太陽(yáng)電池材料氫化納米硅薄膜的均勻性和帶隙調(diào)控研究.pdf

1、能源是人類(lèi)生活的基礎(chǔ),而傳統(tǒng)的能源面臨著枯竭和環(huán)境污染兩大問(wèn)題,難以滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。因此,開(kāi)發(fā)和利用可再生的清潔能源成為全社會(huì)急需解決的大問(wèn)題。太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭且無(wú)污染的綠色能源,成為首選目標(biāo)之一。太陽(yáng)電池是將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為方便使用的電能的一種器件。相比于第一代晶體硅太陽(yáng)電池,第二代薄膜太陽(yáng)電池——尤其是以硅為原料的太陽(yáng)電池——具有易于大面積生長(zhǎng)、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì),因而受到了廣泛的關(guān)注,并且占據(jù)了一定全球光

2、伏產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)份額。然而,商業(yè)上的非晶硅薄膜仍存在某些難以克服的缺點(diǎn),如:能量轉(zhuǎn)換效率低、電導(dǎo)率低,且易發(fā)生光致衰退現(xiàn)象(即所謂的Staebler-Wronski效應(yīng))。納米硅薄膜在解決這些問(wèn)題方面表現(xiàn)出色。納米硅薄膜是一種由納米量級(jí)單晶硅顆粒鑲嵌于多晶硅網(wǎng)絡(luò)中而組成的混相材料,目前已對(duì)其光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。由于納米晶粒中光學(xué)吸收截面增加和載流子傳導(dǎo)率高,在nc-Si薄膜中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)的光學(xué)吸收和高的光電流。目前人們正在不斷進(jìn)行嘗

3、試,希望能制備出同時(shí)具有高轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性的單結(jié)、多結(jié)第三代納米硅薄膜太陽(yáng)電池。在工業(yè)上應(yīng)用納米硅薄膜的難點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)大面積均勻沉積,這一點(diǎn)對(duì)于提高太陽(yáng)電池的性能極為重要。另一個(gè)影響納米硅薄膜太陽(yáng)電池性能的重要因素是對(duì)其光學(xué)帶隙的調(diào)控,必須使其帶隙與太陽(yáng)光譜相匹配,以求更好地利用太陽(yáng)能量。本文利用空間分辨率為微米量級(jí)的顯微拉曼(Raman)面掃描技術(shù)和室溫發(fā)光光譜(PL),研究了摻雜濃度對(duì)用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的n型摻磷氫化

4、納米硅(nc-Si:H)薄膜的均勻性及光學(xué)帶隙的影響。我們首先通過(guò)Raman光譜分析來(lái)提取磷摻雜nc-Si:H樣品的均勻性以及晶粒尺寸分布、晶態(tài)比等結(jié)構(gòu)特性隨摻雜濃度變化的信息,并從生長(zhǎng)的機(jī)制方面對(duì)其進(jìn)行了分析。隨著摻雜濃度CP從0％增加到5%,平均晶粒尺寸d先是逐漸降低,接著隨著摻雜濃度CP超過(guò)5%進(jìn)一步增加,平均晶粒尺寸d又逐漸上升;而從CP=0%變化到CP=20%,平均晶態(tài)比XC從54.9%連續(xù)下降到35.4%。同時(shí),我們能很清楚

5、地看到隨著摻雜濃度的改變,平均晶粒尺寸和體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)差的分布線(xiàn)寬都在改變。本征樣品D1的線(xiàn)寬最窄,均勻性最好;而在摻雜樣品中,隨著摻雜濃度的增加,相對(duì)偏差(即薄膜不均勻性)先減小后增大。而d和XC的平均值對(duì)CP的依賴(lài)關(guān)系同應(yīng)力和Γ3的正好分別相反,說(shuō)明提高摻雜濃度將會(huì)降低nc-Si:H薄膜的結(jié)構(gòu)有序度。為了深入了解更多nc-Si:H薄膜的光學(xué)帶隙等光學(xué)性質(zhì),我們還測(cè)量了nc-Si:H薄膜的PL光譜,這些PL譜能用晶粒尺寸呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布情況

6、下、同時(shí)考慮了量子限制效應(yīng)、局域表面態(tài)和晶粒尺寸分布的I-K模型很好地?cái)M合。發(fā)光光譜的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了Raman面掃描所得的樣品均勻性。PL和拉曼分析的高度一致證實(shí)I-K模型是揭示納米材料晶粒尺寸分布令人滿(mǎn)意的手段。此外,拉曼面掃描能有效地提取薄膜均勻性方面的信息,而無(wú)論從基本物理還是未來(lái)應(yīng)用的角度來(lái)考慮,均勻性在太陽(yáng)電池的評(píng)估中都是不可或缺的。此外,我們還從PL峰位隨摻雜濃度改變的角度,討論了對(duì)nc-Si:H薄膜的帶隙調(diào)控。這種峰移是

7、由d、σPL/d和C這三個(gè)參數(shù)決定的。因此,合理選擇摻雜濃度,能制造出同時(shí)具有高度均勻性和合適光學(xué)帶隙的樣品。希望本文的研究能對(duì)提高nc-Si:H薄膜太陽(yáng)電池的性能有所幫助。而如何通過(guò)改變氣體壓力、氫稀釋比和襯底溫度等相互依賴(lài)的生長(zhǎng)條件,達(dá)到最優(yōu)化nc-Si:H生長(zhǎng)的目的,值得我們進(jìn)一步深入研究。以上研究得到了科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(納米研究計(jì)劃)(2010CB933702)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(10734020)和上海市優(yōu)秀