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.     

硅异质结太阳能电池工艺优化

硅异质结太阳能电池的制作过程中,所有工艺步骤都会影响其性能.通过扫描电镜、反射率、量子效率及少子寿命测试,逐步优化硅异质结太阳能电池的性能.结果表明,单晶硅片钝化的最佳锥体尺寸约为6～9μm.利用高质量的本征氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化硅片,获得了超过5 ms的少数载流子寿命.采用大带隙p型a-SiCx:H薄膜替...     

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.     

纳米硅/单晶硅异质结二极管的I-V特性

用纳米硅（nc_Si∶H）薄膜制成了纳米硅/单晶硅（nc_Si∶H/c_Si）异质结二极管，对nc_Si∶H/c_Si异质结的特性进行了研究，它具有很好的温度稳定性.温度从20℃上升到200℃ ，I_V曲线只有很小的漂移.对nc_Si∶H/c_Si异质结二极管的输运机理进行了讨论. 关键词： 异质结二极管 纳米硅薄膜 输运机理     

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     

VHF等离子体光发射谱(OES)的在线监测

采用光发射谱(OES)测量技术，对不同制备条件下的甚高频(VHF)等离子体辉光进行了在线监 测.实验表明，VHF等离子体中特征发光峰(Si，SiH,H_α,H^*_β 等)的强度较常规的射 频(RF)等离子体明显增强，并且在制备μc-Si：H的工艺条件下(H稀释度R(H₂/S iH₄)=23 )，随激发频率的增加而增大，这些发光峰的变化趋势与材料沉积速率的变化规律较相似.Si H峰等的强度随气压的变化则因硅烷H稀释度及功率的不同而异：高H稀释(R=23)时，SiH峰强 度在低辉光功率下随反应气压的增大单调下降，在高辉光功率下随气压的变化呈现类高斯规 律；低H稀释(R=5．7)时， SiH峰随气压的变化基本上是单调下降的，下降速率也与功率有 关，这些结果表明，VHF-PECVD制备μc-Si：H和a-Si：H的反应动力学过程存在较大差异.此 外，随着激发功率的增大，Si，SiH峰都先迅速增大然后趋于饱和，并且随着H稀释率的增大 ，将更快呈现饱和现象.通过对OES结果的分析与讨论可知，VHF-PECVD技术沉积硅基薄膜可 以有效提高沉积速率，而且，硅基薄膜的沉积速率的进一步提高需要综合考虑H稀释度、气 压和功率等的匹配与优化. 关键词： 甚高频等离子体化学气相沉积 氢化硅薄膜 光发射谱     

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。     

螺旋波等离子体化学气相沉积纳米硅薄膜的光学发射谱研究

利用光学发射谱技术对螺旋波等离子体化学气相沉积纳米硅薄膜的等离子体内活性粒子的光发射特征进行了原位测量.研究了薄膜沉积过程中各实验参量对活性基团SiH^*， H^β以及H^α的发射谱强度的影响.实验结果表明，静态磁场的加入可显著提高反应气体 的解离效率 ；适当的氢稀释可以提高氢活性粒子的浓度，而过高的氢稀释比将使含硅活性基团浓度显著 减小；提高射频馈入功率整体上可以使各活性粒子的浓度增加，并有利于提高到达衬底表面 氢活性粒子的相对比例.结合螺旋波等离子体色散关系和等离子体特点对以上结果进行了分 析.该结果为螺旋波等离子体沉积纳米硅薄膜过程的理解及制备工艺参数的调整提供了基础 数据. 关键词： 光学发射谱 螺旋波等离子体化学气相沉积 纳米硅薄膜     

铁电极化翻转对硅烯异质结中电子性质的调控

硅烯是硅原子蜂窝状排列构成的二维材料,由于其层内硅原子不在同一平面上而易受到电场等调控,近年来成为理论和实验研究的一个热点.借助于第一性原理计算方法,详细研究了硅烯和二维铁电材料In₂S₃单层材料异质结的堆垛形式和电子结构.计算结果表明,硅烯和In₂S₃可以形成稳定的异质结,In₂S₃衬底的自发铁电极化对硅烯能带有显著调控作用.铁电极化方向向上时,自发极化电场和衬底的共同作用在狄拉克点打开能隙,K和K’点贝利曲率符号相反,对应能谷霍尔效应态.铁电极化方向向下时,硅烯和In₂S₃之间间距变小,费米能级有能带穿过,对应金属态.研究结果对铁电调控硅烯二维异质结提供参考,为硅烯异质结在信息存储领域的应用指明方向.     

一种新型Si/SiGe/Si双异质结PIN电学调制结构的异质结能带分析

PIN结构是电光调制器中常见的一种电学调制结构, 该结构中载流子注入效率直接影响着电光调制器的性能. 在前期的研究中, 我们在SOI材料的基础上提出了一种新型Si/SiGe/Si双异质结PIN电学调制结构, 可以有效提高载流子注入效率, 降低调制功耗. 为了进一步研究这种新型调制器结构的调制机理, 本文从单异质结能带理论出发, 定量分析了该新型结构中双异质结的势垒高度变化, 给出了双异质结势垒高度的定量公式, 将新型结构与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行能带对比, 分析了该新型结构载流子注入增强的原因, 最后模拟了新型结构的能带分布, 以及能带和调制电压与注入载流子密度的关系, 并与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行对比发现, 1 V调制电压下, 新型结构的载流子密度达到了8× 10¹⁸cm^-3, 比SOI 结构的载流子密度高了800%, 比SiGe-OI结构的载流子密度高了340%, 进一步说明了该新型结构的优越性, 并且验证了理论分析的正确性.     

Effect of emitter layer doping concentration on the performance of silicon thin film heterojunction solar cell

A novel type of n/i/i/p heterojunction solar cell with a-Si:H(15 nm)/a-Si:H(10 nm)/ epitaxial c-Si(47 μm)/epitaxial c-Si(3 μm) structure is fabricated by using the layer transfer technique, and the emitter layer is deposited by hot-wire chemical vapour deposition. The effect of the doping concentration of emitter layer S_d (S_d=PH₃/(PH₃+SiH₄+H₂)) on the performance of the solar cell is studied by means of current density-voltage and external quantum efficiency. The results show that the conversion efficiency of the solar cell first increases to a maximum value and then decreases with S_d increasing from 0.1% to 0.4%. The best performance of the solar cell is obtained at S_d = 0.2% with an open circuit voltage of 534 mV, a short circuit current density of 23.35 mA/cm², a fill factor of 63.3%, and a conversion efficiency of 7.9%.     

Effect of emitter layer doping concentration on the performance of a silicon thin film heterojunction solar cell

A novel type of n/i/i/p heterojunction solar cell with a-Si:H(15nm)/a-Si:H(10nm)/ epitaxial c-Si(47μm)/epitaxial c-Si(3μm) structure is fabricated by using the layer transfer technique, and the emitter layer is deposited by hot wire chemical vapour deposition. The effect of the doping concentration of the emitter layer S d (Sd =PH3 /(PH3 +SiH4 +H2 )) on the performance of the solar cell is studied by means of current density-voltage and external quantum efficiency. The results show that the conversion efficiency of the solar cell first increases to a maximum value and then decreases with S d increasing from 0.1% to 0.4%. The best performance of the solar cell is obtained at S d = 0.2% with an open circuit voltage of 534 mV, a short circuit current density of 23.35mA/cm2 , a fill factor of 63.3%, and a conversion efficiency of 7.9%.     

Optical emission spectroscopy study on depositionprocess of microcrystalline silicon

This paper reports that the optical emission spectroscopy (OES) is used to monitor the plasma during the deposition process of hydrogenated microcrystalline silicon films in a very high frequency plasma enhanced chemical vapour deposition system. The OES intensities (SiH\sj{*}, H微晶硅 VHF-PECVD 发射光谱学 薄膜物理学microcrystalline silicon, VHF-PECVD, optical emission spectroscopy2005-11-092005-11-092005-12-12This paper reports that the optical emission spectroscopy （OES） is used to monitor the plasma during the deposition process of hydrogenated microcrystalline silicon films in a very high frequency plasma enhanced chemical vapour deposition system. The OES intensities （Sill^＊, H^＊ and H^＊β） are investigated by varying the deposition parameters. The result shows that the discharge power, silane concentrations and substrate temperature affect the OES intensities. When the discharge power at silane concentration of 4% increases, the OES intensities increase first and then are constant, the intensities increase with the discharge power monotonously at silane concentration of 6%. The SiH^＊ intensity increases with silane concentration, while the intensities of H^＊α and H^＊β increase first and then decrease. When the substrate temperature increases, the SiH^＊ intensity decreases and the intensities of H^＊α and H^＊β are constant. The correlation between the intensity ratio of IH^＊α/ISiH^＊ and the crystalline volume fraction （Xc） of films is confirmed.     

高速微晶硅薄膜沉积过程中的等离子体稳态研究

通过光发射光谱监测高速沉积微晶硅薄膜过程中I(H_α^*)/I(SiH^*) 随沉积时间的变化趋势, 分析高速率微晶硅薄膜纵向晶化率逐渐增大的原因. 通过氢稀释梯度法, 即硅烷浓度梯度和氢气流量梯度法来改善材料的纵向均匀性.结果表明: 硅烷浓度梯度法获得的材料晶化率从沉积300 s时的53%增加到沉积600 s时的62%, 相比于传统方式下纵向晶化率从55%到75%的变化有了明显的改善. 在硅烷耗尽的情况下, 增加氢气流量一方面增加了气体总流量, 使得电子碰撞概率增加, 电子温度降低, 从而降低氢气的分解, 抑制SiH_x基团的放氢反应, 同时背扩散现象也得到了一定的缓解, 使得I(H_α^*)/I(SiH^*) 在沉积过程中逐渐增加的趋势有所抑制, 所制备的材料的纵向晶化率在240 s 后维持在53%-60%范围内, 同样改善了薄膜的纵向结构. 关键词： 光发射光谱 高速沉积 微晶硅 纵向结构均匀性     

VHF-PECVD低温制备微晶硅薄膜的拉曼散射光谱和光发射谱研究

采用拉曼散射光谱和PR650光谱光度计对VHF-PECVD制备的微晶硅薄膜进行了结构表征和在线监测研究.结果表明：功率对材料的晶化率（χc）有一定的调节作用，硅烷浓度大，微调作用更明显；SiH*的强度只能在一定的范围内表征材料的沉积速率，功率大相应的速率反而下降；I［Hα*］/I［SiH*］强度比值反映了材料晶化程度，此结果和拉曼散射光谱测试结果显示出一致性；I［Hβ*］/I［Hα*］的强度比表明氢等离子体中的电子温度随功率的增大而逐渐降低. 关键词： 甚高频等离子体增强化学气相沉积 微晶硅 拉曼散射谱 光发射谱     

Amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture

Excellent passivation of black silicon surfaces by thin amorphous silicon layers deposited with plasma enhanced chemical vapor deposition is demonstrated. Minority charge carrier lifetimes of 1.3 milliseconds, enabling an implied open‐circuit voltage of 714 mV, were achieved. The influence of amorphous silicon parasitic epitaxial growth and thickness, as well as of the texture depth is investigated. Furthermore, quantum efficiency gains for wavelengths above 600 nm, as compared to random textured solar cells, are demonstrated in 17.2% efficient amorphous–crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

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.     

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...     

Study of a ternary blend system for bulk heterojunction thin film solar cells

In this research, we report a bulk heterojunction(BHJ) solar cell consisting of a ternary blend system. Poly(3-hexylthiophene) P3 HT is used as a donor and [6,6]-phenyl C61-butyric acid methylester(PCBM) plays the role of acceptor whereas vanadyl 2,9,16,23-tetraphenoxy-29 H, 31H-phthalocyanine(VOPc Ph O) is selected as an ambipolar transport material. The materials are selected and assembled in such a fashion that the generated charge carriers could efficiently be transported rightwards within the blend. The organic BHJ solar cells consist of ITO/PEDOT:PSS/ternary BHJ blend/Al structure. The power conversion efficiencies of the ITO/ PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al and ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:VOPcPhO/Al solar cells are found to be 2.3% and 3.4%, respectively.