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柔性衬底薄膜光伏电池相关材料制备及性能

岳红云  
【摘要】:能源危机和环境污染问题促进了太阳能光伏产业的快速发展,而降低成本、提高光电转化效率则是加快太阳能电池推广应用的重要手段。微晶硅薄膜因其低成本、高效率、无衰减等优点已经成为最有潜力的光伏材料之一。而以柔性材料为衬底的柔性微晶硅薄膜太阳能电池不仅可以实现卷轴式大规模生产,进一步降低成本,还具有可卷曲性和重量轻的特点,使其携带方便、应用更加广泛。但是,其仍存在吸收系数低、界面不稳定、结构均匀性不好等问题,这在一定程度上限制了柔性微晶硅薄膜太阳能电池的发展和应用,本文针对以上主要问题开展了研究。 通过调节工艺参数、开发新材料和新方法来达到优化柔性薄膜太阳能电池的陷光结构、解决铝硅界面问题、改善硅薄膜质量等目的。首先,进行了聚酰亚胺(PI)衬底上制备具有织构表面铝背电极的研究,分析讨论了薄膜生长和表面织构形成的机理;其次,将铝镍合金用作柔性硅基薄膜太阳能电池的阻挡层,对铝电极和硅薄膜之间的互扩散有良好的阻挡效果,并对其阻挡机理进行了分析;再次,采用新的两步生长法有效改善了微晶硅薄膜的结构均匀性问题;最后,确定了透明氧化锌铝薄膜(ZnO:Al)的最佳沉积条件,分析讨论了薄膜结构变化的原因及其对性能的影响规律。上述研究为解决柔性微晶硅薄膜太阳能电池中存在的问题和提高电池的性能,提供了丰富的实验和理论基础。论文主要结论如下: 1.绒面铝电极的制备及机理研究 利用射频磁控溅射技术,室温条件下通过控制工艺参数,在PI柔性衬底上制备了具有表面织构的铝电极。高功率(300-450W)下制备的薄膜沉积速率高、电阻率较低同时具有较高的漫反射率,薄膜的平均漫反射率高达70%。随着工作气压的增加,薄膜的沉积速率降低,表面粗糙度减小,在工作气压为0.5Pa时,薄膜具有较低的电阻率和较高的漫反射率。分析表明:高的沉积功率、低的工作气压和斜向入射的沉积方式都可以提高粒子在薄膜生长表面的动能和迁移率,有利于粒子的聚集及表面岛的长大。而薄膜表面的柱状生长形貌则主要与粒子斜向入射和在沉积过程中的应变能释放有关。这种表面织构的制备方法工艺简单实用,同时还避免了高温对塑料柔性衬底的影响,具有较高的实用价值。 2. AlxNiy薄膜制备及阻挡效果分析 采用射频磁控双靶共溅射法制备了AlxNiy系列合金薄膜,通过调节靶的功率可以有效调控合金的比例,制备的合金薄膜成分也比较均一。Al、Ni比例为1:1和2:3的薄膜均为多晶结构,对Al、Si互扩散具有较好的阻挡效果,这与其属于置换固溶体,有较高的熔点、较低的自扩散系数有关。其中,AlNi合金对电极电阻的影响最小,与n-Si接触后形成的接触势垒更低,更有利于电子的传输。因此,AlNi合金更适合用来做阻止Al、Si互扩散的阻挡层材料。 3.微晶硅薄膜制备工艺优化 结合微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积(ECR-PECVD)技术的特点,提出生长-刻蚀-再生长的两步生长法制备微晶硅薄膜。该方法也可以被称为籽晶层法,即:先生长厚度约为15nm的薄膜,用氢等离子体处理2min得到籽晶层后,继续生长得到微晶硅薄膜。该两步生长法有效消除了非晶孵化层,改善了微晶硅薄膜的纵向均匀性,使薄膜的晶化率从常规生长的24.3提高到了50.7%。结合实验结果,对氢等离子体诱导非晶硅晶化的机理进行了阐述,并提出了两步生长法制备微晶硅薄膜的生长模型。 4. ZnO:Al薄膜的制备及结构变化分析 采用射频磁控溅射技术以ZnO(含2wt.%Al203)陶瓷靶为溅射靶材制备了高c轴择优取向的ZnO:Al薄膜,并分析讨论了薄膜结构变化的原因及其对薄膜电性能的影响规律。实验结果表明:当溅射功率为100W、工作气压为0.3Pa、衬底温度为250℃时沉积得到的ZnO:Al薄膜有最佳的综合性能,可见光区的平均透过率在90%左右,薄膜电阻率约为3.1×10-3Ω.cm。利用GID-XRD和HRTEM对ZnO:Al薄膜的结构进行了深入研究,结果表明:ZnO:Al的晶格相对于未掺杂的氧化锌不仅在垂直于衬底方向变大,在其它方向上晶格也变大,这说明晶格常数变大除受薄膜应力影响外,还和掺杂本身有直接关系。掺杂量为2%时,除了替位掺杂外还有一部分铝和锌以填隙形式存在,从而使晶格在多个方向变大。通过理论计算证实了上述观点的正确性。


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