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基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验与仿真研究

基于非晶硅薄膜太阳能电池的实验与仿真研究

作者：杨光电子科技大学

学位级别：硕士

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比,具有工艺简单、成本低、能耗少等优点。但是,由于非晶硅薄膜材料自身的缺陷及光致衰减效应的存在,电池的转换效率较低、性能稳定性较差,阻碍了非晶硅薄膜太阳电池的应用。影响非晶硅薄膜... 详细信息

非晶硅薄膜太阳能电池与晶体硅太阳能电池相比,具有工艺简单、成本低、能耗少等优点。但是,由于非晶硅薄膜材料自身的缺陷及光致衰减效应的存在,电池的转换效率较低、性能稳定性较差,阻碍了非晶硅薄膜太阳电池的应用。影响非晶硅薄膜太阳能电池性能的因素主要有两个方面：一是各层薄膜材料自身的特性;二是薄膜太阳能电池结构的设计。本文基于非晶硅薄膜太阳能电池开展基础实验研究,包括透明电极TCO表面处理、窗口层a-SiC:H薄膜材料结构和性能研究以及TCO/p电接触特性研究。在此基础上,采用半导体器件仿真软件AMPS-ID对电池性能进行仿真计算,优化电池的各层材料和器件结构。论文的研究内容和主要研究结果如下： (1)盐酸对AZO表面处理能得到良好的绒面结构,腐蚀时间为20s时,绒面效果最好。用浓硫酸对ITO表面进行处理,发现粗糙度随着腐蚀时间的延长,先大后小,说明ITO表面污染物和Sn氧化物被渐渐处理掉,表面变得平滑,这样可以提高其功函数,从而提高电池性能。 (2)随着混合气体中CH4流量比例的增加,a-SiC:H薄膜的沉积速率随之降低。FTIR测试发现,CH4比例增加使得薄膜中C-C和Si-C键数目和强度得到提高;UV-vis测试可知,CH4流量比例增加使a-SiC:H薄膜的光学带隙得到升高。 (3)稀盐酸对AZO绒面处理时间存在最优值20s,此时AZO/a-SiC:H电接触特性最佳。当浓硫酸对ITO表面处理时间为10s或15s时,均获得了良好的欧姆接触。FTO/a-SiC:H能获得良好的欧姆接触,其接触电阻小于表面未经处理的AZO/a-SiC:H。p型a-SiC:H薄膜沉积过程中CH4/CH4+SiH4流量比R对TCO/a-SiC:H电接触特性有较明显的影响,R较小时有更好的电接触特性。 (4)仿真结果表明,ITO功函数的提高能有效提高非晶硅电池性能。当p层厚度选择为10nm、光学带隙在2eV～2.2eV之间变化、掺杂浓度(等效为浅受主浓度)略大于1×1020/cm3时,电池性能最好。i层厚度及其缺陷态密度对非晶硅电池性能起关键作用,其最佳厚度取值为600nm左右,此时缺陷态较少,而薄膜电池的性能较佳。

关键词：氢化非晶硅薄膜太阳能电池 TCO表面绒化非晶碳化硅薄膜仿真

PECVD制备非晶硅薄膜及其对HIT太阳电池性能的影响

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PECVD制备非晶硅薄膜及其对HIT太阳电池性能的影响

作者：铁剑锐北京交通大学

学位级别：硕士

HIT太阳电池以高效率,低成本和快速制备工艺引起国内外的广泛关注。目前HIT太阳电池的领跑者日本三洋公司己将实用尺寸双面的HIT太阳电池效率提高到23%。HIT太阳电池的性能主要由本征层、窗口层和透明电极决定。本工作通过对这三层的结... 详细信息

HIT太阳电池以高效率,低成本和快速制备工艺引起国内外的广泛关注。目前HIT太阳电池的领跑者日本三洋公司己将实用尺寸双面的HIT太阳电池效率提高到23%。HIT太阳电池的性能主要由本征层、窗口层和透明电极决定。本工作通过对这三层的结构和光电特性的研究分析,优化其制备条件,达到增加光吸收和提高载流子的分离与传输的目的,提高实验室水平单面HIT太阳电池的性能。采用PECVD法制备作为电池窗口层和本征层的非晶硅薄膜;磁控溅射法制备透明电极;利用少子寿命较高的n型晶体硅作为基底。第一、研究了本征层——本征氢化非晶硅薄膜,得出氢气流量对薄膜结晶影响很大,较小的氢气流量使薄膜呈良好的非晶状念,此时受结晶影响较大的光暗电导率分别为：σd为7.95×10-11(Ω·cm)-1,σph为4.22×10-5(Ω·cm)-1,其比值为5×105。沉积功率和压强主要影响薄膜沉积速率。而薄膜的光学禁带宽度主要与定域态密度有关,制备出的薄膜最小禁带宽度为1.7 eV。优化后的制备条件是：沉积功率为50 W,沉积压强为200 Pa,氢气流量为160 sccm。通过本征层厚度对电池性能影响的研究,得出本征层主要影响电池短路电流,最佳本征层厚度为5 nm。第二、研究了窗口层——P型非晶硅薄膜。由于掺杂剂的掺入使得薄膜的暗电导率提高4、5个数量级,也使薄膜呈现很好的非晶状态,当掺杂浓度为1.5%时薄膜的禁带宽度为2.2 eV。p型非晶硅薄膜优化后的制备条件是：沉积功率为50 w,沉积压强为200 Pa,掺杂浓度为1.5%,氢气流量为75sccm。经过研究窗口层掺杂浓度和厚度对HIT太阳电池性能的影响,我们得出窗口层主要影响电池的开路电压和短路电流,最佳掺杂浓度为1.5%,最佳厚度为30 nm。第三、研究了透明电极——ITO,我们制备出平均透过率为90%,电阻率为0.003Ω·cm的ITO薄膜,并应用于HIT太阳电池中。优化后的制备条件是：溅射功率为350 w,衬底温度为200℃,氩气流量为40 sccm。ITO厚度的提高使得电池的填充因子有明显的提高。经过分层优化,改善了电池的性能,尤其是短路电流有了明显的提高。在本研究中,最佳的Ag/ITO/p-a:Si/i-a:Si/n-c:Si/Al结构的单面HIT太阳电池性能参数分别为：开路电压为430 mV,短路电流为40.45 mA/cm2,填充因子为49.6%,转换效率为8.63%。

关键词： HIT太阳电池 PECVD n型晶体硅氢化非晶硅薄膜本征层窗口层

可调谐薄膜滤波器中的非晶硅薄膜非均匀性研究

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可调谐薄膜滤波器中的非晶硅薄膜非均匀性研究

作者：魏广路电子科技大学

学位级别：硕士

硅基F-P热光可调谐滤波器具有成本低，容易集成的优势，在光学精密测量和波长转换领域有广阔的应用前景，但做为滤波器介质层的核心材料，a-Si:H薄膜在制备过程中，其折射率和表面形貌往往会表现出不同程度的非均匀性，这严重影响滤波... 详细信息

硅基F-P热光可调谐滤波器具有成本低，容易集成的优势，在光学精密测量和波长转换领域有广阔的应用前景，但做为滤波器介质层的核心材料，a-Si:H薄膜在制备过程中，其折射率和表面形貌往往会表现出不同程度的非均匀性，这严重影响滤波器的调谐性能。本文将从理论上分析a-Si:H薄膜非均匀性如何影响F-P热光可调谐滤波器的性能，同时通过实验探寻镀膜工艺与薄膜非均匀的关系。首先，建立a-Si:H薄膜双层等效折射率模型，理论计算a-Si:H薄膜折射率非均匀性对初始调谐波长为800nm的热光可调谐薄膜滤波器调谐性能的影响。发现非均匀薄膜可调谐滤波器与理想均匀腔滤波器调谐范围相同，且都是线性调谐，但是薄膜非均匀性越差，滤波器初始调谐波长偏离800nm越严重。同时，薄膜非均匀性差异不大，FWHM值和理想值差别不大，个别调谐范围甚至优于均匀腔滤波器，随着非均匀变差，FWHM值显著上升，调谐性能变差。其次，通过PECVD方法在非晶态二氧化硅玻璃衬底上制作不同工艺条件下的a-Si:H薄膜，建立a-Si:H薄膜双层等效折射率梯度模型，采用光谱椭偏仪准确拟合计算出每一层的折射率。发现工艺条件对a-Si:H薄膜折射率非均匀性有重大影响，统计发现反应气体硅烷流量越低，射频放电功率越高，二氧化硅衬底温度越高，反应气体压强越高的情况下，a-Si:H薄膜上下两层折射率差异会变小。最后在K9玻璃上制备多组a-Si:H薄膜，借助光学金相反射显微镜，观察并分析不同镀膜工艺条件对a-Si:H薄膜表面形貌生长的影响。发现a-Si:H薄膜表面普遍具有很多不同尺寸大小的圆形凸起物，这主要是因为薄膜成核生长扩散不均匀所导致的，受工艺条件影响很大，总结发现反应气体压强越小，射频放电功率越低，反应气体流量越大，K9玻璃衬底温度越高，则a-Si:H薄膜微米级凸起物的尺寸和数量将变得越少。

关键词：薄膜滤波器氢化非晶硅薄膜折射率非均匀性表面形貌

a-Si∶H薄膜中SiyHx结构组态的原子模拟研究

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物理学报 2020年第7期69卷 195-200页

作者：翟世铭廖黄盛周耐根黄海宾周浪南昌大学材料科学与工程学院光伏研究院南昌330031

氢化非晶硅薄膜(a-Si∶H)中SiyHx结构组态对薄膜应用性能有重要影响,然而现有的分析测试手段难以对其进行深入细致的研究.本文运用分子动力学方法模拟分析了a-Si∶H/c-Si薄膜中SiyHx结构组态,以及衬底温度对其含量的影响;并进一步运用... 详细信息

氢化非晶硅薄膜(a-Si∶H)中SiyHx结构组态对薄膜应用性能有重要影响,然而现有的分析测试手段难以对其进行深入细致的研究.本文运用分子动力学方法模拟分析了a-Si∶H/c-Si薄膜中SiyHx结构组态,以及衬底温度对其含量的影响;并进一步运用第一性原理方法计算了各SiyHx组态中的Si-H键能.结果发现a-Si∶H薄膜中SiyHx结构可以归纳为六种组态.三类为以化学键结合的SiHx组态,包括SiH,SiH2和SiH3;另外三类为以物理键结合的HSiy组态,包括HSi2(s),HSi2(l)和HSi3.键能结果反映出六种组态的稳定性由高到低的顺序为SiH>SiH2>SiH3>HSi2(s)>HSi2(l)>***组态中Si-H键能在太阳光中的可见光和红外线的能量范围内,阳光照射引起HSiy组态中的Si-H物理键断裂,是非晶硅薄膜电池产生S-W(Steabler-Wronski)效应的主要机理.另外,薄膜沉积过程中衬底温度的升高将导致各类SiyHx组态含量大幅降低.

关键词： SiyHx结构键能氢化非晶硅薄膜分子动力学

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分子动力学模拟H原子与Si的表面相互作用

物理学报 2013年第16期62卷 273-278页

作者：柯川赵成利苟富均赵勇西南交通大学超导与新能源研究开发中心材料先进技术教育部重点实验室成都610031 贵州大学理学院等离子体与器壁相互作用研究所贵阳550025 四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064

通过分子动力学模拟了入射能量对H原子与晶Si表面相互作用的影响.通过模拟数据与实验数据的比较,得到H原子吸附率随入射量的增加呈先增加后趋于平衡的趋势.沉积的H原子在Si表面形成一层氢化非晶硅薄膜,刻蚀产物(H2,SiH2,SiH3和SiH4)对H... 详细信息

通过分子动力学模拟了入射能量对H原子与晶Si表面相互作用的影响.通过模拟数据与实验数据的比较,得到H原子吸附率随入射量的增加呈先增加后趋于平衡的趋势.沉积的H原子在Si表面形成一层氢化非晶硅薄膜,刻蚀产物(H2,SiH2,SiH3和SiH4)对H原子吸附率趋于平衡有重要影响,并且也决定了样品的表面粗糙度.当入射能量为1eV时,样品表面粗糙度最小.随着入射能量的增加,氢化非晶硅薄膜中各成分(SiH,SiH2,SiH3)的量以及分布均有所变化.

关键词：分子动力学吸附率表面粗糙度氢化非晶硅薄膜

稳定、优质nc-Si/a-Si:H薄膜的研制和特性分析

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物理学报 2003年第6期52卷 1465-1468页

作者：徐艳月孔光临张世斌胡志华曾湘波刁宏伟廖显伯中国科学院半导体研究所表面物理国家重点实验室凝聚态物理中心北京100083

利用等离子体增强化学气相沉积技术研制出了优质稳定的氢化非晶纳米晶两相结构硅薄膜 .薄膜的光电导率相对于器件质量的非晶硅有两个数量级的提高 ;光敏性也较好 ,光、暗电导比可以达到 10 4,此外薄膜的光电导谱具有更宽的长波光谱响... 详细信息

利用等离子体增强化学气相沉积技术研制出了优质稳定的氢化非晶纳米晶两相结构硅薄膜 .薄膜的光电导率相对于器件质量的非晶硅有两个数量级的提高 ;光敏性也较好 ,光、暗电导比可以达到 10 4,此外薄膜的光电导谱具有更宽的长波光谱响应 .更为重要的是薄膜的光致退化效应远小于典型的非晶硅薄膜 ,在光强为 5 0mW/cm2 的卤钨灯光照 2 4h后 ,光电导的衰退小于 10 % .这种薄膜优良的光电性能源于薄膜中的非晶母体的存在使其在光学跃迁中的动量选择定则发生松弛 ,因而具有大的光学吸收系数和较高的光敏性 ;相对于典型非晶硅而言 ,薄膜的中程有序度得到了较大的改善 ,并具有小的深隙态密度 ;薄膜中存在的纳米尺寸的微晶颗粒 ,提供了光生载流子的复合通道 ,在非晶母体中的电子空穴对可以转移到微晶颗粒中进行复合 ,这样抑制了非晶母体中的非辐射复合。

关键词： nc-Si/a-Si:H薄膜等离子体增强化学气相沉积研制微结构光致变化氢化非晶硅薄膜性质

辉光功率对n型a-Si:H薄膜结构及性能的影响

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人工晶体学报 2011年第2期40卷 338-342页

作者：殷官超夏冬林马晓冯晋阳赵修建武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室武汉430070

采用射频等离子增强化学气相沉积（RF-PECVD）方法,以氢稀释的硅烷（SiH4）为反应气体,磷烷（PH3）为掺杂气体,制备了n型氢化非晶硅（a-Si：H）薄膜。研究了辉光放电功率对薄膜微结构和光电性能的影响,采用XRD和拉曼散射光谱对薄膜的微... 详细信息

采用射频等离子增强化学气相沉积（RF-PECVD）方法,以氢稀释的硅烷（SiH4）为反应气体,磷烷（PH3）为掺杂气体,制备了n型氢化非晶硅（a-Si：H）薄膜。研究了辉光放电功率对薄膜微结构和光电性能的影响,采用XRD和拉曼散射光谱对薄膜的微结构进行了表征,薄膜的折射率通过NKD-7000 W光学薄膜系统拟合,薄膜暗电导率利用高阻仪测试。结果表明：在辉光功率30-150 W范围内,所沉积的磷掺杂的硅薄膜为非晶态;非晶态薄膜结构中程有序度随辉光功率的增大先增大后减小,在功率为100 W时非晶硅薄膜中程有序程度最高;薄膜的折射率随着辉光功率的增大先增加后减小,在功率为70 W达到最大值3.7;薄膜暗电导率在100 W最大,其最大值为9.32×10^-3S/cm。

关键词：氢化非晶硅薄膜有序度折射率拉曼光谱暗电导率

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异质结太阳电池中非晶钝化层的分光椭偏分析

光学学报 2015年第6期35卷 374-381页

作者：郭万武张丽平包健孟凡英陈奕峰冯志强刘正新新能源技术中心中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 光伏科学与技术国家重点实验室常州天合光能有限公司江苏常州213031 中国科学院大学北京100049

采用分光椭偏(SE)测试技术研究晶体硅(c-Si)异质结太阳电池用氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化层的性能。采用有效媒介理论为基础进行分层多相拟合,研究了a-Si:H/c-Si界面层内部的缺陷散射周期(St)、a-Si:H体内孔隙率以及薄膜介电函数峰值随... 详细信息

采用分光椭偏(SE)测试技术研究晶体硅(c-Si)异质结太阳电池用氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化层的性能。采用有效媒介理论为基础进行分层多相拟合,研究了a-Si:H/c-Si界面层内部的缺陷散射周期(St)、a-Si:H体内孔隙率以及薄膜介电函数峰值随基底温度的变化规律。通过与傅里叶红外转换光谱计算得到的微结构数据对比,发现界面层的St与薄膜内部Si H和Si H2含量相关。依据高分辨率透射电镜(TEM)下呈现的形貌特征、有效少子寿命和异质结的implied开路电压等参数的辅助证明,确定SE技术作为一种有效的光学表征手段,能准确快速地判断a-Si:H对c-Si表面的钝化性能,继而定量给出适合晶体硅异质结太阳电池高质量a-Si:H钝化层生长的最优参数。

关键词：薄膜氢化非晶硅薄膜分光椭偏测量介电函数光电特性异质结太阳电池

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MW-ECR制备的氢化非晶硅光电特性研究

MW-ECR制备的氢化非晶硅光电特性研究