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硅锗薄膜材料的RF-PECVD法制备及其在太阳电池中的应用

张洪  
【摘要】:硅锗薄膜材料具有吸收系数高、带隙窄(1.1~0.66eV)的优点,可大幅提高太阳光的吸收效率并拓宽光谱响应范围,从而提高太阳电池的转换效率。硅锗合金薄膜材料可用于叠层电池中,且叠层电池具有结构好,能提高光电转换效率、降低光致衰退和提高光谱响应范围等优点,因此,激起了国内外对硅锗合金薄膜电池极大的研究热情。 本文采用射频等离子化学气相沉积(RF-PECVD)技术制备了硅锗薄膜。系统研究了氢稀释率、锗烷浓度以及薄膜中锗含量、反应气压、辉光功率、电极间距和衬底温度等对硅锗薄膜光电特性和结构特性的影响。结果表明:在实验研究的范围内,材料的暗电导率随着沉积温度的升高、锗烷浓度的增加、沉积压强的降低、氢稀释率的降低而增加;材料的光敏性随衬底温度的升高、辉光功率的增加、沉积压强的增加、锗烷浓度的降低、氢稀释率的降低而增加。通过实验研究,在衬底温度为175℃,锗烷浓度为5%,氢稀释率为24,总气体流量约为200sccm,沉积压强为3Torr,辉光功率为90W的时候,获得了光敏性达5×105的非晶硅锗薄膜材料,其生长速度为0.08nm/s;在衬底温度为175℃,锗烷浓度为1.4%,氢稀释率为82,总气体流量约为400sccm,沉积压强为3Torr,辉光功率为60W的时候,获得了适合做太阳电池有源层的微晶硅锗薄膜材料,经过Raman三峰拟合其晶化率为41%,其光敏性达2×104,其生长速度为0.04nm/s。 将上述优化的非晶硅锗材料应用于太阳电池的本征吸收层,制备了一系列非晶硅锗太阳电池,电池采用的结构为:glass/SnO2/p-a-Si:H /i-a-SiGe:H /n-nc–Si:H /Al,研究了非晶硅锗材料的光电特性、结构特性对太阳电池性能的影响,获得了转换效率η=4.29%的a–SiGe薄膜太阳电池,通过优化p/i界面的buffer层结构,适当延迟锗烷气体的开启时间,使得电池的填充因子FF从46%上升到了53%,最终获得了转换效率为4.99%的a–SiGe薄膜电池。


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