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传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害日益突出,太阳电池直接将太阳能转化为电能,被公认为是解决能源危机和环境问题十分有效的途径之一。目前,80%以上的太阳电池是由晶体硅材料制备而成的,制备高效率低成本的晶体硅太阳能电池对于大规模利用太阳能发电有着十分重要的意义。应用减反射钝化膜是制备高效率的晶体硅太阳电池的必要手段。
本文在系统综述当前太阳电池减反射钝化膜的研究现状、存在的问题和发展前景的基础上,研究了一种新型减反射钝化膜——α-SiCxNy:H薄膜。首先,采用PECVD设备,以SiH4(N2)和CH4为气源制备出α-SiCxNy:H薄膜,研究沉积温度、射频功率、流量比对α-SiCxNy:H薄膜表面形貌、化学结构、电学性能、光学性能等的影响;其次,模拟太阳电池制作电极时高温短时间烧结工艺,研究α-SiCxNy:H薄膜的热处理性能;最后,采用计算机模拟手段,给出了地面平面太阳电池单、双层减反射膜优化参数,得到了一系列实验结果,为我国开发高效率太阳电池提供了有益参考。
实验表明,随沉积温度升高,薄膜致密度增加,生长速率降低,光学带隙变窄,钝化效果增强。当沉积温度达到400℃时,钝化效果达到最佳,随后钝化效果减弱。随射频功率增加,薄膜致密度增加,生长速率增加,光学带隙变宽,钝化效果比较稳定。随SiH4/CH4流量比的增加,薄膜致密度下降,粗糙度增加,生长速率增加,光学带隙变窄,钝化效果增强。以上所指的钝化效果针对于单晶片和多晶片上沉积的薄膜,对于多晶扩散片上沉积的薄膜,钝化效果变化不明显,略有升高。
低温(300℃)沉积的钝化膜在快速热处理后钝化效果增强,但沉积温度过低时(250℃),热处理后薄膜发生破裂,导致钝化效果变差。SiH4/CH4流量比改变时,单晶片在热处理前后少子寿命变化不明显(除两个极端流量比外),略有降低;多晶片在热处理前后少子寿命降低比较明显。在无甲烷流量下沉积的薄膜,热处理后破裂严重,钝化效果显著降低。对于多晶扩散片,热处理后少子寿命都略微增加,受薄膜沉积条件变化的影响不大。所有薄膜热处理后,H含量都显著降低。
利用计算机对地面用太阳电池减反射膜进行了优化设计,分别得出了单、双层减反射膜系的优化参数及反射曲线。对于单层减反射膜,在折射率n为2.3时,获得最小加权平均反射率Rwmin为3.57%。对于双层减反射膜,优化设计后在折射率ni为1.9,折射率n2为3.0时,获得最小加权平均反射率Rwmin为0.77%,其减反射效果比单层减反射膜效果好很多。