GSMBE外延硅薄膜太阳能电池物性研究

发布时间：2020-05-11 22:33

【摘要】：硅太阳能电池是指以硅为基体材料的太阳能电池,通过光电转化效应将光能转化为电能,多年来一直得到研究人员的重视。吸收系数是材料的一项重要参数,对太阳能电池效率的提升和光电探测器的应用上有着巨大价值。已经发现在GaAs基和GaN基体系中PN结诱导的吸收增强的试验现象。GaAs和GaN都是直接带隙半导体材料,而硅是一个间接带隙材料,在太阳能电池方面有着广泛的应用。通过对PIN型硅基太阳能电池研究,发现硅基太阳能电池中硅的吸收系数得到了增强。本论文基于实验室改造的气态源分子束外延设备(GSMBE VG80s),生长了一系列硅基材料的结构,确定了气态源分子束外延设备的生长速率和掺杂浓度等参数。在2英寸P型硅衬底上生长了一系列PIN型硅基薄膜太阳能电池结构,中间非故意掺杂层厚度依次为100nm、300nm、1000nm、3000nm。通过载流子漂移模型,模拟出PIN型薄膜硅太阳能电池结构中内建电场的强度分布。尽管四组样品中内建电场的强度不同,但是内建电场覆盖了整个非故意掺杂层区域。光生载流子产生于材料内部,由于内建电场的作用,只有非故意掺杂层的载流子能够通过漂移运动被有效的提取。通过扩散漂移模型,推算了一套通过光电转化效应,计算太阳能电池中硅材料吸收系数的方法。我们测量了四组样品的白光光源下的光生电流曲线。为了分析材料中光生电子通过扩散运动对光电流的贡献,计算了表面N型掺杂区理想情况下最大光生电流值,在光子能量为3ev时,N型区光吸收率为87.6%,实际上产生的电流贡献效率约0.4%,光生电子通过扩散对于光电流的贡献很小,因此我们在讨论吸收系数时可以忽略扩散运动对于光生电流的贡献。四组样品的吸收系数最大值依次为8.9×10~4,1.1×10~4,1.0×10~4,3×10~3 cm~(-1),样品A的吸收系数是样品D的30倍,最高吸收系数相比晶体硅提高了1-2个量级,已经接近于直接带隙半导体材料砷化镓的吸收系数。在统计过程中,忽略了光的反射、光生载流子的复合等因素的影响,测量的吸收系数低于实际值。PIN型太阳能电池结构是硅材料吸收系数提高的主要因素,吸收系数的提高机理目前并不清楚。为了进一步确定吸收增强的实验结果,改变730nm激光器激发功率,测量了四组样品的吸收系数。实验结果和白光下的结果一致,非故意掺杂层厚度100nm的太阳能电池结构其吸收系数在四组样品中最高,吸收系数随着激发功率的变化,基本不变,PIN型硅太阳能电池结构中硅的光吸收得到了增强。PIN型硅太阳能电池结构中,非故意掺杂层硅的吸收系数得到了有效的增强。通过非故意掺杂层厚度的变化,硅材料的吸收系数也会相应的发生变化。实验结果对于这种结构中材料的吸收机理提出了新的挑战,对于新的光电器件的制备提供了可能。
【图文】：

晶胞结构,硅晶体,硅原子,原子

GSMBE 外延硅薄膜太阳能电池物性研究晶体结构素周期变中 IV 主族元素，原子序数 14，其最外层有四个电子活性，硅晶体属于面心立方结构（FCC），如图 1.1 所示，晶立方沿着体对角线平移 1/4 组成的,一个原胞包含两个硅原子，胞中包含 8 个顶点原子，6 个面心立方原子和 4 个体心原子组邻原子组成正四面体结构，任意键角 109.5o。室温下，晶胞参数的原子密度 5X1022/cm3,硅原子的半径 1.17 埃，硅晶体的空间

第一性原理计算,能带结构,光学性质,硅太阳能电池

于典型的间接带隙材料，其价带顶在 Γ（0,0,0）点，其导带底并没有空间的原点。禁带宽度为1.12eV，其倒易空间原点直接带隙宽度为3.结构对其光学性质和电学性质具有重要意义。光学性质[8-9]硅材料优良的性能，硅基材料得到了深入研究以及广泛应用，包括集讯、硅太阳能电池等等。其中硅太阳能电池作为清洁能源材料的一泛的研究，本论文也是基于对硅基材料光学性质的研究,图 1.5 为不同硅的吸收系数。光学过程主要包括光的吸收过程和反射过程。图 1.4 第一性原理计算得到的硅的能带结构[8]Figure 1.4 Band structure of silicon calculated in the first principles
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.42

【相似文献】