薄膜太阳电池及其陶瓷硅衬底材料的制备和电子辐照研究

【摘要】： 光伏发电技术越来越受到世界各国的关注。太阳电池可以直接将太阳能转化为电能，具有极大的可再生性，既清洁安全，无污染，也不会影响生态环境，所以越来越被人们所认识、接受。在太阳电池的研究和发展中，薄膜太阳电池是人们研究的热点课题，国际太阳电池的研究正在向薄膜化的方向发展。目前最有前途的薄膜太阳电池是碲化镉薄膜太阳电池、铜铟硒薄膜太阳电池和硅薄膜太阳电池等。碲化镉薄膜太阳电池研究获得了较高的转换效率，已经出现在光伏市场。而该太阳电池中的镉(Cd)是重金属，Cd的化合物与Cd一样有毒，它可以通过呼吸进入人类或其它动物体内造成危害。废弃和破损的组件必须有效的处理。铜铟硒薄膜太阳电池研究也达到了较高的转换效率，但是铟资源的有限性能否满足该太阳电池大规模应用仍有问题。在众多的太阳电池材料中，硅在自然界中储量丰富，无毒、无污染，是人们研究最多，最成熟的材料。目前有三种硅薄膜太阳电池的形式，非晶硅薄膜、多晶硅薄膜和单晶硅薄膜太阳电池。而非晶硅薄膜太阳电池存在光致衰退效应未能解决，其应用受到限制。单晶硅薄膜太阳电池，由于单晶硅薄膜制备的复杂性，应用仍存在问题。所以，多晶硅薄膜太阳电池具有高效率和稳定性的特点成为国际光伏界研究的热门课题之一。然而薄膜太阳电池需要一种衬底材料作为支撑，衬底材料是多晶硅薄膜太阳电池实现高效率的关键。 本文综述了硅薄膜太阳电池的研究现状、发展趋势及其存在的主要问题，分析了多晶硅薄膜太阳电池的衬底材料，首次提出了采用陶瓷硅材料作为多晶硅薄膜太阳电池衬底材料的思想，并进行了全面深入的研究和实验。成功地制备了陶瓷硅材料，分析研究了陶瓷硅材料的性能和机理。用(快速热化学气相沉积)RTCVD方法在陶瓷硅、镁铝尖晶石透明陶瓷及石墨衬底材料上沉积制备了多晶硅薄膜，测试分析了多晶硅薄膜的性能。对多晶硅薄膜和多晶硅薄膜太阳电池进行了电子辐照研究。得到了以下一些新结果： 1、研究了陶瓷硅材料的制备方法及其性能和机制。 首次采用高压低温法成功地制备了陶瓷硅材料，得到了最佳制备条件为: 600℃，2.3GPa，10分钟。这一条件下可以获得无氧化硅相或基本无氧化硅相的 陶瓷硅材料。在最佳烧结条件下制备的陶瓷硅材料具有高密度(2 .18岁cm3，约 为理论密度的94%)和高硬度(6H7)，其机械性能满足了多晶硅薄膜衬底材 料的要求。这些结果都未见报导。 又用热力学关系证明了制备致密陶瓷材料的压力和温度关系。在低压情况 下，温度几乎接近熔点(1400℃)，制备的陶瓷尚不够致密;而当压力增高，温度 下降至约熔点的1/2，就可得到致密的陶瓷，又可不出现硅的氧化。此结果未见 报导。 对温度升高陶瓷硅中硅的氧化增加用化学动力学作出了解释。由于硅与氧 发生的化学反应为:si(s)+O2(g)一si02(s)，反应中氧气为气态。压力增加时，为 使系统平衡，化学反应必须向右进行，因此压力是有利于氧化反应的。 分别用高纯度的Al粉和BZO3粉为掺杂剂，以1%和2%的重量比掺入硅粉 中，在高压低温下制备了陶瓷硅材料，经Hall测量材料的载流子浓度发现:虽 掺杂浓度较高，而陶瓷硅的载流子浓度却还很低，表明杂质可能大部分处于填 隙位置而不是替代位置。并未改善陶瓷硅的电导率。此研究结果也未见报道。 2、研究了以陶瓷硅、镁铝尖晶石透明陶瓷及石墨等为衬底沉积多晶硅薄膜。 采用快速热化学气相沉积(Rl，CVD)方法在以上三种不同衬底上，不同的 温度(873℃，970℃，1070℃，1150℃)条件下成功地制备了多晶硅薄膜:以 H:为载气，siHZCI:为产生si的生长气体，BZ氏为掺杂气体，用于实现硼(B) 的掺杂，形成P型多晶硅薄膜。 首次在陶瓷硅衬底材料上沉积制备了多晶硅薄膜。薄膜晶粒为随机取向， 性能与沉积温度有关，高温条件沉积的薄膜结构均匀、致密，具有较大的晶粒 尺寸(约10卜m)。 首次在镁铝尖晶石透明陶瓷衬底材料上成功地沉积制备了多晶硅薄膜。薄 膜具有择优取向，其择优晶向为(220)，薄膜具有较高的迁移率48.2cmZ.v-l.s一，。 在石墨衬底材料上沉积制备的多晶硅薄膜，晶粒取向与沉积温度有关。低 温条件下(873℃，970℃)为随机取向:高温条件下(1070℃，1 150℃)为择 优取向，择优晶向为(220)。有关晶粒取向随温度变化的研究结果尚未见报导。 3、研究了多晶硅薄膜及多晶硅薄膜太阳电池的电子辐照效应。 利用四川大学原子核科学技术研究所的JJ一2型静电加速器对多晶硅薄膜和 多晶硅薄膜太阳电池进行了电子辐照试验。电子能量为IMeV，电子注量分别 为:一x 1014/emZ，1 x 1015/emZ和1 x 1016/emZ。 多晶硅薄膜在低注量的电子辐照后，电阻率减小，这是电离效应所致。而 在高注量的电子辐照后，多晶硅薄膜的电阻率期加很大，是由一j一原子的位移锁 伤造成。而辐照后多晶硅薄膜的迁移率退化与辐照注量的关系近似为直线关系。 表明实验结果与理论结果 △(与- 工一土一K，中 林协。 具有较好的一致性。 经多晶硅薄膜太阳电池的电子辐照结果与薄单晶硅太阳电池