發(fā)布時間：2018-01-26 17:48

  本文關(guān)鍵詞： 本征非晶硅氧薄膜 寬帶隙吸收層 硅基薄膜疊層電池 氧的摻雜效應 開路電壓 內(nèi)建電勢　出處：《南開大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：相關(guān)理論計算表明,為了進一步提高硅基薄膜疊層電池的轉(zhuǎn)化效率,需要發(fā)展寬帶隙材料作為頂電池吸收層,以提高電池的開路電壓,并增強對短波光的利用。其中本征非晶硅氧材料是具有良好應用前景的候選之一。本論文采用PECVD方法以CO2作為氧源進行非晶硅氧材料的制備,并針對其材料特性及其在電池中作為吸收層的應用進行了研究。 首先,系統(tǒng)研究了沉積參數(shù)對非晶硅氧材料特性的影響,并主要關(guān)注于寬帶隙兼顧低的缺陷態(tài)密度的獲得。通過研究發(fā)現(xiàn),CO2摻雜比(fo=[CO2]/[SiH4])的增大、SiH4-CO2濃度(SOC=([SiH4]+[CO2])/([H2]+[SiH4]+[CO2]))的降低、輝光功率的增大、沉積氣壓的降低均有助于提高非晶硅氧薄膜中的氧含量與氫含量,從而有效提高材料的光學帶隙,其中fo的影響最為顯著。結(jié)合對材料的結(jié)構(gòu)特性與電學特性的分析,發(fā)現(xiàn)紅外吸收譜中的微結(jié)構(gòu)因子R*(2100cm-1模式占Si-H伸展模比例)與材料內(nèi)的缺陷態(tài)密度隨沉積參數(shù)變化的趨勢基本相一致。采用較高的沉積溫度、與沉積條件(輝光頻率、電極間距)相匹配的沉積氣壓、SOC在7%-10%之間有利于低缺陷態(tài)密度非晶硅氧材料的獲得,但材料中氧含量的增大會不可避免地導致缺陷態(tài)密度的提高。此外,通過對材料電學特性的研究發(fā)現(xiàn),氧的施主摻雜效應在以氧的合金效應占主導、材料帶隙被明顯提高的情況下依然存在,導致非晶硅氧材料呈現(xiàn)n型特性,并嚴重影響著材料的光暗電導率、電子μτn積等電學特性。其中氧的摻雜效率會隨著fo的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而SOC的降低能夠減弱氧的這一摻雜效應。 其次,將優(yōu)化條件下獲得的非晶硅氧材料作為吸收層用于單結(jié)非晶硅氧電池之中,對吸收層中氧含量對電池特性的影響進行研究。研究發(fā)現(xiàn),在采用不佳的摻雜層時,非晶硅氧電池的開路電壓受摻雜層及界面特性的限制導致對吸收層帶隙不敏感,而隨著吸收層中氧含量的增大,電池的短路電流密度與填充因子受缺陷態(tài)密度增大的影響而明顯劣化,表明吸收層內(nèi)的氧含量需要控制在較低的范圍內(nèi)。特別的,研究再次在器件層面明確了非晶硅氧材料的n型特性,并發(fā)現(xiàn)其對電池的性能存在著嚴重的影響：隨著氧含量的增加,吸收層中空穴的傳輸特性劣化較電子更為嚴重,并成為電池性能下降的主要原因；吸收層的n型特性使電池的內(nèi)電場在p/i界面處增強,使電池短波量子效率響應得到提高；并且電池的開路電壓對p/i界面處的復合更加敏感,采用低溫寬帶隙非晶硅緩沖層以及增加緩沖層的厚度可以有效的降低界面處電子反向擴散以及隧穿復合電流,從而促進電池開路電壓的提高；相反,電池開路電壓受i/n界面特性的影響則很小。 第三,在明確了非晶硅氧吸收層對電池特性影響的基礎(chǔ)上,為了體現(xiàn)其寬帶隙對電池開路電壓的增益作用,對電池的摻雜層進行了研究與優(yōu)化。提出并驗證了p層的△Ep=Egp-Eap值是評估p層特性對電池內(nèi)建電勢以及開路電壓影響的有效手段,通過提高p層的ΔEp值使非晶硅氧電池的開路電壓獲得提高,并結(jié)合模擬計算證明內(nèi)建電勢的不足是限制非晶硅氧電池開路電壓進一步提高的主要原因；相反的,電池的開路電壓對n層的電導率并不敏感。此外,還明確了p層特性對非晶硅氧電池短路電流密度、填充因子以及界面復合特性的影響。最終在吸收層厚度為200nm不加入ZnO背反射的情況下,分別獲得了最高開路電壓為951mV (η=6.69%, Jsc=10.9mA/cm2, FF=64.1%)與最高轉(zhuǎn)化效率7.86%(Voc=940mV, Jsc=12.8mA/cm2, FF=65.2%)的單結(jié)非晶硅氧電池。 最后,將非晶硅氧電池應用于非晶硅氧/微晶硅雙疊層電池中進行初步的研究,發(fā)現(xiàn)采用非晶硅氧替代傳統(tǒng)非晶硅作為頂電池吸收層時,能夠有效地實現(xiàn)疊層電池開路電壓的提高與對光譜響應的重新分配,使疊層電池的量子效率在短波區(qū)域響應以及整個光譜內(nèi)的積分電流都得到了提高。最終在無ZnO背反射層的情況下獲得了轉(zhuǎn)換效率為9.9%(VoC=1423mV, Jsc=9.86mA/cm2, FF=70.6%)的非晶硅氧/微晶硅雙疊層電池,顯示出在三疊層電池中亦有良好的應用前景。
[Abstract]:In order to improve the conversion efficiency of silicon - based thin - film laminated cells , it is necessary to develop a wide band gap material as the top cell absorbing layer to improve the open circuit voltage of the battery and enhance the utilization of the short wavelength light . The intrinsic amorphous silicon oxygen material is one of the candidates with good application prospect . In this paper , the effects of deposition parameters on the properties of amorphous silicon oxygen materials are studied . The results show that the increase of oxygen content and the decrease of the deposition pressure can improve the oxygen content and hydrogen content in the amorphous silicon oxygen thin films . It is found that the open circuit voltage of the amorphous silicon oxygen cell is not sensitive to the cell characteristics due to the increase of oxygen content in the absorption layer , and the short - circuit current density of the cell is more sensitive to the increase of the density of the defect state . Third , in order to reflect the effect of its wide band gap on the cell ' s open - circuit voltage , the influence of the p - layer characteristic on the internal potential and the open - circuit voltage of the amorphous silicon - oxygen cell is studied . The effect of the p - layer characteristic on the internal potential and the open - circuit voltage of the amorphous silicon - oxygen cell is discussed . Finally , the amorphous silicon oxygen battery was applied to the amorphous silicon oxygen / microcrystalline silicon double laminated cell . It was found that using amorphous silicon oxygen instead of the traditional amorphous silicon as the top cell absorbing layer can effectively realize the improvement of the open circuit voltage of the laminated cell and the redistribution of the spectral response , so that the quantum efficiency of the laminated cell is improved in the short wavelength region and the integral current in the whole spectrum .

【學位授予單位】：南開大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：O646;TM914.4

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王永謙,陳長勇,陳維德,楊富華,刁宏偉,許振嘉,張世斌,孔光臨,廖顯伯;a-Si∶O∶H薄膜微結(jié)構(gòu)及其高溫退火行為研究[J];物理學報;2001年12期

2 王爍;張曉丹;熊紹珍;趙穎;;Structural properties of a-SiO_x:H films studied by an improved infrared-transmission analysis method[J];Chinese Physics B;2014年09期

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本文編號：1466216