晶硅太陽電池TiO2陷光薄膜.pdf

1、提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本是太陽能電池技術(shù)發(fā)展中不變的主題。太陽能電池陷光薄膜及陷光結(jié)構(gòu)可以有效降低電池表面太陽光的反射率，增加進入到電池內(nèi)部的光子數(shù)量，進而提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。現(xiàn)有的陷光結(jié)構(gòu)不能在廣角譜、寬光譜范圍內(nèi)降低電池光學(xué)損失。該問題在薄膜電池、以及第三代太陽能電池中更加突出，為太陽能電池技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。
　　 本文以TiO2單層、雙層及梯度折射率減反膜為研究對象。研究了薄膜制備工藝、沉積模式、顯微結(jié)構(gòu)及光

2、學(xué)特性之間的相互關(guān)系;提出了TiO2陷光薄膜的相變模型;探索了TiO2薄膜折射率調(diào)控及納米結(jié)構(gòu)化的新方法，并研究了雜質(zhì)光伏效應(yīng)與陷光結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系;為高效太陽能電池技術(shù)發(fā)展提供了理論及實驗支撐。
　　 采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備了TiO2薄膜，研究了工藝條件對薄膜沉積模式、晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)特性的影響，研究了晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌對光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明:薄膜中懸空鍵的光吸收作用、晶界散射和薄膜表面的光散射作用為影響薄膜光

3、透過率的主要因素。薄膜結(jié)構(gòu)特性和沉積速率由沉積過程中產(chǎn)生的Ti+、TiO+、TiO2+數(shù)量決定，當氧流量小于3mL/min，且濺射功率大于400W時，Ti+主導(dǎo)沉積過程，沉積模式為金屬模式，獲得的薄膜為Ti金屬色澤;當氧流量在3mL/min與5mL/min之間時，Ti+、TiO+主導(dǎo)沉積過程，薄膜表現(xiàn)為金黃色;當氧流量大于7mL/min時，TiO2+主導(dǎo)沉積過程，薄膜為透明狀態(tài)。
　　 首次制備了銳鈦礦相與金紅石相混合結(jié)構(gòu)的沉積

4、態(tài)TiO2薄膜，并對TiO2薄膜中存在的相變過程進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):納米柱狀結(jié)構(gòu)對相變過程有抑制作用，相變后薄膜晶粒尺寸為相變前的二倍。薄膜相變過程分為三個階段:第一階段，在退火過程中薄膜中的銳鈦礦相晶粒首先生長，直至彼此相接;第二階段，金紅石相在兩個銳鈦礦相晶粒的相接處成核;第三階段，金紅石相晶粒向外擴張，最后將兩個銳鈦礦相晶粒轉(zhuǎn)化為一個金紅石相晶粒。
　　 首次在直流反應(yīng)磁控濺射中采用改進的傾斜沉積方法對TiO2薄膜折射率

5、進行調(diào)控研究。結(jié)果表明:當沉積角度增加到30°時，薄膜中的柱狀顆粒開始分離;當沉積角度增加到60°時，薄膜中出現(xiàn)分離的柱狀顆粒，特別是增加到80°時，薄膜中出現(xiàn)了貫穿薄膜的孔洞。薄膜中的柱狀結(jié)構(gòu)的傾斜角度β與沉積角度α之間有β=tan-1（0.347 taα）關(guān)系，薄膜的折射率n與沉積角度α有n=2.50619-1.1×10-4α2關(guān)系。改進的傾斜沉積方法獲得了折射率在1.81～2.53之間可調(diào)的TiO2薄膜。該方法可降低薄膜晶粒尺寸，

6、并減小薄膜柱體結(jié)構(gòu)半徑，兩者分別提高了可見光中長波段與短波段的透過率。
　　 對TiO2薄膜的單層、雙層及梯度折射率減反膜的電池輸出特性進行了仿真研究。發(fā)現(xiàn)減反膜可有效提高太陽能電池的短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率，雙層減反膜的減反射效果優(yōu)于單層減反膜。TiO2單層減反膜的光伏電池短路電流密度與轉(zhuǎn)換效率分別提高了66％與65％，加權(quán)平均反射率最低達7.8％。SiO2/ZiO2、TiO2/TiO2雙層減反膜具有更低的反射率，加權(quán)平均反射率

7、可降低至1.5％與4.6％。當玻璃封裝的太陽能電池梯度折射率減反膜全部由ZiO2組成，其折射率梯度滿足三次方關(guān)系，加權(quán)平均反射率為1.5％，太陽能電池短路電流密度和開路電壓分別提高了76％和75％;當太陽光入射角小于70°時，全TiO2結(jié)構(gòu)的梯度折射率減反膜在全波段范圍內(nèi)都能起到很好的減反射效果。未封裝的太陽能電池中，全TiO2結(jié)構(gòu)的梯度折射率由于缺少低折射率材料，減反射效果僅與雙層減反膜效果相當，采用了SiO2薄膜后，梯度折射率減反膜

8、效果更佳。
　　 研究發(fā)現(xiàn)深能級雜質(zhì)能有效提高電池對紅外光波段光子的吸收。隨深能級雜質(zhì)鉈摻入量的增加，短路電流密度與轉(zhuǎn)換效率先增加后下降，最優(yōu)摻雜濃度為Nt=ND=1017cm-3。深能級雜質(zhì)在晶硅太陽能電池內(nèi)引入兩個主要的光激發(fā)過程，一是光子將電子從硅的價帶激發(fā)到鉈能帶，另一個是光子將電子從鉈能帶激發(fā)到硅的導(dǎo)帶，這兩個光激發(fā)過程相互競爭共同完成以能量小于硅帶隙的光子將電子從硅價帶激發(fā)到導(dǎo)帶的過程;它提高了晶硅電池的紅外光波段特