高压沉积非晶硅锗薄膜及在太阳电池上的应用
制备多结叠层电池是提高硅基薄膜电池稳定效率的重要手段。非晶硅锗材料由于带隙可调，宜作为叠层电池子电池的本征层。本文以硅烷和锗烷为反应源气体，采用RF-PECVD，在高压条件下对非晶硅锗材料的工艺优化进行研究。旨在提高沉积速率，降低气源成本的基础上，获得满足三结叠层电池要求的非晶硅锗中间子电池。主要内容研究内容包括：
⑴低压低速条件下非晶硅锗薄膜性能的优化。在低压条件下研究了具体工艺参数对非晶硅锗薄膜性能的影响。通过锗烷浓度和辉光功率的调整，可以调控薄膜中的锗含量；通过氢稀释率的调整，可以使非晶硅锗薄膜中的硅、锗组分趋于均匀、微结构趋于有序，达到优化薄膜光电性能的目的。通过以上工艺优化，在沉积速率为0.8-1A/s的条件下，获得锗含量为40％，光敏性大于2×105，光学带隙为1.58eV的非晶硅锗材料。低压低速条件下沉积非晶硅锗薄膜具备较宽松的工艺窗口，可以在较大的工艺范围内获得高性能材料。
⑵高压条件下非晶硅锗材料性能的优化。在低压低速条件下获得高性能非晶硅锗材料的基础上，通过大幅度提高反应气压及适当提高功率，使薄膜沉积速率提高三倍以上。通过对比高、低压条件下制备材料的电学和结构特性，进一步分析了锗含量、功率密度、反应气压、氢稀释率、滞留时间等因素对高压沉积非晶硅锗薄膜的影响。提出高压沉积非晶硅锗薄膜宜采用如下工艺优化路线：(a)匹配锗含量与辉光功率，锗元素有降低带隙的作用，若保证薄膜一定的锗含量，功率不宜过高；(b)匹配反应压力和辉光功率，降低由于功率过大或不足引起的离子轰击和生成高聚物对薄膜的影响；(c)提高氢稀释，优化微结构和键合方式，提高电学性能。(d)优化气体总流量，寻找合适的气体滞留时间，降低薄膜氢含量，配合锗元素达到降低带隙的目的。最终采用高压沉积条件，获得锗含量为30％、光学带隙为1.62eV的非晶硅锗材料，材料光敏性性优于105。此条件下沉积速率在3.5-4A/s，达到高压沉积的目的。但高压条件下沉积的材料受锗含量，功率，压力等因素的限制，沉积窗口较窄。
⑶单结非晶硅锗电池性能的优化。将优化的本征非晶硅锗材料用于单结非晶硅锗电池。重点对其界面优化进行研究，包括对p/i界面处buffer层的优化和本征层内靠近掺杂层处的缓冲层的优化。首先，为了降低p型窗口层与本征非晶硅锗层带隙不匹配的影响，在p/i界面处制备了不同类型、不同厚度的缓冲层，当采用30nm的硼、碳渐变的缓冲层时具备较好的效果。第二，为了降低界面附近的缺陷态密度，在p/i界面处用a-Si缓冲层代替a-SiGe层，并调节优化a-Si层的厚度；在靠近p/i界面的部分，尝试了不同氢稀释率、不同进气方式的a-Si层和a-SiGe层对电池性能的影响，得到a-Si层、a-SiGe层氢稀释率相似时对电池最优，逐渐增大锗烷浓度为较好的进气方式。i/n界面处采用厚度较大的a-Si缓冲层，获得了U型带隙的本征层，同时增加了高锗含量的本征层厚度，保持了电池的长波响应。进一步采用ZnO/Ag复合背电极代替铝电极，提高长波响应。应用上述优化电池工艺，在本征层锗含量为40％时，获得效率为8.01％的单结非晶硅锗电池，其中Voc=0.754V、Jsc=17.6mA/cm2、FF=0.604，800nm处的响应为17％。
⑷非晶硅锗叠层电池性能的优化。通过优化顶电池性能，调整本征层厚度实现顶底电池电流匹配，子电池之间引入隧穿结等手段，制备a-Si/a-SiGe叠层电池，效率为9.88％，其中Voc=1.56V、Jsc=8.8mA/cm2、FF=0.72。综上所述，本文采用高压结合RF-PECVD的方法，初步实现了非晶硅锗薄膜沉积速率的提高；同时，也对非晶硅锗电池的结构优化进行了探索性的研究，为制备高效率的硅基多结叠层电池提供了基础。
太阳能电池;多结叠层;硅锗薄膜;气相沉积
南开大学
硕士
物理电子学
张建军
2012
中文
TM914.4;TN304.055
81
2013-04-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）