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ZnO/Si异质结太阳能电池的制备

作　者: 张籍权
导　师: 刘爱民
学　校: 大连理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 太阳能电池氧化锌绒面硅超声喷雾热解
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

太阳能电池产业中,硅太阳能电池以其高达20%的转换效率、成熟的制作工艺,在工业生产中占据着主导地位,然而受到硅材料价格及繁琐电池制作工艺的影响,硅太阳能电池的成本居高不下,目前严重制约着太阳能电池的大范围推广。开发成本低廉、制作工艺简单的新型太阳能电池材料是解决目前所面临问题的最为有效的途径,尽管电池效率较低,但相对低成本、低耗能的新型太阳能电池已成为业界的研究热点。在硅衬底上利用简单工艺沉积一层透明半导体薄膜,从而制备异质结太阳能电池是一种具有潜在应用前景的构思。此种异质结太阳能电池具有优良的光伏效应,且制作工艺简单,制备温度较低。目前采用喷雾沉积氧化铟锡（ITO）薄膜于硅衬底上制备的太阳能电池效率可达到12～15%。但考虑到地球上In源的有限性,ITO原料在供给方面也将面临短缺的问题。ZnO透明导电膜具有优良的光电特性,且来源丰富、价格低廉、毒性小,又具有很高的热稳定性和化学稳定性,是替代ITO的首选材料,这就使得ZnO/Si异质结太阳能电池的研发成为极富应用前景的研究课题。本文在前人的研究基础上,系统地制备了ZnO/Si绒面异质结太阳能电池,介绍了电池的制备过程和目前仍存在的问题,并讨论分析了影响电池效率的主要因素。文中详细介绍了Ag/Ti/n-ZnO/p-Si/Al绒面异质结太阳能电池的制备工艺流程,依次包括Si衬底的准备,制备生长窗口,腐蚀Si绒面结构,n型ZnO薄膜的沉积,上下表面金属电极的制备,退火合金,切边测试等若干主要步骤,详细分析了所得样品的电池性能参数,指出了目前仍需努力解决的问题。课题组通过大量的尝试性试验对电池的制备条件进行了反复的摸索,确定了每一个步骤的具体细节。在标准光源的照射下对制备出的电池样品进行了I-V特性测量,获得的最佳测试结果为:开路电压:V_OC=355mV,短路电流:I_SC=36mA;获得最大输出功率时:V_m=203mV,I_m=16mA;填充因子FF=0.41;电池效率达到5.2%。绒面异质结构有效降低了电池表面的光反射,相对增加了p-n结的有效面积,电池效率得到一定程度的提高。后续测量发现电池效率等参数随时间推移逐渐降低,分析认为ZnO与Si界面之间SiO₂层的存在是目前影响电池效率的主要因素,利用电子束蒸发设备在样品上表面沉积一层致密的SiO₂保护层之后,电池效率衰减得到了有效的控制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 太阳能  8-10
    1.1.1 太阳常数  8-9
    1.1.2 大气质量  9-10
    1.1.3 太阳辐射光谱  10
  1.2 太阳能电池的发展现状  10-13
    1.2.1 太阳能电池的特点和应用  10-12
    1.2.2 我国太阳能资源的分布  12-13
  1.3 本课题的研究背景及意义  13-15
2 太阳能电池  15-26
  2.1 太阳能电池的基本原理  15-19
    2.1.1 光电转换的物理过程  15-17
    2.1.2 光照下理想p-n结方程和特性曲线  17-19
  2.2 太阳能电池的分类  19-22
    2.2.1 硅系列太阳能电池  20
    2.2.2 化合物太阳能电池  20-21
    2.2.3 有机太阳能电池  21-22
  2.3 光伏电池的重要参数  22-25
    2.3.1 短路电流  22-23
    2.3.2 开路电压  23-24
    2.3.3 光电转换效率和填充因子  24-25
  本章小结  25-26
3 仪器设备及测试手段  26-40
  3.1 仪器设备  26-35
    3.1.1 超声喷雾热解设备  26-28
    3.1.2 光刻系统  28-31
    3.1.3 磁控溅射  31-33
    3.1.4 电子束蒸发  33-34
    3.1.5 其他主要仪器  34-35
  3.2 测试手段  35-39
    3.2.1 原子力显微镜  35
    3.2.2 X射线衍射谱  35-37
    3.2.3 霍尔效应测试  37-38
    3.2.4 光伏电流电压测试  38
    3.2.5 其他主要测试手段  38-39
  本章小结  39-40
4 ZnO/Si太阳能电池的制备  40-50
  4.1 Si衬底的准备  41
  4.2 SiO_2掩膜的制备  41-42
  4.3 光刻生长窗口  42-45
  4.4 Si衬底绒面化腐蚀  45-46
  4.5 喷雾制备p-n结  46
  4.6 金属电极的制备  46-49
  本章小结  49-50
5 结果与分析  50-60
  5.1 电池结构  50
  5.2 Si表面绒面结构  50-51
  5.3 ZnO薄膜质量分析  51-54
  5.4 欧姆接触制备与分析  54-56
  5.5 Ⅰ-Ⅴ特性分析  56-59
  5.6 最终电池样品  59
  本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  65-66
致谢  66-67

ZnO/Si异质结太阳能电池的制备

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