柔性衬底非晶硅/微晶硅叠层电池隧穿复合结研究
非晶硅/微晶硅叠层电池可以在较低的制备成本下提高硅基薄膜太阳电池的转化效率、同时改善稳定性,因而成为硅基薄膜电池产业的研究热点.非晶硅/微晶硅叠层电池中的微晶硅底电池本征层的带隙可以小到1.1eV,极大的扩展了电池的光谱吸收范围从而提高了电池的转化效率.而且非晶硅/微晶硅叠层电池可以通过减少非晶硅本征层的厚度来提高电池的稳定性.
在非晶硅/微晶硅叠层电池中,子电池的连接部分会形成一个pn结.在叠层电池接受光照后,该pn结的p层会收集子电池的光生空穴、n层会收集子电池的光生电子.p层收集的光生空穴和n层收集的光生电子只有在pn界面处复合才能避免光生载流子在叠层电池内部积累.复合前光生电子和光生空穴是借助隧穿到达pn界面的,因此这个pn结一般称作隧穿复合结.本文正是围绕隧穿复合结展开研究工作的.我们实验室的隧穿复合结是由纳米硅p层和非晶硅n层构成的.在这个基础上,我们系统研究了在pn界面处插入不同带隙、不同微结构p型复合层后对隧穿复合结性能的影响.最终将优化隧穿复合结应用到非晶硅/微晶硅叠层电池中.主要工作包括以下几个方面:
1.研究复合层插入与否对隧穿复合结性能的影响.通过是否插入复合层的隧穿复合结性能的对比,发现插入最优非晶硅复合层或最优纳米硅复合层后隧穿复合结的电阻均显著降低,说明插入复合层可以改善隧穿复合结性能.
2.研究插入的复合层微结构对隧穿复合结性能的影响.首先系统研究了复合层硼烷掺杂比例及厚度对隧穿复合结IV特性的影响,发现在我们系统下,非晶硅复合层和纳米硅复合层的最佳硼烷掺杂比例分别为0.67%和4%.两种复合层的最佳沉积时间(亦即复合层厚度)都是10s.通过考察复合层微结构分别为非晶和纳米晶的隧穿复合结性能对比,发现它们的电阻值(电压除以电流密度)很相近(对我们系统,约为1Ωcm2),这说明插入复合层为非晶硅或纳米硅时其最优效果很相近,据笔者所掌握资料该结果尚未见报道.
3.对于不同微结构的复合层均可提高复合几率的物理机理解释如下:对于隧穿复合结的p层都是纳米硅,掺杂较轻(0.67%)的非晶硅复合层具有更窄的带隙以及费米能级更靠近带隙中部两个特点,这都有利于增加pn界面处电子和空穴的复合几率;而掺杂较重(4%)的纳米硅复合层具有更高的缺陷态密度,从而增加了pn界面处电子和空穴的复合几率.
4.最后,将非晶硅复合层和纳米硅复合层应用到非晶硅/微晶硅叠层电池中.在非晶硅子电池和微晶硅子电池的制备条件分别和相应的单结电池相同的条件下,采用最优非晶硅复合层后得到的叠层电池的开路电压为1.4V(非晶硅单结电池的开路电压为0.89V,微晶硅单结电池的开路电压为0.52V),说明非晶硅复合层应用到叠层电池中后电池的开路电压几乎没有损失;同样当微晶硅单结电池的开路电压为0.47V,非晶硅单结电池的开路电压为0.89V时,采用纳米硅复合层得到的叠层电池的开路电压为1.37V.说明纳米硅复合层应用到叠层电池中开路电压同样几乎没有损失.
- 作者：
- 姚文杰
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 曾湘波
- 关键词：
- 非晶硅/微晶硅叠层太阳电池；隧穿复合结；薄膜太阳电池；转化效率
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