微晶硅锗太阳电池的光电模拟和实验研究

发布时间：2018-05-25 20:28

  本文选题：微晶硅锗薄膜 + 光电模拟　； 参考：《南开大学》2014年博士论文

【摘要】：微晶硅锗薄膜具有高吸收系数、窄带隙等特点,是非常有前景的太阳电池吸收层材料。目前,该材料经过不断的优化已初步应用于太阳电池中,但是如何才能发挥该材料的最大优势则需要从电池结构方面进行全面的理论研究,为此,本论文首先采用RF-PECVD技术,对微晶硅锗薄膜的制备工艺进行了探索,并以获得的薄膜参数为基础,对微晶硅锗太阳电池进行了系统的光电模拟研究,本论文的主要研究内容和成果如下： 第一,通过实验的优化,我们确定出μc-Si1-xGex:H薄膜的制备参数：总流量、反应气压、衬底温度、辉光功率和电极间距分别为350sccm、300Pa、200℃、10W和10mm。硅锗浓度随锗含量的不同保持在2%至1%之间。为同时提取微晶硅锗薄膜的两个光学常数—折射率和吸收系数,我们建立了一种由透射谱出发并结合多层结构模型以及柯西色散公式的Matlab方法,与传统Swanepeol方法、PUMA方法相比,Matlab法通过透射率极值的位置而非幅值来计算折射率,能够有效避免幅值大小偏差所造成的影响,得到更准确的光学常数,拟合精度能提高一个数量级。计算结果表明微晶硅锗在整个波长范围内有更高的吸收系数和折射率,并且二者随锗含量增加而增加。 第二,为了模拟微晶硅锗电池结构中的陷光结构,本文建立了一套完整的绒面散射建模方法,即基于Reyleigh-Sommerfeld理论的Matlab方法。并针对随机形貌、周期形貌、叠加形貌三种不同形貌的四类散射(透射散射、反射散射、斜入透射射散、斜入射反射散射)特性分别进行了建模分析。并且提出了一种新型的散射结构,即由周期结构和随机结构所叠加而成的复合结构,研究发现由于存在随机散射机制和周期散射机制两种不同的散射机制,因而能够实现比任意分立结构更好的散射特性,并且其散射特性由其内部结构特征尺寸占主导所对应的散射机制来决定。 第三,基于微晶硅锗的光学参数以及所建立的散射模型,对微晶硅锗单结及叠层电池进行了模拟和实验研究。在光学结构限制下单结微晶硅锗电池的转化效率极限可达14%以上。对于高锗含量微晶硅锗电池,种子层加上平滑锗烷梯度层这一复合结构能有效改善P/I界面。而对于I/N界面,硅烷梯度层是最佳的选择。经过优化,在无背反、本征层厚度仅为650nm的情况下获得了初始效率为4.63%Jsc=19.17mA/cm2, Voc=0.43V, FF=0.56)的单结PIN型μc-Si0.65Ge0.35:H电池。在电池总厚度约为0.9μm的情况下,获得了初始效率为10.36%(Jsc=11.72mA/cm2, Voc=1.274V, FF=0.684)的a-Si:H/μc-Si0.65Ge0.35:H叠层电池。 第四,为了实现微晶硅锗叠层电池光电一体化模拟,我们建立了一种新型的TRJ-F/TRJ-M/TRJ-B隧穿结模型,并发现它需满足三个核心梯度：带隙梯度为1.7eV/1.1eV/1.7eV,施主型隙态梯度为1X1015cm-3/5×1021cm-3/1×1020cm-3,受主型隙态梯度1X1015cm-3/5×1021cm-3/5×1021cm-3通过对带隙匹配的分析,我们发现a-Si:H/a-SiGe:H/μc-SiGe:H的最佳带隙结构为1.85eV/1.5eV/1.0eV,转化效率理论极限值为18.56%(Jsc=10.12mA/cm2, Foc=2.21V,FF=0.83)。
[Abstract]:The microcrystalline silicon germanium thin film has the characteristics of high absorption coefficient and narrow band gap , and is a very promising solar cell absorbing layer material . At present , the material has been applied to solar cells through continuous optimization , but how to exert the maximum advantage of the material needs a comprehensive theoretical study on the structure of the battery . For this reason , the paper firstly adopts RF - PECVD technology to study the preparation process of microcrystalline silicon germanium film , and studies the photoelectric simulation of the microcrystalline silicon germanium solar cell based on the obtained film parameter . The main research contents and achievements of this thesis are as follows :

First , the preparation parameters of 渭c - Si1 - xGex : H films were determined by experiments . The total flow rate , reaction pressure , substrate temperature , glow power and electrode spacing were 350 sccm , 300 Pa , 200 鈩，

本文编号：1934571