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基于ZnO薄膜的非晶硅太阳电池的研究

作　者: 赵启义
导　师: 祁康成
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: ZnO：Al薄膜 AlN：Mg薄膜 NiO薄膜太阳电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

面对全球能源短缺、环境污染等难题,太阳光伏发电是其有效解决途径之一,因此研究低碳、高效太阳电池迫在眉睫。本课题根据太阳电池材料特性,考虑材料成本、环保、耗能以及提高太阳电池效率等因素,探索研究新型太阳电池材料,制备出AlN:Mg/a-Si:H/ZnO:Al、NiO/a-Si:H/ZnO:Al两种结构的太阳电池。本文内容与结论如下：1.直流磁控溅射法反应溅射AlN:Mg薄膜、射频磁控溅射ZnO:Al薄膜,实验结果显示,使用镁含量为5%的铝镁合金靶,溅射气体Ar：02=1：1,溅射压强为6.5×10-1Pa,溅射功率为90W,溅射温度为100℃,靶基距为75mm时,AlN:Mg薄膜的溅射速率约为8nm/min(30分钟范围内)；溅射时间为30分钟时,薄膜的厚度约为200nm；磁控溅射制备的AlN:Mg薄膜中铝镁原子比为8：1,低于靶材中的原子比(19：1),靶材在溅射过程中镁原子比铝原子更容易溅射到基底上；AlN:Mg薄膜的表面形貌致密,光透性较好；磁控溅射制备的AlN:Mg/ZnO:Al薄膜不仅具有良好的P-N结整流特性,其在可见光波段的平均透过率(≥85%)也比较高。2.直流反应溅射NiO薄膜,射频反应溅射ZnO:Al薄膜,通过氮气退火工艺,升温速率控制在10℃/min,退火时间为2小时,降温速度不高于5℃/min,研究退火工艺前后薄膜的特性及其P-N结性能的变化。实验结果表明：氮气退火前后NiO薄膜的透过率、光学带隙、晶体结构、导电性、成分含量等均发生了变化,退火温度越高,变化相对越明显。当氮气退火温度为400℃时,NiO薄膜在可见光区域的透过率由退火前的10%左右上升到退火后的80%以上；NiO薄膜的光学带隙(Eg)也略有下降；NiO薄膜的晶体结构的晶向衍射峰更加明显,即晶体结晶度更高；实验制备的NiO薄膜的厚度约为145nm,退火前后薄膜方阻基本维持在4KΩ/□附近,其薄膜导电率保持在5.8×10-4Ω·m左右；由于氮气退火,温度越高效果越明显,温度升高的同时更容易引起薄膜中氮气分子的进入,导致薄膜成分改变,薄膜的半导体性能发生变化。实验研究发现,退火前后ZnO:Al薄膜特性的变化并没有NiO薄膜那么明显,NiO/ZnO:Al薄膜异质结的P-N结整流特性在退火前后却发生相应变化,即随着退火温度升高,整流特性愈明显,400℃时整流特性效果最佳。3.PECVD制备a-Si:H薄膜,依据HIT电池与非晶硅电池相关理论,制备AlN:Mg/a-SI:H/ZnO:Al薄膜异质结太阳电池和NiO/a-Si:H/ZnO:Al薄膜异质结太阳电池,测试分析两种电池的性能并验证其可行性,以及分析氮气退火对NiO/a-Si:H/ZnO:Al薄膜异质结太阳电池的影响。实验结果显示,通过本实验方法制备的AlN:Mg/a-Si:H/ZnO:Al电池的开路电压为1.2V,短路电流0.08mA,光电转换效率为1.02%；NiO薄膜2小时400℃氮气退火前后的NiO/a-Si/ZnO:Al的电池转换效率均在1.1%左右,但退火后的NiO/a-Si/ZnO:Al电池的开路电压变得更低,由原来的1.3V降到1.1V。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-21
  1.1 课题研究背景  12-14
  1.2 太阳电池发展现状  14-16
    1.2.1 太阳电池的发展历程  14
    1.2.2 太阳电池的现状  14-16
  1.3 本课题的研究依据与意义  16-19
    1.3.1 太阳电池的种类与特点  16-19
    1.3.2 课题研究的依据  19
  1.4 本论文研究的主要内容  19-21
第二章薄膜太阳电池的相关理论  21-38
  2.1 半导体P-N结相关理论  21-25
    2.1.1 半导体  21-22
    2.1.2 半导体掺杂  22-23
    2.1.3 半导体P-N结  23-25
    2.1.4 内光电效应  25
  2.2 太阳电池的相关理论  25-30
    2.2.1 太阳电池的工作原理  25-27
    2.2.2 太阳电池的测试条件与等效电路  27-28
    2.2.3 太阳电池的电学参数  28-30
  2.3 薄膜的制备工艺  30-35
    2.3.1 薄膜制备工艺的分类  30
    2.3.2 薄膜制备工艺的原理  30-35
  2.4 退火工艺  35
  2.5 光刻工艺  35-36
  2.6 本章小结  36-38
第三章 AlN：Mg/ZnO：Al型异质结的制备及其研究  38-54
  3.1 材料性质  38-39
    3.1.1 ZnO：Al的性质  38-39
    3.1.2 AlN的性质  39
  3.2 薄膜的制备  39-44
    3.2.1 薄膜制备方法  39-40
    3.2.2 磁控溅射工艺设备  40-42
    3.2.3 磁控溅射薄膜制备过程  42-43
    3.2.4 磁控溅射工艺参数  43-44
  3.3 薄膜测试手段  44-48
    3.3.1 干涉显微镜测膜厚  44-46
    3.3.2 四探针测薄膜方阻  46-47
    3.3.3 KEITHLEY4200-SCS半导体测试仪测试异质结的I-V特性  47-48
    3.3.4 其它表征方法(外测设备)  48
  3.4 薄膜测试结果与分析  48-53
    3.4.1 Mg掺杂的AlN(AlN:Mg)薄膜的溅射速度  48-49
    3.4.2 AlN：Mg薄膜的成分分析  49-50
    3.4.3 AlN：Mg薄膜的表面形貌分析  50-51
    3.4.4 AlN：Mg/ZnO：Al薄膜异质结的透过率分析  51-52
    3.4.5 AlN：Mg/ZnO：Al薄膜异质结的整流特性分析  52-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章 NiO/ZnO：Al型异质结的制备与退火处理  54-68
  4.1 NiO的性质  54
  4.2 薄膜与制备  54-56
    4.2.1 NiO薄膜与制备  55
    4.2.2 ITO/NiO/ZnO：Al薄膜与制备  55-56
  4.3 退火工艺  56-57
    4.3.1 退火设备  56
    4.3.2 氮气退火  56-57
  4.4 实验结果与分析  57-66
    4.4.1 氮气退火对NiO薄膜透过率的影响  57-58
    4.4.2 氮气退火对NiO薄膜光学带隙的影响  58-59
    4.4.3 氮气退火对NiO薄膜晶体结构的影响  59-60
    4.4.4 氮气退火对NiO薄膜导电性的影响  60-61
    4.4.5 氮气退火对NiO薄膜成分的影响  61-62
    4.4.6 氮气退火对ZnO：Al薄膜透过率和光学带隙的影响  62-64
    4.4.7 氮气退火对ZnO：Al薄膜晶体结构的影响  64-65
    4.4.8 氮气退火对ZnO：Al薄膜电阻率的影响  65
    4.4.9 氮气退火对NiO/ZnO：Al薄膜P-N结的影响  65-66
  4.5 本章小结  66-68
第五章基于ZnO：Al薄膜非晶硅太阳电池的研究  68-79
  5.1 非晶硅薄膜特性  68-69
  5.2 非晶硅薄膜的制备  69-72
    5.2.1 非晶硅薄膜沉积设备——PECVD  70-71
    5.2.2 非晶硅薄膜制备工艺参数  71
    5.2.3 非晶硅薄膜制备操作流程  71-72
  5.3 太阳电池的制备  72-75
    5.3.1 欧姆接触  72-74
    5.3.2 P-I-N型异质结太阳电池的结构与制备  74-75
  5.4 太阳电池的测试与分析  75-78
    5.4.1 非晶硅薄膜性能分析  75-76
    5.4.2 AlN：Mg/a-Si：H/ZnO：Al电池  76-77
    5.4.3 NiO/a-Si/ZnO：Al电池  77-78
  5.5 本章小结  78-79
第六章结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 问题与进展  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-85
攻硕期间取得的研究成果  85

基于ZnO薄膜的非晶硅太阳电池的研究

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