柔性衬底薄膜光伏电池相关材料制备及性能

论文摘要

能源危机和环境污染问题促进了太阳能光伏产业的快速发展,而降低成本、提高光电转化效率则是加快太阳能电池推广应用的重要手段。微晶硅薄膜因其低成本、高效率、无衰减等优点已经成为最有潜力的光伏材料之一。而以柔性材料为衬底的柔性微晶硅薄膜太阳能电池不仅可以实现卷轴式大规模生产,进一步降低成本,还具有可卷曲性和重量轻的特点,使其携带方便、应用更加广泛。但是,其仍存在吸收系数低、界面不稳定、结构均匀性不好等问题,这在一定程度上限制了柔性微晶硅薄膜太阳能电池的发展和应用,本文针对以上主要问题开展了研究。通过调节工艺参数、开发新材料和新方法来达到优化柔性薄膜太阳能电池的陷光结构、解决铝硅界面问题、改善硅薄膜质量等目的。首先,进行了聚酰亚胺（PI）衬底上制备具有织构表面铝背电极的研究,分析讨论了薄膜生长和表面织构形成的机理；其次,将铝镍合金用作柔性硅基薄膜太阳能电池的阻挡层,对铝电极和硅薄膜之间的互扩散有良好的阻挡效果,并对其阻挡机理进行了分析；再次,采用新的两步生长法有效改善了微晶硅薄膜的结构均匀性问题；最后,确定了透明氧化锌铝薄膜（ZnO:Al）的最佳沉积条件,分析讨论了薄膜结构变化的原因及其对性能的影响规律。上述研究为解决柔性微晶硅薄膜太阳能电池中存在的问题和提高电池的性能,提供了丰富的实验和理论基础。论文主要结论如下：1.绒面铝电极的制备及机理研究利用射频磁控溅射技术,室温条件下通过控制工艺参数,在PI柔性衬底上制备了具有表面织构的铝电极。高功率（300-450W）下制备的薄膜沉积速率高、电阻率较低同时具有较高的漫反射率,薄膜的平均漫反射率高达70%。随着工作气压的增加,薄膜的沉积速率降低,表面粗糙度减小,在工作气压为0.5Pa时,薄膜具有较低的电阻率和较高的漫反射率。分析表明：高的沉积功率、低的工作气压和斜向入射的沉积方式都可以提高粒子在薄膜生长表面的动能和迁移率,有利于粒子的聚集及表面岛的长大。而薄膜表面的柱状生长形貌则主要与粒子斜向入射和在沉积过程中的应变能释放有关。这种表面织构的制备方法工艺简单实用,同时还避免了高温对塑料柔性衬底的影响,具有较高的实用价值。2. AlxNiy薄膜制备及阻挡效果分析采用射频磁控双靶共溅射法制备了AlxNiy系列合金薄膜,通过调节靶的功率可以有效调控合金的比例,制备的合金薄膜成分也比较均一。Al、Ni比例为1：1和2：3的薄膜均为多晶结构,对Al、Si互扩散具有较好的阻挡效果,这与其属于置换固溶体,有较高的熔点、较低的自扩散系数有关。其中,AlNi合金对电极电阻的影响最小,与n-Si接触后形成的接触势垒更低,更有利于电子的传输。因此,AlNi合金更适合用来做阻止Al、Si互扩散的阻挡层材料。3.微晶硅薄膜制备工艺优化结合微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PECVD）技术的特点,提出生长-刻蚀-再生长的两步生长法制备微晶硅薄膜。该方法也可以被称为籽晶层法,即：先生长厚度约为15nm的薄膜,用氢等离子体处理2min得到籽晶层后,继续生长得到微晶硅薄膜。该两步生长法有效消除了非晶孵化层,改善了微晶硅薄膜的纵向均匀性,使薄膜的晶化率从常规生长的24.3提高到了50.7%。结合实验结果,对氢等离子体诱导非晶硅晶化的机理进行了阐述,并提出了两步生长法制备微晶硅薄膜的生长模型。4. ZnO:Al薄膜的制备及结构变化分析采用射频磁控溅射技术以ZnO（含2wt.%Al203）陶瓷靶为溅射靶材制备了高c轴择优取向的ZnO:Al薄膜,并分析讨论了薄膜结构变化的原因及其对薄膜电性能的影响规律。实验结果表明：当溅射功率为100W、工作气压为0.3Pa、衬底温度为250℃时沉积得到的ZnO:Al薄膜有最佳的综合性能,可见光区的平均透过率在90%左右,薄膜电阻率约为3.1×10-3Ω.cm。利用GID-XRD和HRTEM对ZnO:Al薄膜的结构进行了深入研究,结果表明：ZnO:Al的晶格相对于未掺杂的氧化锌不仅在垂直于衬底方向变大,在其它方向上晶格也变大,这说明晶格常数变大除受薄膜应力影响外,还和掺杂本身有直接关系。掺杂量为2%时,除了替位掺杂外还有一部分铝和锌以填隙形式存在,从而使晶格在多个方向变大。通过理论计算证实了上述观点的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 硅基薄膜太阳能电池的种类及研究现状
• 1.2.1 非晶硅薄膜
• 1.2.2 多晶硅薄膜
• 1.2.3 微晶硅薄膜
• 1.3 柔性薄膜太阳能电池的特点及研究现状
• 1.4 柔性微晶硅薄膜电池存在的问题及解决方案
• 1.4.1 微晶硅薄膜均匀性研究
• 1.4.2 陷光结构——绒面背电极
• 1.4.3 阻挡层的研究现状及存在问题
• 1.4.4 透明氧化锌铝薄膜的研究
• 1.5 本文的研究目的和主要内容
• 2 实验设备与实验方法
• 2.1 衬底的选择和处理
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 射频磁控溅射技术
• 2.2.2 微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积系统
• 2.3 薄膜的表征与分析方法
• 2.3.1 薄膜厚度、表面形貌及成分的测定
• 2.3.2 薄膜结构分析
• 2.3.3 薄膜电学和光学性能测试
• 3 柔性衬底上绒面铝电极的制备及生长机理
• 3.1 引言
• 3.2 射频磁控溅射制备绒面铝电极研究
• 3.2.1 薄膜制备
• 3.2.2 沉积参数对薄膜沉积速率和形貌的影响
• 3.2.3 沉积参数对薄膜电阻率的影响
• 3.2.4 沉积参数对薄膜反射率的影响
• 3.3 生长机理分析
• 3.3.1 衬底对Al薄膜形核的影响
• 3.3.2 沉积条件对Al薄膜生长的影响
• 3.4 本章小结
• 4 柔性硅基太阳能电池扩散阻挡层研究
• 4.1 引言
• 4.2 阻挡层材料的筛选
• 4.2.1 材料制备
• 4.2.2 AlN、TiN、Ni及其合金薄膜的阻挡效果测试
• 4.2.3 筛选结果小结
• 4.3 Ni系阻挡层的结构、性能分析
• 4.3.1 材料制备
• 4.3.2 成分和结构分析
• 4.3.3 阻挡层效果对比
• 4.3.4 阻挡机理分析
• 4.3.5 电性能分析
• 4.4 分析和讨论
• 4.5 本章小结
• 5 微晶硅薄膜的制备及生长模型
• 5.1 引言
• 5.2 ECR-PECVD 技术制备微晶硅薄膜
• 5.2.1 微晶硅薄膜的制备
• 5.2.2 薄膜的结构
• 5.2.3 氢等离子体处理对微晶硅薄膜生长的影响
• 5.2.4 分析与讨论
• 5.3 两步生长法制备微晶硅薄膜
• 5.3.1 实验过程
• 5.3.2 籽晶层的研究
• 5.3.3 两步法与常规生长的微晶硅薄膜对比
• 5.3.4 氢等离子体处理的机理及两步生长法模型
• 5.4 本章小结
• 6 透明氧化物薄膜的制备及结构研究
• 6.1 引言
• 6.2 ZnO:Al 薄膜的制备
• 6.3 沉积参数对ZnO:Al薄膜结构和性能的影响
• 6.3.1 沉积参数对薄膜结构和应力的影响
• 6.3.2 沉积参数对薄膜光学性能的影响
• 6.3.3 沉积参数对薄膜电学性能的影响
• 6.3.4 薄膜结构对其性能影响规律的探讨
• 6.4 薄膜结构变化的原因分析及理论计算
• 6.4.1 结构变化的原因分析
• 6.4.2 Al掺杂位置对ZnO 结构影响的理论计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介