pin型非晶硅太阳能电池的制备与特性的研究_

薄膜制备的步骤如下:
①由于制备pin型非晶硅薄膜太阳能电池a-Si:H薄膜所用的气体SiH4、PH3
一域多层四四制
和B
清廉指数>鑫诺六号3H
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气体都具有危险性,因此在进行实验之前要先进行气体安全性检查;
②将保存在去离子水中的基片取出,用N2气将其吹干,然后将基片放在基片
紫光阁微博架上并作相应的固定处理;
③将装有基片的基片架通过送样室送入反应室,对送样室、反应室以及出样室分别抽真空,并根据预先制定的沉积条件对基片架加热;
④为了保证基片温度达到预定的温度,需要保温3~5小时,然后打开控制电调节气体压强、气体流量等参数,开始通入气体;
⑤气体供应按照“先通入普氮清洗,后通入氩气清洗,再通入工作气体”的原则进行;
黄汉清⑥通入反应气体时,打开射频电源,并调整射频功率至需要的数值,开始镀膜;
⑦沉膜结束后,关闭SiH4、PH3 和B3H6气阀,并通入Ar气和N2气清洗气路,排尽系统中的反应气体,以确保安全;
⑧气路清洗完毕以后,将基片架送入出样室,并待其温度降到室温后,去除真空取出室外。
4.4 p、n层材料的制备及工艺选择广州国土资源和房屋管理局
p、n层的作用:p、n层作为电池内建电场产生的来源,对pin单结太阳能电池的性能有着重要的影响。理论认为带尾态的复合对pin结构太阳电池的开压起着基本的限制作用,电池的开压有i层的电子和空穴费米能级差来决定。我们可以通过改变p型层结构和组成来提高电池的开压,并且影响i层光生载流子的收集,从而直接影响电池的填充因子和转换效率。作为掺杂层,要求p、n层重掺杂与电极形成良好的欧姆接触外,p在pin结构电池中,p是受光面,要求比较严格一些,不仅要有比较高的电导率,还要有高的光透射率,一般膜厚只需要20nm左右,沉积时间一般在几分钟到十几分钟左右。层材料还要有高的光学带隙,以增大内建电势,减小串联电阻,允许更多的太阳光透过它进入i层有源层,为此,p层选用了p型硼掺杂a-Si:H材料作为电池的窗口层。
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4.4.1 衬底温度对p 型硅薄膜材料带隙影响
实验:在PECVD 系统中制备p 型硅薄膜材料和电池。P 层材料的制备条件为,硼掺杂浓度:B 2H 6/SiH 4=0.03,反应气压 60pa ,射频功率:15w ,由于温度高于200℃,衬底和薄膜热膨胀系数存在较大的差异,沉积出的薄膜存在应力问题,故我们选择在较底温度下制备存在薄膜衬底温度选择:40℃ 60℃ 80℃ 100℃ 120℃ 140℃ 160℃,气体流量40ccm,反应气体温度均为常温下。以普通玻璃为衬底,利用椭圆偏振仪器进行测量拟合,对其透射普计算得到薄膜厚度和光学禁带宽度E opt
图4-5 p 层光学带隙随温度的变化曲线
结果分析:p 型膜的光学带隙随温度变化的曲线如图4-5所示,随着温度的升高,光学带隙呈先上升后下降趋势,分析原因,这是由于在温度太低时候,气体分子不能充分分解,不能够有效掺杂,影响光学带隙的宽度。随着温度的升高,掺杂度增大,光学带隙也随着增大在80℃时候,达到最大值。。随着温度的进一步增大,反应加强,反应粒子的能量增大,薄膜微晶化程度增大,薄膜的晶粒尺寸较大,从而决定了带隙较低[39]。导致了pn 结内建电场的减小,相应电池的开路电压也随应减小。
4.4.2 非晶硅薄膜太阳能电池N层磷掺杂a-Si:H薄膜制备与表征
与p,i层相比较,pin电池的底层n层对电池性能的影响相对要小一点,一般要求其重掺杂,要求要有低的暗电阻率,一方面与i层形成较高的势垒,另一方面与金属电极(铝电极)形成良好的欧姆接触。薄膜的电学性能很大程度上依赖于PECVD工艺参数。因此,将研究PECVD工艺参数对a-Si:H薄膜电阻率的影响,实验中选择PH3/SiH4=0.05气体和纯硅烷气体,利用霍尔效应对材料的电阻率进行测试。
1)衬底温度对电阻率的影响
实验研究发现(图4-6):磷掺杂氢化非晶硅薄膜电阻率从基片温度为40℃时的1×107Ω·cm,下降到250℃时的4.6×102Ω·cm,变化了将近5个数量级。
图4-6衬底温度对a-Si:H薄膜电阻率的影响
P.Danesh等人[39]研究表明,a-Si:H薄膜在生长过程中结构的优劣取决于“非晶网络的初始化有序性”(initial ordering of the amorphous network),而这种非晶网络的初始结构是由基片温度的高低决定的。基片温度较低时,非晶网络初始结构较差,进一步生长的薄膜既有中程结构,又有短程结构;当基片温度较高时,“非晶网络的初始化有序性”较好,进一步生长的薄膜是以中程结构为主的,这使得薄膜的结构得到了一定程度的改善。a-Si:H薄膜的中程结构得到改善以后,其缺陷态密度将会降低。
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在低的衬底温度下,被吸附在生长表面的活性基团的活动能力较小,因而已被吸收的SiH3基团的放H环境较差,生成的氢化非晶硅薄膜以多H化合物组态为主,且所占比例甚大。当衬底温度升高后,随着吸附基团活动能力的增强,放H 环境得到改善,多H组态转化成单H组态。同时,高的衬底温度有助于加速薄膜中的释H反应,改善薄膜的结构。随着衬底温度的升高,薄膜中的H含量减少,这是因为多H化合物减少的缘故。另外,提高基片温度,还可以提高薄膜生长表面的活性,使得表面H原子的活性增加,有利于H的扩散和逸出,从而降低薄膜中的含H量和改善薄膜的微结构。
2)射频功率对电阻率的影响
图4-7射频功率对a-Si:H薄膜电阻率的影响
图4-7给出了射频功率对氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜电阻率的影响曲线。研究发现,薄膜电阻率随射频功率的增加而增大。当射频功率为5W时,薄膜电阻率约为ρ=1×102Ω·cm;而当射频功率上升到15W时,薄膜电阻率增加到约ρ=3.8×102Ω·cm;射频功率超过25W后,薄膜电阻率增加速率加快,在30W时达到ρ=6.2×102Ω·cm。增大射频功率,SiH3、SiH2等基团的浓度也会随之增加。多H基团沉积到薄膜中,会增加薄膜的缺陷态密度,从而使得薄膜的导电性能减弱。当功率增加到25W以上时,SiH2累积到一定的浓度,有可能发的聚合反应,导致形成“粉末”并沉积到薄膜中,降低薄膜的质量,使其电阻率进一步升高。此外,提高射频功率还有可能使电子温度升高,当高能电子轰击衬底表面时,增加材料中
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的缺陷和微空洞,从而导致导电性能下降。
3)掺杂浓度的影响
图4-8 a-Si:H薄膜电阻率与PH3/SiH4掺杂比的关系
图4-8给出了掺磷 a-Si:H薄膜电阻率随PH3/SiH4掺杂比的变化规律。实验中,固定纯SiH4的流量,改变5%PH3/SiH4混合气体的流量。由图可知,当PH3/SiH4掺杂比由0变化到1.0%左右时,a-Si:H薄膜的电阻率由无掺杂时的6.80×106Ω·cm 迅速降低到2.52×102Ω·cm,变化了4个数量级,掺磷效果非常明显。而进一步增大掺杂比的时候,a-Si:H薄膜的电阻率没有明显的变化。这是由于磷原子的掺入提供了更多的载流子。磷原子的价层电子构型为(3s)2(3p)3,在形成气态化合物时,磷原子常以sp3杂化轨道与3个配位原子成键,这时即使磷进入固态Si网络中,对薄膜暗电导没有贡献。但少数磷原子可发生sp3d杂化,与5个配位Si原子成键,形成三角双锥结构的化合物。在固态时,此化合物不再保持三角双锥结构而是电离出1个电子后变为正四面体结构,形成Si原子集团内的替代式掺杂。由于这些电离电子的存在,使薄膜的暗电导增大。部分磷原子取代H原子直接形成Si-P键,减小了缺陷态密度,而缺陷态往往可成为非辐射复合中心,此种复合中心数量越多,对多数载流子的捕获作用就越大,从而使得薄膜的导电性能下降。当掺杂浓度到达一定程度后,由于大量磷原子为sp3杂化方式成键,尽管仍然有可能在薄膜材料中引入新的缺陷态,但此时薄膜的电导性能受控于杂化成健模式,因而对于进一步降低薄膜电阻率效果不明显。
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本文发布于:2023-06-23 15:37:27,感谢您对本站的认可!

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