● 摘要
本文介绍了太阳电池的产生背景、发展历程，详细介绍了不同阶段太阳电池的国内外研究现状、主要特点及主要研究方向。本文重点是研究金属背电极沉积工艺对单结纳米硅薄膜太阳电池性能的影响机理，优化电池背电极的沉积工艺。进而在单结电池工艺基础上，初步制备出纳米硅薄膜叠层太阳电池。在理论上对PN结空间电荷区的电场强度、电位分布、势垒区宽度、结电容等参数进行了推导和计算。计算出无光照和光照条件下PN结的电流-电压关系式，从而得到了纳米硅薄膜太阳电池的性能表征参数。测量暗I-V特性结果表明：所制备的PN结单向导电性良好，品质优良，I-V曲线接近于二极管的理想特性曲线。采用电容-电压法分析了PN结衬底的掺杂浓度。在绒面单晶硅衬底上，分别采用磁控溅射和热蒸发方式，制备了一批从常温到高温系列的金属铝电极。利用扫描电镜（SEM）、四探针等测试手段对两批电极样品进行了微观结构，电学性质的对比，实验结果表明：沉积过程中采用加温处理，均可以显著降低铝膜的电阻值，薄膜表面趋于平坦。相同条件下，溅射工艺获得的薄膜电阻值更低，而热蒸发工艺有利于薄膜表面的平坦化。通过电池的I-V测试结果表明，蒸发工艺对于电池PN结的保护更为有利，电池各项性能指标也明显优于溅射工艺下的电池样品。采用热蒸发工艺制备电池背电极，分析了不同沉积温度对电池性能的影响规律，最终得到了适于太阳电池的背电极沉积温度。利用PECVD（等离子体增强型化学气相沉积）法制备出了电池结构为grid /ITO/n-nc-Si / i-a-Si / p-c-Si/ Al的绒面纳米硅薄膜太阳能电池，其开路电压（Voc）为528mV，短路电流（Isc）为28.8mA，转换效率（η）为7.2%。在200nm~1200nm范围内测量了纳米硅薄膜单结太阳电池、纳米硅薄膜双结叠层太阳电池和单晶硅太阳电池的光谱响应。结果表明：相比于单晶硅太阳电池，纳米硅薄膜太阳电池的最佳光谱响向短波方向发生了移动，其在吸收可见光区域的能量方面更有优势。