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本文采用RF-PECVD技术,主要研究了NIP型非晶硅电池中本征层和P型窗口层的低温沉积,并将上述材料应用到电池中,分别在SS衬底和PI塑料衬底上进行了柔性非晶硅电池的制备。主要研究内容及结果如下:
⑴低衬底温度下制备的本征I层非晶硅材料的优点之一就是宽带隙,但其缺陷态密度也是非常大的。通过调节硅烷浓度和功率等沉积参数,以减小本征I层的缺陷态密度。随着硅烷浓度的降低或功率的增大,材料发生从非晶硅向微晶硅的转变过程;采用光发射谱技术(OES)研究其生长动力学,随着I层功率的增加,SiH*/Hα*是一直减小的。而对于P层窗口层材料,随着P型材料的SC的减小,UP型材料的暗电导率是先增大后减小的,激活能随着SC的变化刚好相反,是先减小后增大的;随着125℃时P型材料SC的减小,在Raman谱(波长为325nm)中,P型材料的出现纳米峰的临界SC值为3%,而相应的暗电导率最大对应的临界SC为3%;随着P型材料硼掺杂率的增加,P型材料的暗电导率先增加后减小,一定程度硼烷的掺杂可以提高材料的电导率,而过量的硼又有抑制材料晶化的作用。
⑵为了在低衬底温度下制各出尽可能高效率的NIP型非晶硅电池,首先需要解决的问题是低衬底温度下薄膜材料存在的较高的缺陷态密度,然后需要对电池各层薄膜材料的工艺进一步优化。本征层硅烷浓度对电池性能的影响,研究发现,随着本征层硅烷浓度的减小,电池的开路电压、FF和效率均是先增加后减小的;详细研究了P层硅烷浓度和硼掺杂率对电池性能的影响,发现P层只有在合适的硅烷浓度和硼掺杂率下,相应电池性能才能达到最优。通过上述参数的优化,在实际衬底温度约为100℃左右时得到的NIP型非晶硅电池效率为3.58%。在低温NIP型非晶硅电池中所获得的最优开路电压值达0.944V。
⑶在没有背反电极的SS不锈钢箔柔性衬底上,对各层材料的沉积工艺、薄膜微结构进一步优化,制备出的最高电池效率达5.84%,其中Jsc=12.45mA/cm2,Voc=0.845V,FF=0.556;而在SS/Ag/ZnO衬底上最高电池效率为7.45%,其中Jsc=13.75mA/cm2,Voc=0.86V,FF=0.63。在此基础上我们制备出的柔性聚酰亚胺塑料衬底上NIP型非晶硅电池的最高效率为4.97%。