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低温制备硅基薄膜太阳电池及其在塑料衬底上的应用

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摘要

居高不下的研发、设备和生产成本成为限制塑料衬底柔性硅基薄膜太阳电池大规模推广的主要因素。本论文采用低温沉积技术，将硅基薄膜材料及太阳电池的沉积温度降低到120℃以下，使得多种耐温性不高但透明性好、在工业中廉价易得的光学塑料成为很好的衬底选择。这些透明塑料衬底可以和玻璃一样，参照传统的p-i-n型太阳电池的制备方法，使得在低成本下制备出柔性硅基薄膜太阳电池成为可能。
　　 沉积温度降低使硅基薄膜材料的光电、结构特性劣化。目前多数研究均集中在低温下非晶硅材料的优化，对硅基薄膜相关的材料及器件研究需要深入开展。本论文利用常规的RF-PECVD技术，采用廉价透明塑料衬底，在低温下对非晶硅电池、微晶硅电池、非晶硅/微晶硅叠层电池以及衬底预处理技术进行系统研究，主要研究内容和取得的成果如下：
　　 首先，研究了多种参数对低温非晶硅材料性能的影响以及低速条件下材料性能的优化，并提出了适合于RF电源的高压高速率沉积技术优化低温非晶硅材料的性能。通过改变工艺参数使沉积速率降低，使低速条件下可以在很大的工艺范围内获得光电性能良好的非晶硅材料，其性能已经接近200℃下制备非晶材料的光电、结构性能。在高压高速条件下，通过引入“气压功率比”这一综合参数，有利于迅速、准确地找到合适的工艺优化区间，使材料及电池的性能得到优化。通过OES对生长过程进行在线监测，发现低温低压条件下，电子温度是材料质量的主导因素，而原子氢浓度只是在一定程度上起到辅助作用。高压条件下，在适中的气压功率比下，可以获得最低的电子温度和最高的原子氢浓度。
　　 其次，对低温沉积的p型窗口层材料进行优化。从低温与高温下制备p-a-SiC材料的性能对比入手，我们发现，低温常规条件制备p-a-SiC材料的宽带隙与低激活能不易同时获得，较低的内建电势是钳制低温非晶硅电池开路电压的主要因素。基于硅烷与甲烷的分解具有不同的阈值能量，提出一种．“低功率、低硅烷流量”的条件下，避免了甲烷的直接分解，可以使生长过程和生长机制得到简化。通过对掺杂浓度的调整以及氢稀释率的提高，使低温制备p-a-SiC材料的结构有序度得到改善、Si-H键含量提高，使材料的带隙得到展宽。与此同时，有序的结构使掺杂效率提高，可以在较低的气相掺杂浓度下获得足够高的电导率。最终，在125℃低温下获得了E04=2.02eV、暗电导率为1.0x10-7S/cm的p-a-SiC材料。将其与SC=8％条件下制备的本征非晶硅材料结合起来，获得了Voc=0.97V，转换效率达到7.5%的单结非晶硅电池。另一方面，与宽带隙的非晶硅本征层相结合，使p-i-n型单结非晶硅电池Voc达到1.01V。
　　 再次，对低温沉积的本征微晶硅材料及非晶硅/微晶硅叠层电池性能进行优化。我们发现，低温下微晶硅材料生长初期的非晶硅孵化层较厚，沿生长方向上材料的光电、结构特性演变也更为剧烈。采用梯度硅烷浓度法，可以实现不同晶化率材料的制备以及纵向结构均匀性的优化。然而此时薄膜的整体网络结构是多种晶向混杂存在的状态，且晶粒尺寸较小，晶粒间界的大量存在导致载流子的纵向输运特性劣化。针对低温沉积微晶硅材料中存在的问题，我们提出一种将生长过程分为起始层、过渡层和主体层三个部分的“三步法”沉积工艺。在高功率、低硅烷浓度的条件下，获得了晶化率为48%、(220)晶向择优生长的起始层材料。以此为基础，通过提高主体层的反应气压有效地降低了粒子轰击能量，使主体层以近似外延的方式生长，其(220)择优取向不断增强，且伴随晶粒的不断长大。将宽带隙、高开路电压的非晶硅项电池与“三步法”优化的微晶硅底电池结合起来，在125℃下制备的非晶硅/微晶硅叠层电池效率达到7.7%。
　　 最后，对塑料衬底的预处理技术进行了研究。首先对PET及PET/ITO进行了不同温度的退火实验，发现当温度超过125℃，ITO的晶粒团簇逐渐减少，至175℃退火时晶粒团簇几乎完全消失，并出现ITO薄膜的断裂现象。进而在PECVD腔室内对PET塑料进行氩等离子体处理，可以有效刻蚀PET表面的非晶及无序部分，使其上生长的ITO薄膜结晶特性和光电性能得到改善。将预处理技术与低温沉积技术相结合，使柔性非晶硅电池效率达到6.3%。

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