池的制備成本。另一方面，利用熱絲CVD沉積發(fā)射極與傳統(tǒng)的高溫制備發(fā)射極工藝相比，具有能耗低、速度快的優(yōu)點，在200℃的溫度下，僅需要50s即可以完成發(fā)射極的制備，因此可以進(jìn)一步降低太陽電池的制備成本。通過優(yōu)化工藝，利用層轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了光電轉(zhuǎn)換效

7、率為9.6％的薄膜型HIT太陽電池。
　　在掌握熱絲CVD制備不同形態(tài)的Si薄膜參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過在沉積腔室內(nèi)引入襯底偏壓，研究襯底偏壓對沉積硅薄膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在較低H2稀釋比下通過施加襯底偏壓可以有效提高所沉積薄膜的結(jié)晶性能與致密度，因此可以實現(xiàn)在較低H2稀釋比下高速沉積高質(zhì)量微晶硅薄膜。另外，在較低H2稀釋比下襯底偏壓對不同襯底上沉積的微晶硅薄膜結(jié)晶性能提高的程度也有所區(qū)別，具體表現(xiàn)為:在不銹鋼襯底上沉積的硅薄膜與玻

8、璃襯底上的具有更優(yōu)異的結(jié)晶性能。與之相反，在高H2稀釋比條件下，不銹鋼襯底上沉積的硅薄膜結(jié)晶性能隨襯底偏壓的升高逐漸降低，而玻璃襯底上的微晶硅薄膜結(jié)晶性能則先變好后降低。分析襯底偏壓對所沉積硅薄膜影響的機理主要與熱絲在高溫下發(fā)射的電子在電場中加速運動有關(guān)，這些高速運動的電子與反應(yīng)基元相互碰撞，而引起的沉積過程的變化。而兩種襯底上沉積薄膜的結(jié)晶性能差異主要與襯底表面在電場中的電位有關(guān)。不銹鋼襯底電位與石墨襯底盤相同，因此受襯底偏壓影響更明