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硅薄膜太阳电池材料的制备研究

王金晓  
【摘要】:能源危机和环境污染已经成为当今世界各国经济发展面临的首要问题,因此,越来越多的国家开始转向开发利用可再生的清洁能源。太阳能作为取之不尽、用之不竭且无污染的可再生清洁能源,成为首选目标之一。 目前,太阳电池正从第一代晶体硅太阳电池走向第二代薄膜太阳电池。具有低成本、高效率、长寿命且材料来源丰富、无毒等优点的第三代太阳电池已成为研究者关注的焦点。在薄膜太阳电池中,微晶硅太阳电池由于克服了光致衰退效应,并且具有工艺简单、便于大面积生产等优点,成为国际光伏市场发展的新趋势。宽范围的光谱吸收以及强的电荷传输特性使得硅纳米线成为实现第三代太阳电池的关键材料。 本论文系统研究了玻璃、塑料等廉价衬底上微晶硅薄膜的低温制备及其生长机制,对CVD系统制备硅纳米线的生长机理、结构形态和发光特性进行了比较系统地分析。论文中的主要研究内容和所得到的主要研究结果总结如下: ●系统研究了电感耦合等离子体(ICP-)CVD低温制备微晶硅薄膜过程中衬底与电感线圈间距(d_(IS))对薄膜物性的影响。基于实验结果,提出了以SiH_4/H_2为源气体的ICP-CVD低温制备硅薄膜的等离子体气相输运机制。研究发现,当间距适中(5cm)时,低温制备的硅薄膜具有高的晶化质量; ●结合ICP-CVD的特点,发展了一种新的低温制备微晶硅薄膜的方法,即铝诱导晶化原位生长。以SiH_4和H_2混合气为源气体,铝为诱导金属,通过等离子体中SiH_x(0≤x≤3)前驱物与铝层间强的非平衡热力学过程,分别在玻璃和柔性衬底上成功制备了高晶化质量的微晶硅薄膜。没有观察到铝层和硅薄膜的“层交换(layer exchange)”现象。据此,提出了一个自洽的铝诱导晶化硅薄膜的原位生长机制: ●采用自行设计的CVD装置,在480℃、大气压强下以Au作为催化剂成功地制备了大量细且直的硅纳米线(SiNWs),其长度达几微米。纳米线的生长服从VLS机制,具有晶化硅核和氧化层组成的核壳结构,氧化层约3nm。Raman测试结果发现SiNWs的一级振动模的特征峰较之单晶硅的特征峰有4cm~(-1)的红移,证实了SiNWs的量子限制效应。


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