应用于硅基薄膜太阳能电池的ZnO透明导电膜的研究

【摘要】：在当今世界经济飞速发展的背景下,环境污染和能源短缺问题日益严重。为满足社会可持续发展的需求,不断探索新型绿色能源已经成为世界各国共同面临的重要课题。在核能、风能、地热能等众多新型能源中,光伏能源作为未来的朝阳产业异军突起,成为人们研究的重中之重。高质量的太阳能电池,特别是薄膜太阳能电池,其性能强烈的依赖于作为透明电极的TCO薄膜材料的性能。因此,探索新型薄膜制备工艺,不断提高薄膜材料特性,对于太阳能电池光电转换效率的提高,乃至整个光伏产业的发展都具有重大的意义。本论文采用射频磁控溅射法,在玻璃衬底上制备铝掺杂Zn O透明导电薄膜(AZO),研究分析制备工艺中各参数变化对薄膜性能的影响,逐步优化制备工艺,得到最佳的薄膜样品,同时利用AFORS-HET仿真软件对单结PIN型微晶硅/晶体硅异质结太阳电池进行建模仿真,分析模型各项参数对电池性能的影响,在最优化的电池模型基础上,研究AZO薄膜厚度对电池的影响规律。通过研究得出以下结果:(1)在AZO薄膜的制备与性能研究中,以电学性能为参照标准,得出最佳生长气压为0.5Pa,最佳溅射功率为200W,最佳氩氧比为40:0.5,最佳衬底温度为300℃。在此工艺参数条件下,所制备AZO薄膜的方块电阻最低为290?/cm2,电阻率最低为5.72×10-3?/cm,同时可见光区范围内透过率为82.7%。(2)仿真研究表明,发射层参数设定对电池性能影响重大。当发射层厚度为5nm,发射层掺杂浓度为1020cm-3,能隙宽度为1.7e V时,电池的光伏性能最佳,最高转换效率为22.68%。(3)最佳的本征层厚度为3nm,厚度继续增大,电池性能随之下降;当本征层能隙宽度小于1.6e V时,电池性能基本不受影响,继续增大能隙宽度,电池性能急剧下降,甚至失去光电转换功能。(4)当界面缺陷态密度(Dit)小于1012cm-2·e V-1时,电池的性能受到影响较小,而密度大于1014cm-2·e V-1时,电池性能急剧下降。(5)Zn O薄膜的厚度直接影响电池的性能。仿真研究可知,最佳的Zn O薄膜厚度为200nm。综上可知,理想的PIN型微晶硅/晶体硅异质结电池模型发射层厚度为5nm,掺杂浓度为1×1020cm-3,带隙宽度为1.7e V,本征层厚度为3nm,带隙宽度小于1.6e V,界面态浓度小于1014cm-2·e V-1时,电池最佳性能参数为VOC=677.3m V,FF=84.08%,JSC=39.82m A/cm2,η=22.68%。用Zn O薄膜作为电池前置透明电极,其厚度为200nm时,电池的最佳转换效率为21.05%。 【关键词】：ZnO薄膜 射频磁控溅射 AFORS-HET 异质结电池 光电特性
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 透明导电薄膜概述8-10
• 1.1.1 透明导电薄膜分类8-9
• 1.1.2 透明导电薄膜应用9-10
• 1.2 ZnO晶体简介10-12
• 1.3 ZnO薄膜研究现状及发展趋势12-13
• 1.3.1 ZnO薄膜的国内外研究现状12-13
• 1.3.2 ZnO薄膜的发展趋势13
• 1.4 本文主要研究内容13-16
• 第二章 薄膜制备技术及操作规程16-22
• 2.1 常用薄膜制备技术简介16-17
• 2.2 射频磁控溅射简介17-19
• 2.3 实验设备及操作流程19-22
• 2.3.1 实验器材准备19-20
• 2.3.2 实验操作流程20-22
• 第三章 制备工艺对薄膜性能的影响22-36
• 3.1 ZnO薄膜表征方法22-24
• 3.2 溅射参数设定24-25
• 3.3 表征结果与分析25-34
• 3.3.1 氩氧比对薄膜性能的影响25-28
• 3.3.2 溅射功率对薄膜性能的影响28-30
• 3.3.3 生长气压对薄膜性能的影响30-31
• 3.3.4 衬底温度对薄膜性能的影响31-34
• 3.4 本章小结34-36
• 第四章 硅基薄膜太阳能电池的仿真研究36-54
• 4.1 太阳能电池简介36-38
• 4.2 薄膜电池建模仿真38-41
• 4.2.1 AFORS-HET软件介绍39
• 4.2.2 电池模型及参数选取39-41
• 4.3 仿真过程及结论41-52
• 4.3.1 发射层对电池性能的影响41-46
• 4.3.2 本征层对电池性能的影响46-49
• 4.3.3 界面态对电池性能的影响49-50
• 4.3.4 ZnO薄膜对电池性能的影响50-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 总结与展望54-56
• 致谢56-58
• 参考文献58-61

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