量子选择型硅基异质结光伏器件的制备和输运特性的研究

发布时间：2020-04-26 04:58

【摘要】：量子选择型硅基异质结光伏器件一般由晶硅、钝化隧穿层、载流子选择层组成,具有负温度系数低、寄生吸收少、理论转换效率高等优点,已引起光伏研究者的广泛关注。本文根据半导体器件物理、硅太阳能电池基本原理及技术,对ITO/SiO_x(In)/n-Si、MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si和MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si三种光伏器件的可控制备、能带匹配和量子输运机制等展开研究,重点探究了新型多功能材料的引入对改善界面钝化效果、增强空穴隧穿几率、提高器件光伏性能的作用。同时,对MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si结构光伏器件进行了性能失效机理分析,揭示了“S”型输出曲线的形成原因。本论文主要研究成果如下:(1)采用射频磁控溅射方法在n-Si衬底表面直接沉积ITO薄膜,制备了ITO/SiO_x(In)/n-Si异质结光伏器件,该简单结构器件的光电转换效率达12.2%,开路电压540 mV,短路电流30.5 mA/cm~2,填充因子74.2%。通过对ITO薄膜光电特性、器件光伏特性及界面区微结构表征分析,并结合非晶SiO_x(In)材料第一性原理计算结果,发现:器件内建电势本质上来源于ITO薄膜和n-Si衬底之间的功函数差,较大的功函数差诱导出n-Si表面上亚微米区p型反型层,可形成类p-n结的等效内建电场;ITO/n-Si界面区自然形成了含有In元素的超薄非晶SiO_x层(1.2-1.7 nm),不仅可以有效钝化n-Si表面;而且光生空穴经由直接隧穿和缺陷辅助隧穿机制输运通过SiO_x(In)层;In的掺杂在a-SiO_2禁带中引入一条新能级GSII,降低了势垒高度,有助于量子输运;In的掺杂还引入了一条浅受主能级,有利于与n-Si形成空穴选择性接触。这些结果有助于加深对ITO/SiO_x(In)/n-Si异质结光伏器件基本原理的理解,并为改善该类器件的性能提供了理论与实验依据。(2)为了实现空穴、电子选择性钝化接触,我们成功制备了MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si/SiO_x/poly-Si(n~+)异质结光伏器件。该器件的最高光电转换效率达16.7%,开路电压600 mV,短路电流38.2 mA/cm~2,填充因子72.9%。利用微结构表征技术及第一性原理计算方法,研究了SiO_x(Mo)夹层对该器件内建电场及量子输运的影响。结果表明:在n-Si无预先氧化的情况下,MoO_x/n-Si界面区自然形成了非晶SiO_x(Mo)三元杂化层(3.5-4.0 nm);MoO_x薄膜与n-Si衬底之间的高功函数差诱导n-Si表面形成p型反型层,产生内建电场;SiO_x(Mo)界面层中的Mo掺杂在带隙中引入两条半满能级和三条未占据能级,分别起到空穴的缺陷辅助隧穿和直接隧穿的作用;隧穿-复合模型可以很好的描述器件中光生空穴的输运过程;该器件具有良好的稳定性,且工艺流程简单,预示着MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si异质结光伏器件具有潜在的应用价值。(3)基于MoO_x薄膜功函数测量、MoO_x/a-Si:H(i)界面化学成分表征和AFORS-HET软件模拟,对MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si异质结光伏器件性能进行了失效分析。结果表明:在MoO_x薄膜沉积过程中,MoO_x/a-Si:H(i)界面区自然形成的SiO_x夹层阻碍了载流子的传输;随着MoO_x薄膜沉积速率的增加,一方面MoO_x薄膜功函数的降低导致其空穴提取能力变弱;另一方面SiO_x层中O/Si比率提高,价带偏移量(ΔE_v)增大,进而导致a-Si:H(i)/n-Si界面势垒阻碍空穴通过热发射机制进行输运;同时,SiO_x层变厚(4 nm),导致空穴的隧穿几率降低。我们对MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si器件“S”型J-V曲线的研究结论,为进一步优化该器件性能提供了新思路。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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