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硅基异质结太阳电池制备及其特性研究认领

被引量： 1

作者：

戴小宛

学位授予单位：

南开大学

摘要：

晶体硅太阳电池为目前应用最广泛的光伏器件，具有工艺成熟、器件稳定和效率高等特点。硅基异质结太阳电池是从晶体硅电池发展而来的一种新型光伏器件，它继承了晶体硅电池高效率、高稳定性等特点，同时又具有低温、制备时间短等优势，有望替代传统的晶体硅太阳电池用于未来的光伏发电系统中。硅基异质结太阳电池种类繁多，具有代表性的主要是非晶硅-硅异质结(HIT和IBC-SHJ)及最近几年刚发展起来的有机-硅异质结和过渡金属氧化物-硅异质结。同为硅基异质结它们之间有很多相似之处，也存在各自的缺点，相互之间有许多可以借鉴吸收的地方。本论文以研究非晶硅-硅异质结为基础进而将其扩展到有机-硅和过渡金属氧化物-硅异质结中，并通过借鉴吸收将非晶硅-硅异质结中一些有益的研究成果引入有机-硅和过渡金属氧化物-硅异质结中来改善其器件性能。文中提出了一种对钝化层减薄退火后钝化寿命降低的解释，并解决了PEDOT∶PSS在金字塔结构表面涂覆时的覆盖率和PEDOT∶PSS-硅异质结电池长波响应低等一些现存的实际问题。　　本论文研究了HF不同条件对硅刻蚀后的少子寿命变化情况，发现1％浓度HF刻蚀2min以上即可获得稳定的低缺陷密度表面。碘酒钝化可以获得比HF更好的钝化效果，实验中0.04mol/L的碘酒钝化效果最好，可以更真实的反应衬底的质量，为衬底的选择和非晶硅钝化结果的评估提供了简单有效的方法。另外，研究对比了现今常用的单晶硅表面制绒方法，从反射率来看NaOH、Na2SiO3和TMAH（四甲基氢氧化铵）制绒均能满足表面减反射需要，最低反射率都可以达到10％以下。但从金字塔表面平整度来看TMAH制绒表面最平整，更适合于硅异质结界面器件的制备。　　通过研究优化非晶硅钝化层沉积中的功率密度、衬底温度、硅烷浓度等一系列条件，在双抛n(111)硅片上本征非晶硅钝化少子寿命最高达到了1600μs。采用傅里叶变换红外吸收和AFM测试分析发现，退火后少子寿命随钝化层减薄而降低是由于减薄钝化层后退火中缺少足够可移动的H来钝化界面造成的。另外，通过研究提升制绒衬底金字塔结构的覆盖率，使制绒硅衬底上15nm本征非晶硅和p/i/n-c-Si/i/p结构钝化少子寿命分别超过了800μs和2000μs。　　将前述非晶硅钝化研究结果用于p/i/n-c-Si/i/n电池结构，钝化寿命最高达到2085μs。器件开压和少子寿命关系研究表明，测试的少子寿命和器件开压呈现近对数关系，寿命每增加10倍器件开压增大60mV左右。另外，衬底厚度及ITO/p型非晶硅接触特性研究表明，硅衬底厚度及电极接触均对器件开压和填充因子有明显影响，衬底厚度增大开压和填充因子下降，改善电极接触可以明显提升器件开压和填充因子。最后，我们使用单腔室PECVD制备的非晶硅-硅异质结器件转换效率为16.5％。　　将硅异质结技术应用于多晶硅，结果发现，多晶硅由于存在较多杂质缺陷不适合直接用作硅异质结衬底。通过Al吸杂提升商用多晶硅片质量，改变吸杂温度和吸杂时间，当吸杂温度为800℃，吸杂时间2小时时吸杂效果最好。150μm抛光多晶硅衬底上非晶硅-多晶硅异质结器件效率从吸杂前的7.4％提升到吸杂后的13.6％。　　对PEDOT∶PSS-硅异质结电池进行研究，通过对比不同表面氧化方法和旋涂转速PEDOT∶PSS-硅异质结器件结果发现，HNO3氧化后高转速(8K)下器件性能最好，转换效率为7.73％。SEM剖面图表明，抑制器件性能的主要原因是PEDOT∶PSS在旋涂中难以进入金字塔结构底部和衬底形成良好接触。本文使用酸同性刻蚀改变金字塔形貌使其从“V”形变为“U”形，形貌的改变使PEDOT∶PSS和硅实现了完全接触，器件效率也被提升到了10.46％。　　相比于非晶硅-硅异质结而言，PEDOT∶PSS-硅异质结长波响应很低，本文首次将非晶硅钝化机制引入PEDOT∶PSS-硅异质结器件背面，获得的PEDOT∶PSS-硅异质结电池1000nm处EQE响应超过了80％，高于现有文献报道值，电池转换效率达到了12.43％。　　本文研究结果表明，PEDOT∶PSS-晶硅异质结短路电流密度比非晶硅-晶硅异质结低，其中重要原因为表面反射率过高。利用高功函的MoO3作为器件表面减反层，降低反射的同时增强了硅衬底表面能带弯曲，电池的电流密度和开压均被明显提升。稳定性测试也表明MoO3覆盖层可以有效地提高器件稳定性，最终在金字塔结构衬底上制备的PEDOT∶PSS-硅异质结电池最高效率达到了13.8％。　　对MoOx替代p型非晶硅的MoOx-硅异质结电池进行了初步研究。通过具有不同厚度非晶硅钝化层和MoOx层的MoOx-硅异质结电池的暗态曲线发现，载流子空穴的输运和本征钝化层及MoOx层的厚度有关。从EQE曲线对比可知MoOx-晶硅异质结器件可以获得比非晶硅-硅异质结更高的短波响应，进而更高的短路电流密度。在250μm厚n型晶硅衬底上制备的MoOx-硅异质结电池短路电流密度和转换效率分别达到了38.48mA/cm2和16.47％，短路电流密度明显大于本文相同厚度衬底的非晶硅-硅异质结电池。　　最后，对本文中几种硅异质结器件进行了对比分析，提取出硅异质结太阳电池中的一些关键因素。另外，文中研究还存在着不足，如非晶硅-硅异质结中的p型层质量影响、PEDOT∶PSS-硅异质结的正面钝化和减反射及MoOx-硅异质结中载流子在ITO/MoOx/i-a-Si∶H结构中的传输问题等都需要进一步的研究，并给出了可能的研究方向。

摘要译文

关键词：

太阳能电池; 制备工艺; 硅基异质结; 电流密度; 转换效率

学位年度：

2016

学位类型：

博士

学科专业：

电子科学与技术

导师：

孙云

中图分类号：

TM914.41;TM910.5[制造工艺]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.7666/d.Y3157727