宽带隙非晶硅氧材料及其太阳电池的研究

发布时间：2018-01-26 17:48

本文关键词： 本征非晶硅氧薄膜宽带隙吸收层硅基薄膜叠层电池氧的掺杂效应开路电压内建电势　出处：《南开大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：相关理论计算表明,为了进一步提高硅基薄膜叠层电池的转化效率,需要发展宽带隙材料作为顶电池吸收层,以提高电池的开路电压,并增强对短波光的利用。其中本征非晶硅氧材料是具有良好应用前景的候选之一。本论文采用PECVD方法以CO2作为氧源进行非晶硅氧材料的制备,并针对其材料特性及其在电池中作为吸收层的应用进行了研究。首先,系统研究了沉积参数对非晶硅氧材料特性的影响,并主要关注于宽带隙兼顾低的缺陷态密度的获得。通过研究发现,CO2掺杂比(fo=[CO2]/[SiH4])的增大、SiH4-CO2浓度(SOC=([SiH4]+[CO2])/([H2]+[SiH4]+[CO2]))的降低、辉光功率的增大、沉积气压的降低均有助于提高非晶硅氧薄膜中的氧含量与氢含量,从而有效提高材料的光学带隙,其中fo的影响最为显著。结合对材料的结构特性与电学特性的分析,发现红外吸收谱中的微结构因子R*(2100cm-1模式占Si-H伸展模比例)与材料内的缺陷态密度随沉积参数变化的趋势基本相一致。采用较高的沉积温度、与沉积条件(辉光频率、电极间距)相匹配的沉积气压、SOC在7%-10%之间有利于低缺陷态密度非晶硅氧材料的获得,但材料中氧含量的增大会不可避免地导致缺陷态密度的提高。此外,通过对材料电学特性的研究发现,氧的施主掺杂效应在以氧的合金效应占主导、材料带隙被明显提高的情况下依然存在,导致非晶硅氧材料呈现n型特性,并严重影响着材料的光暗电导率、电子μτn积等电学特性。其中氧的掺杂效率会随着fo的增大呈现先增大后减小的趋势,而SOC的降低能够减弱氧的这一掺杂效应。其次,将优化条件下获得的非晶硅氧材料作为吸收层用于单结非晶硅氧电池之中,对吸收层中氧含量对电池特性的影响进行研究。研究发现,在采用不佳的掺杂层时,非晶硅氧电池的开路电压受掺杂层及界面特性的限制导致对吸收层带隙不敏感,而随着吸收层中氧含量的增大,电池的短路电流密度与填充因子受缺陷态密度增大的影响而明显劣化,表明吸收层内的氧含量需要控制在较低的范围内。特别的,研究再次在器件层面明确了非晶硅氧材料的n型特性,并发现其对电池的性能存在着严重的影响：随着氧含量的增加,吸收层中空穴的传输特性劣化较电子更为严重,并成为电池性能下降的主要原因；吸收层的n型特性使电池的内电场在p/i界面处增强,使电池短波量子效率响应得到提高；并且电池的开路电压对p/i界面处的复合更加敏感,采用低温宽带隙非晶硅缓冲层以及增加缓冲层的厚度可以有效的降低界面处电子反向扩散以及隧穿复合电流,从而促进电池开路电压的提高；相反,电池开路电压受i/n界面特性的影响则很小。第三,在明确了非晶硅氧吸收层对电池特性影响的基础上,为了体现其宽带隙对电池开路电压的增益作用,对电池的掺杂层进行了研究与优化。提出并验证了p层的△Ep=Egp-Eap值是评估p层特性对电池内建电势以及开路电压影响的有效手段,通过提高p层的ΔEp值使非晶硅氧电池的开路电压获得提高,并结合模拟计算证明内建电势的不足是限制非晶硅氧电池开路电压进一步提高的主要原因；相反的,电池的开路电压对n层的电导率并不敏感。此外,还明确了p层特性对非晶硅氧电池短路电流密度、填充因子以及界面复合特性的影响。最终在吸收层厚度为200nm不加入ZnO背反射的情况下,分别获得了最高开路电压为951mV (η=6.69%, Jsc=10.9mA/cm2, FF=64.1%)与最高转化效率7.86%(Voc=940mV, Jsc=12.8mA/cm2, FF=65.2%)的单结非晶硅氧电池。最后,将非晶硅氧电池应用于非晶硅氧/微晶硅双叠层电池中进行初步的研究,发现采用非晶硅氧替代传统非晶硅作为顶电池吸收层时,能够有效地实现叠层电池开路电压的提高与对光谱响应的重新分配,使叠层电池的量子效率在短波区域响应以及整个光谱内的积分电流都得到了提高。最终在无ZnO背反射层的情况下获得了转换效率为9.9%(VoC=1423mV, Jsc=9.86mA/cm2, FF=70.6%)的非晶硅氧/微晶硅双叠层电池,显示出在三叠层电池中亦有良好的应用前景。
[Abstract]:In order to improve the conversion efficiency of silicon - based thin - film laminated cells , it is necessary to develop a wide band gap material as the top cell absorbing layer to improve the open circuit voltage of the battery and enhance the utilization of the short wavelength light . The intrinsic amorphous silicon oxygen material is one of the candidates with good application prospect . In this paper , the effects of deposition parameters on the properties of amorphous silicon oxygen materials are studied . The results show that the increase of oxygen content and the decrease of the deposition pressure can improve the oxygen content and hydrogen content in the amorphous silicon oxygen thin films . It is found that the open circuit voltage of the amorphous silicon oxygen cell is not sensitive to the cell characteristics due to the increase of oxygen content in the absorption layer , and the short - circuit current density of the cell is more sensitive to the increase of the density of the defect state . Third , in order to reflect the effect of its wide band gap on the cell ' s open - circuit voltage , the influence of the p - layer characteristic on the internal potential and the open - circuit voltage of the amorphous silicon - oxygen cell is studied . The effect of the p - layer characteristic on the internal potential and the open - circuit voltage of the amorphous silicon - oxygen cell is discussed . Finally , the amorphous silicon oxygen battery was applied to the amorphous silicon oxygen / microcrystalline silicon double laminated cell . It was found that using amorphous silicon oxygen instead of the traditional amorphous silicon as the top cell absorbing layer can effectively realize the improvement of the open circuit voltage of the laminated cell and the redistribution of the spectral response , so that the quantum efficiency of the laminated cell is improved in the short wavelength region and the integral current in the whole spectrum .

【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O646;TM914.4

【参考文献】