超薄高速非晶硅-微晶硅雙結疊層太陽電池的制備與研究.pdf

1、界面緩沖層，可將Voc由0.90V提高到0.99V。然后，為了進一步提高Voc，提出了Ag-NPs作為AZO/p高功函數界面以降低接觸勢壘的方法，使空穴輸運能力得到提高。AZO/p界面空穴輸運能力的提高會降低空穴復合幾率，從而增強內建電勢Vb1,提高Voc。當采用直徑為10nm的Ag-NPs作為高功函數界面時，可使AZO的平均透過率高于85％，同時因其對短波段光的共振吸收較小，最終使電池在400nm短波處響應保持在60％。Ag-NPs的

2、引入可使AZO與p型摻雜層接觸的功函數提高0.53eV，最終使Voc提高到1.01V，電池效率達到8.0％。在Ag-NPs參與等離子體激元誘導的熱電子轉移(PHET)行為的研究中發(fā)現:Ag-NPs可拓展a-Si∶H的吸收限，使其在波長＞800nm的截止區(qū)也有光譜響應，且等離子體激元的熱電子密度與Ag-NPs的尺寸和密度均相關。通過引入480nm偏光可以飽和帶內缺陷能級，從而提高熱電子的轉移效率。當沉積厚度為1.5nm-3nm(沉積時間為

3、10s-20s)的Ag-NPs在吸收層中間位置時，480nm偏光對PHET輔助效果最優(yōu)。
　　最后，對高速沉積的微晶硅單結電池和超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結疊層電池進行了研究。(1)為了進一步降低SiH4的使用量和設備成本，采用單腔室PECVD沉積技術，在低硅烷流量(～6sccm)和濃度下，采用Ar等離子體輔助方法制備微晶硅本征層。Ar的引入可顯著提高SiH3等前驅物的有效濃度，進而提高沉積速率。Ar的引入會降低Hα*

4、/SiH*強度比，從而降低薄膜晶化率;但當Ar分數far較高時，Ar等離子體的物理刻蝕作用開始明顯，使得薄膜晶化率提升。由于Ar等離子體對薄膜物理轟擊會產生大量的懸掛鍵，使得(111)面的晶粒開始增多，而在實際應用中發(fā)現Ar氣分數far較高時并不利于電池的制備。為了降低高速沉積微晶硅過程中孵化層厚度，采用高晶化率籽晶層以及本征層硅烷濃度梯度來對其進行調節(jié)，同時降低起始層的功率以減少籽晶層與起始層之間的界面缺陷。(2)在超薄疊層電池的設計

5、中，選擇了頂電池電流限制的方案，所以采用RMS更高的AZO作為襯底;同時采用Ag-NPs作為n-SiOx∶H/p-SiOx∶H隧穿結之間的復合層來提高隧穿結復合效率以降低串聯(lián)電阻。頂、底電池吸收層厚度分別確定為150nm和1200nm，疊層電池總厚度為1460nm。采用Ar等離子輔助法制備微晶硅底電池(沉積速率為1.32nm/s)，所得到的超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結疊層電池的Voc=1.472V，Jsc=10.15mA/c

6、m2，FF=67.72％，Eff=10.12％;采用基于高壓高功率+硅烷耗盡法(hphP+HPD)制備微晶硅底電池(沉積速率為1.06nm/s)，所得到的超薄高速a-Si∶H/μc-Si∶H雙結疊層電池的
　　高速率沉積超薄吸收層厚度（簡稱“超薄高速”）的非晶硅/微晶硅(a-Si∶H/μc-Si∶H)雙結疊層太陽電池具有明顯的優(yōu)勢:首先，吸收層厚度減薄后，不但縮短了制備時間，而且減少了原材料消耗，從而降低了生產成本;其次，吸收層厚

7、度的減少導致電池內建電場的增強，從而有利于提高電池穩(wěn)定性，這對于非晶硅頂電池更為關鍵。然而，在制備超薄高速電池的過程中會存在以下問題:(1)在疊層電池中需要對界面進行優(yōu)化，尤其是項電池的界面特性對疊層電池的Voc和FF會有較大的影響;(2)由于頂、底電池均采用了超薄吸收層，會存在頂、底電池電流不匹配的問題;(3)采用超薄高速微晶硅作為底電池的吸收層材料，會造成吸收層縱向結構均勻性較差，影響底電池的性能。針對這些問題，本論文進行了如下三個

8、方面的研究:
　　首先，對基于FTO襯底的超薄非晶硅頂電池進行了研究，主要包括:(1)采用p-a-SiC∶H/p-nc-SiC∶H雙窗口層以及i-a-SiC∶H作為p/i界面緩沖層，以提高電池的Voc、Jsc和FF。其中，p-nc-SiC∶H不僅提高了電池的內建電勢，還可在沉積過程中對p-a-SiC∶H進行氫處理，提高p-a-SiC∶H材料的質量。(2)采用n型硅氧材料作為非晶硅電池的背反射層，可有效提高電池的長波響應，進而提高J

9、sc。長波段吸收增強原因:一是折射率梯度造成的反射增強，二是在低折射率的硅氧材料介質中，Al背反等離子共振吸收峰的藍移會降低Al背反對長波段的共振吸收，使更多的長波段光釋放出來被電池吸收。(3)為進一步提高非晶硅頂電池的Voc和FF，采用CO2等離子體(COP)處理FTO方法，對FTO表面進行襯底修飾。COP處理FTO過程中由于CO基團的奪氧摻雜效應與O基團的反摻雜效應的競爭，使得FTO表面費米能級在下移的過程中還伴隨著表面吸附氧的變化

10、。FTO表面費米能級下移使得功函數升高，經過COP處理后，FTO表面功函數提高了0.18eV，從而降低了p型摻雜層勢壘高度，提高了空穴輸運能力，最終提高了Voc和FF。表面吸附氧濃度的變化改變了FTO表面自由能，影響后期p型摻雜層的沉積質量，對電池的Voc影響較大。最終，在本征吸收層厚度為200nm情況下，電池的Voc達到0.99V，轉換效率為8.16％。
　　其次，對基于AZO襯底的超薄非晶硅頂電池，首先采用i-a-SiC∶H作