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稳定性问题一直是制约硅基薄膜太阳电池进一步发展的障碍,其主要表现在两个方面:光致衰退效应和后氧化问题。光致衰退问题最初主要是涉及非晶硅薄膜太阳电池,近年来随着微晶硅薄膜太阳电池的迅速发展,微晶硅薄膜太阳电池的光致衰退问题也逐渐引起了广泛的重视。除光致衰退外,由于微晶硅薄膜在结构上较非晶硅薄膜疏松,致使其在环境中老化衰退,即后氧化衰退。微晶硅薄膜是由晶相,非晶相和界面相(晶粒间界和晶粒/非晶界面)所组成的复合相材料,其中的界面相已被普遍认为是影响微晶硅薄膜稳定性的重要因素。由于界面相定量表征的困难,目前关于界面相的报道大多是定性的讨论而缺少定量的系统研究。本文以界面相的定量表征为基础,系统研究了微晶硅薄膜材料光致衰退及后氧化的物理问题,重点定量分析了界面相对微晶硅薄膜及其太阳电池性能及稳定性的影响,目的是从界面相的角度探索提高硅基薄膜稳定性的途径。具体完成了以下几个方面的工作:
1,首次提出红外界面结构因子,并利用该因子定量表征微晶硅薄膜中的界面相。以此为基础,我们发现界面相是微晶硅薄膜输运特性的决定因素,红外界面结构因子小的微晶硅薄膜具有高的载流子迁移率(μ)寿命(τ)乘积。
2,研究了微晶硅薄膜光致衰退的物理问题。拉曼测试显示界面体积分数在光照后增加,增强了光在硅基薄膜中的散射使得光吸收提高；界面相的无序程度在光照后增加,致使微晶硅薄膜在光照后光电导减小。据此我们提出界面相在微晶硅材料的光致变化中具有双重作用:一方面增强入射光散射增加光吸收；另一方面阻碍光生载流子输运降低光电导。
3,系统研究了界面相对微晶硅太阳电池光照稳定性的影响:微晶硅太阳电池的光照稳定性与界面体积分数负相关。表现为:界面体积分数越小,开路电压衰退越小,转换效率衰退幅度也较小,且更易稳定。因此,界面体积分数小的微晶硅太阳电池有更好的光照稳定性。实验中界面体积分数最小的微晶硅太阳电池自然光照200小时后转换效率的衰退率小于6％。
4,研究了界面相与微晶硅材料及器件后氧化的关系:红外界面结构因子较小的微晶硅材料有好的抗氧化性。可以根据该因子筛选致密的不易被氧化的微晶硅薄膜用于微晶硅太阳电池制备。实验发现,界面相越少则后氧化造成的微晶硅太阳电池QE长波响应衰退幅度越小。
5,对硅基薄膜太阳电池进行了优化,获得了高效高稳定的硅基薄膜太阳电池:(1)首次提出并实现使用纳米硅作为非晶硅太阳电池的N型层(通常用非晶硅或微晶硅),使非晶硅太阳电池的开路电压增加了30mV；(2)通过变氢稀释对非晶硅本征层进行了能带调制,使无陷光背反电极的非晶硅薄膜太阳电池短路电流密度由11.43mA/cm2增加到13.24 mA/cm2；(3)制备了非晶/微晶叠层硅薄膜太阳电池,初始转换效率高于10％,在自然光照200小时后转化效率衰退不超过10％。