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太阳能电池用堇青石—硅复相陶瓷衬底的制备研究

刘婷婷  
【摘要】:多晶硅薄膜太阳能电池具有电池效率高、性能稳定等特点,并且由于采用的材料很薄,成本低,是目前硅薄膜太阳能电池研究的热点。多晶硅薄膜是由在衬底上生长的具有不同晶粒取向的很多小晶粒组成。制备多晶硅薄膜太阳能电池的方法按照沉积条件的不同可分为低温路线和高温路线,在低温沉积时,可以选用玻璃、塑料材料等衬底材料,但沉积的薄膜晶粒尺寸小,沉积质量差,电池效率很低;高温沉积能耗大,沉积质量好,薄膜晶粒尺寸大,但是缺少适于沉积多晶硅薄膜的高温衬底材料,因此,适用于高温沉积衬底材料的开发对于促进多晶硅薄膜太阳能电池的发展及应用具有重要的意义。 本论文研究了堇青石-硅复相陶瓷衬底材料的制备,由于堇青石具有与硅近似的热膨胀系数,且具有良好的耐高温性、化学稳定性等特点,可以作为高温衬底材料。堇青石-硅复相陶瓷材料本身是按硅的浓度依次升高的梯度材料,不会存在热匹配问题,是一种理想的复相陶瓷衬底材料,到目前为止尚未见堇青石-硅复相陶瓷衬底材料的研究报道。本课题的研究主要是分三大部分来完成的。 第一部分是堇青石粉体的制备,采用焦宝石、矾粉及滑石粉作为原料,通过DSC测试,烧结实验及产物XRD分析,确定在该体系下制备堇青石粉体的最佳温度为1280℃。 第二部分是利用上一步制备的堇青石粉体来制备堇青石陶瓷。堇青石的熔点为1460℃,制备堇青石陶瓷的烧结温度在1400℃左右,因此烧结范围窄,同时硅的熔点为1420℃,若烧制温度高于硅熔点,顶面硅的熔化会渗透到堇青石中,因此需要降低堇青石相陶瓷的烧结温度,所以先对梯度衬底材料最下层堇青石相做了制备研究。在实验过程中采用了两种成型方法即流延成型与压片成型,并添加了氧化铋和氧化钇作为烧结助剂,研究了不同成型方法和烧结助剂对制备堇青石陶瓷的影响。流延成型制备的带坯烧结后的堇青石陶瓷基片吸水率较高,采用压片成型后烧结吸水率比前者低。采用压片成型在1360℃烧结并加入三氧化铋助剂时得到的堇青石陶瓷吸水率最低为5.9%。 第三部分是堇青石-硅复相陶瓷衬底材料的制备。采用压片成型制备复相陶瓷坯片,并用氮气气氛炉进行烧结,通过对复相陶瓷的相关性能表征与分析得知,最佳的烧结温度为1390℃。


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