● 摘要
清洁能源特别是太阳能电池作为解决未来能源危机的重要途径之一，越来越受到国内外专家的关注，降低太阳能电池的制造成本和提高太阳能电池的转换效率是现在太阳能电池产业的两个发展趋势。本文介绍了当今的能源现状以及太阳电池的分类和发展现状，分析了纳米硅薄膜的性能优点和应用以及纳米硅薄膜电池的研究进展，首次提出了纳米硅薄膜类叠层结构的太阳能电池并进行了初步研究。进一步了解了太阳能电池的原理-光生伏特效应并对太阳能电池的核心部分P-N结进行了理论分析，细述了太阳能电池的等效电路图，并且对太阳能电池的开路电压，短路电流以及填充因子和转换效率等性能参数进行了分析说明。采用实验室自行研发并组装的等离子体增强化学气相沉积设备，利用射频等离子体化学气相沉积(RF-PECVD)方法，以高氢稀释的硅烷(SiH4)为反应气体，硼烷(B2H6)为掺杂气体，氢气(H2)为稀释气体，以7101号载玻片和双面抛光单晶硅片为衬底同时进行沉积，制备出掺硼的氢化纳米硅(p-nc-Si:H)薄膜。分别研究了不同的沉积时间和硼掺杂比对氢化纳米硅(p-nc-Si:H)薄膜光学性能和电学性能的影响，并研究了其表面形貌和表面粗糙度。结果表明：P型的掺硼氢化纳米硅薄膜的光学带隙最高可达2.189eV；室温电导率最高可达12.39S•cm-1；霍尔迁移率为0.521cm2/v•s；载流子浓度是9.61×1019/cm3；晶粒尺寸在1.5nm~2.5nm左右，晶态比在35%~45%左右；颗粒沉积紧密，大小比较均匀，排列趋于整齐。同样利用射频等离子体化学气相沉积(RF-PECVD)方法，在另一个腔体内，以高氢稀释的硅烷(SiH4)为反应气体，磷烷(PH3)为掺杂气体，氢气(H2)为稀释气体，以7101号 载玻片和双面抛光单晶硅片为衬底并同时进行沉积，制备出掺磷的氢化纳米硅(n-nc-Si:H)薄膜。分别研究了不同的沉积时间和磷掺杂比对氢化纳米硅(n-nc-Si:H)薄膜光学性能和电学性能的影响，并研究了其表面形貌和表面粗糙度。结果表明：N型掺磷氢化纳米硅薄膜，其光学带隙可达2.024eV，电导率可达1.93S•cm-1，霍尔迁移率为1.694cm2/v•s，载流子浓度7.113×1018/cm3；晶粒尺寸在2nm~2.5nm之间，晶态比在40%~45%之间，沉积颗粒上下起伏较小，排列更为紧密。利用上面研究P型和N型纳米硅薄膜的制备工艺参数，制备了面积为20mm×20mm，结构为Al/AZO/ p-nc-Si:H/ i-nc-Si:H/ n-nc-Si:H/ p-nc-Si:H/ i-nc-Si:H/ n-c-Si/Al背电极的纳米硅薄膜类叠层太阳电池，因其中隧道结的n-nc-Si:H极薄，因此称其为类叠层太阳能电池，并对电池进行I-V性能测试，结果表明：开路电压为544.3mV，短路电流为85.6mA，填充因子为65.7%，电池效率为7.6%（国家光伏电池性能测试中心测试结果）。