钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高

最近,旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注,主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池,其制备工艺简单、制备成本低且效率高.对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键,进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能.本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究,通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控,获得了相应的优化工艺参数.对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响,其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态,又可以增强P型发射层的暗电导率,提高了前表面场效应钝化效果.通过上述优化,制备出最佳的P-type emitter layer/aSi:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855μs和709 mV,表现出良好的钝化效果.应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池,转换效率达到18.76%,其中开路电压达到681.5 mV,相对于未优化的电池提升了34.3 mV.将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池,对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV,转换效率达到21.24%,证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.     

单室沉积非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池的研究

在产业化比较成熟的单室沉积非晶硅薄膜太阳电池基础上,进行了非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池性能优化的研究.在生产线上纯单室沉积的非晶硅/非晶硅叠层太阳电池基础上,通过调节n-p隧穿结并采用自行研制开发的单室微晶硅底电池的沉积路线,获得了单室沉积的光电转换效率达到9.52%的非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池. 关键词： 硅基薄膜太阳电池 三叠层 微晶硅     

异质结及其技术在新型硅基太阳能电池中的应用

文章综述了异质结及其技术在新型硅基太阳能电池中的应用.从太阳能电池特性角度,点评了其在晶体硅、非晶硅薄膜太阳能电池及新结构太阳能电池应用中的研究热点和研究现状.在此基础上,讨论了其在不断与晶体硅、薄膜硅太阳能电池融合中的发展动态.     

异质结太阳电池硅衬底绒面陷光结构的优化

硅异质结(SHJ)太阳电池作为备受关注的新型高效太阳电池,是在单晶硅表面沉积非晶硅薄膜制备而成的。将绒面结构的单晶硅衬底应用于异质结太阳电池,可以减少光的反射,增强光吸收的效率,从而提高太阳电池短路电流密度。利用湿法化学腐蚀对单晶硅衬底表面进行制绒,通过优化影响绒面形貌的几个关键参数,包括异丙醇浓度、时间、衬底类型和硅酸钠的含量,最终通过在n型单晶硅衬底上制绒,使波长为1011 nm处最低反射率从制绒前的34.7%降低到了9.14%,将制绒衬底应用到异质结太阳电池上,短路电流由32.06 m A/cm-2提升到36.16 m A/cm-2,有效地改善了SHJ太阳电池的性能。     

非晶硅锗电池性能的调控研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了非晶硅锗薄膜太阳电池. 针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性, 通过调控硅锗合金中硅锗的比例, 实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制. 借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计, 获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池. 关键词： 非晶硅锗薄膜太阳电池 短路电流密度 开路电压 带隙梯度     

异质结太阳电池中非晶钝化层的分光椭偏分析

采用分光椭偏(SE)测试技术研究晶体硅(c-Si)异质结太阳电池用氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化层的性能。采用有效媒介理论为基础进行分层多相拟合,研究了a-Si:H/c-Si界面层内部的缺陷散射周期(St)、a-Si:H体内孔隙率以及薄膜介电函数峰值随基底温度的变化规律。通过与傅里叶红外转换光谱计算得到的微结构数据对比,发现界面层的St与薄膜内部Si H和Si H2含量相关。依据高分辨率透射电镜(TEM)下呈现的形貌特征、有效少子寿命和异质结的implied开路电压等参数的辅助证明,确定SE技术作为一种有效的光学表征手段,能准确快速地判断a-Si:H对c-Si表面的钝化性能,继而定量给出适合晶体硅异质结太阳电池高质量a-Si:H钝化层生长的最优参数。     

硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计

硅异质结太阳电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件,是一种具有大面积规模化生产潜力的光伏产品.异质结界面钝化品质、发射极的掺杂浓度和厚度以及透明导电层的功函数是影响硅异质结太阳电池性能的主要因素.针对这些影响因素已经有大量的研究工作在全世界范围内展开,并且有诸多研究小组提出了器件效率限制因素背后的物理机制.洞悉物理机制可为今后优化设计高性能的器件提供准则.因此及时总结硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计非常必要.本文主要讨论了晶硅表面钝化、发射极掺杂层和透明导电层之间的功函数失配以及由此形成的肖特基势垒;讨论了屏蔽由功函数失配引起的能带弯曲所需的特征长度,即屏蔽长度;介绍了硅异质结太阳电池优化设计的数值模拟和实践;总结了硅异质结太阳电池的研究现状和发展前景.     

薄膜硅/晶体硅异质结电池中本征硅薄膜钝化层的性质及光发射谱研究

本文采用甚高频等离子体化学气相沉积技术 (VHF-PECVD) 制备薄膜硅/晶体硅异质结电池中的本征硅薄膜钝化层, 光发射谱 (OES) 测量技术研究了硅薄膜沉积过程中等离子体发光谱随时间的变化. 结果表明: 在实验优化条件下等离子体发光谱很快达到稳定 (大约25 s), 并且SiH^*/H_α^* 的比值随时间变化较小, 避免了生长过程中硅薄膜结构的不均匀性, 这主要是SiH₄没有完全耗尽避免了SiH₄的反向扩散. 进一步研究了沉积参数对稳态发光谱和硅薄膜性质的影响, 结果表明: 随着硅烷浓度增加, H_α^*峰强度减小, SiH^*峰强度增加, 薄膜从微晶转变成非晶, 非晶硅薄膜钝化效果好; 随着沉积气压增大, H_α^*和 SiH^*峰强度先增加后减小, 高气压下H_α^*和 SiH^*峰强度下降主要是反应前驱物的聚合形成高聚合物, 不利于形成高质量的硅薄膜, 因此钝化效果下降; 随着反应功率密度增加, H_α^*和 SiH^*峰强度增大, 当功率密度为150 mW/cm² 趋于饱和, 硅薄膜的致密度和钝化效果也开始下降, 50 mW/cm²的低功率密度下硅薄膜钝化效果差可能是由于原子H 浓度低, 不能完全钝化单晶硅表面的悬挂键. 关键词： 薄膜硅 异质结 光发射谱 钝化     

提高非晶硅/微晶硅叠层太阳电池光稳定性的研究

如何提高硅基薄膜太阳电池的光稳定性是硅基薄膜太阳电池研究和产业化过程中非常重要的问题. 为了提高非晶硅/微晶硅叠层电池的光稳定性, 本文首先给出了良好光稳定性非晶硅顶电池的结果, 然后重点研究了N/P隧穿结和微晶硅底电池本征层硅烷浓度梯度对叠层电池光稳定性的影响. 经过初步优化, 连续光照1000 h后非晶硅/微晶硅叠层电池的最小光致衰退率只有7%.     

非晶硅太阳电池光照J-V特性的AMPS模拟

运用AMPS(Analysis of Microelectronic and Photonic Structures)模拟分析了TCO/p_a_SiC:H/i_a_Si:H/n_a_Si:H/metal结构的异质结非晶硅太阳电池中的p/i界面的价带失配以及TCO/p,n/metal界面接触势垒对电池光电特性的影响.分析总结了非晶硅基薄膜太阳电池中J-V曲线异常拐弯现象的种类和可能原因.     

对硅薄膜型太阳电池的一些思考

在当前迅速发展的绿色环保能源中,硅太阳电池一直占据着首要地位.然而晶体硅太阳电池(单晶硅和多晶硅)由于价格昂贵和材料短缺已不能满足绿色能源快速发展的需要.因此,薄膜型太阳电池已经被视为今后发展的主要方向.非晶硅薄膜太阳电池虽然在性能上还具有不少缺点,但随着薄膜沉积技术的改进以及膜本身质量的不断提高,它在太阳电池领域中仍占有一席之地.多晶硅薄膜太阳电池集晶体硅与非晶硅电池的优点为一体,也受到人们的关注.然而,后起之秀纳米硅薄膜太阳电池,依靠其本身的优越性以及当前纳米技术的进展,将会成为一个新的亮点.     

单室沉积高效非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术,在前期单室沉积的微晶硅薄膜太阳电池和非晶硅/微晶硅叠层太阳电池研究的基础上,通过对微晶硅底电池本征层硅烷浓度的优化,获得了初始效率达到11.02%(电池面积1.0 cm²)的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池.同时,100 cm²的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的组件效率也达到了9.04%. 关键词： 非晶硅/微晶硅叠层电池 单室 甚高频     

钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池:光学模拟的研究进展

近几年,钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池发展迅速,效率已经从13.7%提升到29.1%.由于叠层电池器件的制作工艺复杂,而叠层太阳电池中的光学损失对转换效率的影响很大,所以通过光学模拟进而获得高效电池至关重要.本文首先从商业软件和自建模型两方面概述了光学模拟的方法,接着从反射损失和寄生吸收两方面针对光学模拟研究进展进行了总结和分析,最后指出了叠层电池光学模拟过程中需要注意的问题.钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的转换效率极限最高可达40%,具备很大的提升空间,结合模拟工作的研究,叠层电池的发展将会取得更大的进步.     

非晶硅/微晶硅叠层太阳电池中间层的研究

叠层结构是提高硅基薄膜太阳电池效率和稳定性的有效方法,其中子电池的电流匹配是提高叠层电池效率的关键,而中间层技术能有效地改善子电池电流的匹配情况。介绍了非晶硅/微晶硅叠层电池的中间反射层和隧道结的结构、特性及材料种类,结合两者的理论基础提出隧穿反射层的概念,分析其工作原理并给出了薄膜材料的选择原则和范围。隧穿反射层在叠层结构中不仅起到常规中间反射层的作用,解决电池内部的陷光问题,还可优化叠层太阳电池的隧道结,解决子电池对光生载流子的有效收集问题。     

硅异质结太阳电池中钝化层和发射层的优化设计

本征钝化层及p型发射层对硅异质结太阳电池的性能具有重要的影响.本文在常规钝化层与晶硅衬底(c-Si)之间插入一层低功率、高氢稀释比沉积的超薄缓冲层,以此来提高钝化效果,并拓宽钝化层工艺窗口.此外,设计并制备了具有宽带隙、高电导特性的重掺杂纳米晶硅/轻掺杂p型双层复合发射极.实验结果表明,双层钝化层具有更加稳定与优异的钝化效果,钝化样品的少子寿命达到4.197 ms,隐含开路电压(implied-V_(OC),iV_(OC))达到726 mV.同时双层复合发射层中,轻掺杂的掺杂层可以减弱掺杂剂向本征钝化层的扩散,保证良好的钝化效果,而重掺杂的掺杂层不仅能够提供足够的内建电场,而且可以改善掺杂层与氧化铟锡薄膜的接触特性,进而提升电池的输出特性.并且高氢稀释比的前掺杂层还可以对钝化层起到氢处理的作用,减少钝化层表面的悬挂键,从而增强化学钝化效果,进而提高电池的开路电压.最终,基于商业化制绒的硅片,获得了效率达到20.96%的硅异质结太阳电池,其中开路电压为710 mV,短路电流密度为39.88 mA/cm~2,填充因子为74.02%.     

硅锗量子阱结构在硅异质结太阳电池中应用的数值模拟

利用半导体工艺和器件仿真软件silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design),模拟研究了采用硅/硅锗合金(silicon/silicon germanium alloy,Si/Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构作为吸收层的薄膜晶体硅异质结太阳电池各项性能.模拟结果显示,长波波段光学吸收随锗含量的增加而增加,而开路电压则因Si_(1-x)Ge_x)层带隙的降低而下降.锗含量为0.25时,短路电流密度的增加补偿了开路电压的衰减,效率提升0.2%.氢化非晶硅/晶体硅(a-Si:H/c-Si)界面空穴密度以及Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体空穴载流子浓度制约着空穴费米能级的位置,进而影响到开路电压的大小.随着锗含量增加,a-Si:H/c-Si界面缺陷对开压的影响降低,Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体缺陷对开压的影响则相应增加.高效率含Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构的硅异质结太阳电池的制备需要a-Si:H/c-Si界面缺陷的良好钝化以及高质量Si_(1-x)Ge_x)量子阱的生长.     

a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池薄膜硅背场的模拟优化

采用AFORS-HET数值模拟软件,对不同带隙的薄膜硅材料在a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池上的背场效果进行了模拟,分析了影响背场效果的原因,得到了薄膜硅背场在a-Si(n)/c-Si(p)异质结太阳电池上的适用条件为薄膜硅材料是带隙16 eV,硼掺杂浓度在10¹⁸cm^-3以上的微晶硅材料,其最佳厚度在5nm左右. 这种背场从工艺上易于实现,并且,与常用的Al扩散背场相比,在相同的掺杂浓度下,电池效率可以大大提高. 关键词： 薄膜硅 背场 硅异质结太阳电池     

免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进展

免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池由于近几年的飞速发展,理论转化效率已达到28%,具有较大的发展空间,引起了人们的重视.由于传统晶硅太阳电池产业存在生产设备成本高、原材料易燃易爆等诸多限制,市场对太阳电池产业低成本、绿色无污染的期待越来越高,极大地增加了免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池研究和开发的必要性.为了进一步加快免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进度,本文对其发展现状进行了综述,着重讨论了过渡金属氧化物(TMO)载流子选择性运输的基本原理、制备技术以及空穴传输层、电子传输层和钝化层对基于TMO构建的免掺杂、非对称异质接触(DASH)太阳电池性能的影响,以期对电池的工作机理、材料选择有更深刻的认识,为新型高效的DASH太阳电池制备提供指导.     

椭圆偏振光谱表征单晶硅衬底上生长的非晶硅和外延硅薄膜

本文采用射频等离子体增强化学气相沉积(rf-PECVD)技术在单晶硅衬底上沉积了两个系列的硅薄膜. 通过对样品进行固定角度椭圆偏振测试, 结果表明第一个系列硅薄膜为非晶硅, 形成了突变的a-Si:H/c-Si异质结构, 此结构在HIT电池中有利于形成好的界面特性, 对于非晶硅薄膜采用通常的Tauc-Lorentz摇摆模型(Genosc)拟合结果很好; 第二个系列硅薄膜为外延硅, 对于外延硅薄膜, 随着膜厚增加晶化率降低, 当外延硅薄膜厚度为46 nm时开始非晶硅生长. 对于外延硅通常采用EMA模型(即将硅薄膜体层看成由非晶硅和c-Si构成的混合层)拟合结果较好, 当硅薄膜中出现非晶硅生长时, 将体层分成混合层和非晶硅两层, 采用三层模型拟合结果很好. 本文证实了椭偏光谱分析采用不同的模型可对单晶硅衬底上不同结构的硅薄膜进行有效表征.     

载流子选择性接触:高效硅太阳电池的选择

太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成,接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来,载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣,其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触:在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层,即所谓的发射极或背面场;利用两种材料之间的导带或价带对齐;利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wx AMPS,模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为(p~+)c-Si/(n)c-Si/(n~+)c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为(p~+)a-Si/(i)a-Si/(n)c-Si/(i)a-Si/(n~+)a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为(n)MoO_x/(n)c-Si/(n)TiO_x]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布,其中c-Si为晶硅;a-Si为非晶硅;(i),(n)和(p)分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明:载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称,形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻,从而让空穴轻松通过同时阻挡电子,或者让电子轻松通过同时阻挡空穴,形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.