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硅薄膜太阳电池由于制造成本低,工艺简单,已成为当前光伏领域中重要的发展方向。但其转换效率不高,因此进一步提高硅薄膜太阳电池效率已成为现今主要的研究热点。硅薄膜电池一般都以p层作为迎光面,i层作为活性吸收层,大量光生载流子产生在靠近i/p界面的i层部分,由于i/p界面处存在能带失配以及高缺陷态区域,这将影响光生载流子的收集,因此i/p界面的质量将对太阳电池的性能产生很大的影响。本论文对硅薄膜太阳电池的i/p界面进行系统研究。
在p层为宽带隙纳米硅(nc-Si:H)前提下,我们首次提出采用适中带隙的nc-Si:H作为i/p缓冲层材料,即p层以及i/p缓冲层均采用纳米硅,形成双nc-Si:H层结构来改善n-i-p型非晶硅太阳电池的Vp界面。我们先对nc-Si:H薄膜进行微结构的表征以及光学与电学特性的分析,然后系统研究了具有不同氢稀释比的nc-Si:H i/p缓冲层对非晶硅太阳电池性能的影响。进一步我们对微晶硅太阳电池的i/p界面优化进行了探索。具体研究工作如下:
1.用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术在高功率密度、高反应气压、低衬底温度下制备硅薄膜。高分辨透射电镜(HRTEM)以及拉曼(Raman)测试分析均表明该条件下制备的样品为nc-Si:H薄膜。电学测试表明制备的nc-Si:H薄膜具有高电导率、低激活能特性,这使nc-Si:H薄膜适合用作电池的窗口层以及i/p缓冲层材料。进一步研究了不同氢稀释比(RH)下nc-Si:H薄膜光学变化趋势,观察到随RH从33.3增加到100,nc-Si:H薄膜的光学带隙逐渐增加。这是由于RH增加后,薄膜中成核数增加,形成了更多小晶粒,使薄膜中的晶粒尺寸较小,由于量子尺寸效应导致含有较小晶粒薄膜的光学带隙展宽越大。
2.在制备n-i-p型非晶硅薄膜太阳电池中,对i层表面进行一定程度的H等离子体处理一方面可以降低i/p缓冲层或p层中孵化层的厚度,有利于形成宽带隙的nc-Si:H结构,使VOC得到提高。另一方面将有效的改善i/p界面的有序度,使i层与p层或缓冲层从结构上能够缓慢过渡,有利于降低界面处的缺陷态密度,从而有利于光生载流子的收集与传输,减小产生复合漏电电流,改善FF,实现电池转换效率的提高。
3.首次提出双nc-Si:H层结构来改善n-i-p型非晶硅太阳电池的i/p界面。重点研究了具有不同RH的nc-Si:H缓冲层对电池性能的影响,发现在RH比较适中时(RH=66.7)缓冲层对i/p界面的改善效果最佳。这一方面是由于RH=66.7缓冲层具有适中带隙(Eg=1.88 eV),靠近i层带隙(Eg=1.75 eV)与p层带隙(Eg=2.00 eV)的中间值(1.875 eV),这样缓冲层对缓解i层与p层能带失配,降低界面处的价带带阶的作用最明显。另一方面由于合适RH的缓冲层能缓解i层与p层间的微结构失配,降低界面态密度,减小复合损失,这样使电池的性能提高最大。与未加i/p缓冲层的电池相比,加nc-Si:H缓冲层后,非晶硅太阳电池的短波响应以及Voc都得到提高,进而使电池的性能提高17％左右。4.研究了n-i-p型微晶硅太阳电池中p层带隙对i/p界面以及电池性能的影响。发现宽带隙的nc-Si:H p层具有较好的透光性,能改善电池的短波响应；同时提高电池的内建电势,有利于改进Voc。但是带隙过大将导致较大的界面缺陷态密度,这将影响内建电场的分布,从而降低Jsc,同时i/p界面处高缺陷态密度也将限制VOC的提高。因此提出采用适中的p层带隙将兼顾VOC和JSC,有利于提高电池的性能。我们在RH=100,T=150℃条件下制备的nc-Si:H薄膜具有良好的导电性、适中的光学带隙。将之作为n-i-p型微晶硅太阳电池的p层材料,制备的电池具有较好的性能。