硅锗薄膜材料的RF-PECVD法制备及其在太阳电池中的应用

论文摘要

硅锗薄膜材料具有吸收系数高、带隙窄（1.10.66eV）的优点，可大幅提高太阳光的吸收效率并拓宽光谱响应范围，从而提高太阳电池的转换效率。硅锗合金薄膜材料可用于叠层电池中，且叠层电池具有结构好，能提高光电转换效率、降低光致衰退和提高光谱响应范围等优点，因此，激起了国内外对硅锗合金薄膜电池极大的研究热情。本文采用射频等离子化学气相沉积（RF-PECVD）技术制备了硅锗薄膜。系统研究了氢稀释率、锗烷浓度以及薄膜中锗含量、反应气压、辉光功率、电极间距和衬底温度等对硅锗薄膜光电特性和结构特性的影响。结果表明：在实验研究的范围内，材料的暗电导率随着沉积温度的升高、锗烷浓度的增加、沉积压强的降低、氢稀释率的降低而增加；材料的光敏性随衬底温度的升高、辉光功率的增加、沉积压强的增加、锗烷浓度的降低、氢稀释率的降低而增加。通过实验研究，在衬底温度为175℃，锗烷浓度为5%，氢稀释率为24，总气体流量约为200sccm，沉积压强为3Torr，辉光功率为90W的时候，获得了光敏性达5×105的非晶硅锗薄膜材料，其生长速度为0.08nm/s；在衬底温度为175℃，锗烷浓度为1.4%，氢稀释率为82，总气体流量约为400sccm，沉积压强为3Torr，辉光功率为60W的时候，获得了适合做太阳电池有源层的微晶硅锗薄膜材料，经过Raman三峰拟合其晶化率为41%，其光敏性达2×104，其生长速度为0.04nm/s。将上述优化的非晶硅锗材料应用于太阳电池的本征吸收层，制备了一系列非晶硅锗太阳电池，电池采用的结构为：glass/SnO2/p-ａ-Si:H /i-ａ-SiGe:H /n-nc–Si:H /Al，研究了非晶硅锗材料的光电特性、结构特性对太阳电池性能的影响，获得了转换效率η=4.29%的ａ–SiGe薄膜太阳电池，通过优化p/i界面的buffer层结构，适当延迟锗烷气体的开启时间，使得电池的填充因子FF从46%上升到了53%，最终获得了转换效率为4.99%的ａ–SiGe薄膜电池。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 太阳电池研究意义
• 1.1.2 硅基薄膜太阳电池在光伏中的地位
• 1.1.3 硅基薄膜太阳电池面临的问题及主要的解决方案
• 1.2 硅锗薄膜材料研究意义和进展
• 1.3 本论文的研究目标和内容
• 第二章 实验方案和主要分析技术
• 2.1 PECVD 的基本原理
• 2.2 材料光电性能测试
• 2.2.1 电学特性测试
• 2.2.2 光学特性测试
• 2.3 材料微结构测试
• 2.3.1 喇曼（Raman）散射光谱
• 2.3.2 X 射线衍射谱（XRD ）
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM ）
• 2.4 太阳电池特性测试
• 2.4.1 单晶硅pn 结二极管模型
• 2.4.2 pin 型电池和nip 型电池
• 2.4.3 太阳电池等效电路图
• 2.4.4 太阳电池电学特性测试
• 2.5 硅锗薄膜材料成分测试
• 2.5.1 X 射线光电子能谱
• 2.5.2 荧光 X 射线
• 2.6 小结
• 第三章 硅锗薄膜材料的制备工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验设备和实验过程
• 3.3 制备工艺对硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.1 硅锗薄膜材料制备工艺的影响因素
• 3.3.2 衬底温度对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.3 辉光功率对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.4 氢稀释率对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.5 锗烷浓度对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.6 反应压强对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.3.7 电极距离对RF-PECVD 法制备硅锗薄膜材料的影响
• 3.4 硅锗薄膜材料的透过谱
• 3.5 小结
• 第四章 锗硅薄膜材料在太阳电池中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 硅锗薄膜太阳电池的制备
• 4.2.1 硅锗薄膜电池制备简介
• 4.2.2 硅锗薄膜太阳电池的制备
• 4.3 硅锗薄膜材料以及buffer 层在硅锗电池中的初步应用研究
• 4.3.1 非晶硅buffer 层厚度对非晶硅锗薄膜电池的影响
• 4.3.2 非晶硅锗薄膜电池窗口层的初步优化
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果
• 致谢