磁控溅射法制备红外滤光薄膜及其隔热性能研究

发布时间：2020-04-22 02:47

【摘要】：近几年,随着人口的增多与经济的发展,人们对于能源的需求量越来越大,太阳能作为一种无毒无污染的可再生能源越来越受到人们的青睐,因此太阳电池的研究得到大力发展,在这其中,如何提高硅太阳电池的转换效率成为人们最为关注的问题。太阳电池的转换效率受到工作温度、入射光强度、电池结构等影响,目前已报道的单晶硅太阳电池实验室最高转换效率为26.6%。除直接制备光电转换效率较高的太阳电池外,还可以通过改善太阳电池工作环境的方式,如提高太阳电池的散热速率、优化太阳电池封装材料的透过性能等,达到提升电池转换效率的目的。本文旨在采用磁控溅射法制备出一种薄膜,用作太阳电池的封装材料,在380~1100 nm范围内有较高的透过率,而在1100~2500 nm具有近红外光过滤性能,阻隔太阳光中的红外光进入太阳电池,从而减缓太阳电池长时间工作时的升温。本实验首先采用射频磁控溅射的方法,在玻璃衬底上制备了单层的AZO薄膜,通过调节Ar气流量、工作气压、热处理温度等参数制备出不同的AZO薄膜试样。通过分析不同试样的光电性能、结晶性能等,再优化制备参数,最终在室温、Ar 10 sccm、插板阀全开的条件下制备出了在380~1100 nm范围内透光率大于88%,在2500 nm处透过率仅29.70%的AZO薄膜。将该薄膜用作晶硅太阳电池的封装材料时,使得太阳电池在3.5 h的工作时间内温度上升幅度下降了3.12?C,电池开路电压下降量减少了1.1%。为了进一步降低薄膜在近红外光区的透过率,采用FDTD solution软件模拟Ag、Au和Cu金属薄膜的透过曲线,旨在为AZO/Metal/AZO三明治结构选取合适的金属层。根据模拟结果,并结合本实验室具体实验条件,选取了Cu作为金属层,制备AZO/Cu/AZO薄膜。采用磁控溅射法制备出的AZO(139.70 nm)/Cu(9.36 nm)/AZO(139.70 nm)薄膜试样在380~1100 nm波长范围内最高透过率达80.95%,在2500 nm波长处的透过率仅为14.06%,表现出的综合透光性能最符合实验预期,且结晶性、导电性良好。将AZO(139.70 nm)/Cu(9.36 nm)/AZO(139.70 nm)薄膜试样用作太阳电池封装薄膜,可以使得太阳电池在3.5 h内的温度上升幅度减少10.61?C,开路电压下降量减少了5.41%。考虑到AZO/Cu/AZO薄膜中金属层与氧化物层的直接接触会使得金属层在互扩散的过程中发生氧化,从而改变薄膜的性能,设计加入AlN作为阻挡层阻挡AZO中的氧进入Cu层。采用磁控溅射法制备了AZO/AlN/Cu/AlN/AZO薄膜,通过改变Cu金属层的厚度进一步调控薄膜的透光性能。实验表明,AlN层的加入可以有效地阻挡Cu与AZO层的互扩散,且多层膜依旧具有较好的透光性能。AZO/AlN/Cu(14.04 nm)/AlN/AZO薄膜2500 nm波长处的透过率低至8.53%;AZO/AlN/Cu(5.85 nm)/AlN/AZO多层膜用作太阳电池封装薄膜时,不仅具有较好的导电性能,还可以使得电池在3.5 h内的温度上升幅度减少12.75?C,开路电压下降量减少了6.61%。
【图文】：

示意图,多子,掺入,电传输

等方法掺入n元素，在硅衬底的不同区域会出现p型和n型不同的导电类型，这些不同区域的交界处被称为p-n结。若衬底为n型半导体，，则通过不同方法掺入P元素形成p-n结。p-n结的结构示意图如图1.1所示。图 1.2 太阳电池工作原理示意图未经过任何掺杂处理的n型半导体或p型半导体并不具有电传输性能。经过掺杂以形成p-n结之后，由于p-n结两端的多数载流子类型不同（在p型硅中，空穴是多子，而n型硅中，电子是多子），因此会存在一定的浓度梯度。p-n结两端的载流子在浓度差的作用下被迫产生扩散运动，电子从高浓度区域运动到低浓度区，也就是说n型区域中的电子扩散至p型区域，同时p型区域的

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南京航空航天大学硕士学位论文图 1.1 常见 p-n 结的基本结构图，常用的晶硅太阳电池的生产方式一般是向p型硅内通过合金法、离子注n元素，在硅衬底的不同区域会出现p型和n型不同的导电类型，这些不同-n结。若衬底为n型半导体，则通过不同方法掺入P元素形成p-n结。p-n结示。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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