面向产业化高效硅基异质结电池的关键问题研究

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1、中文图书分类号：O471.5；O475密级：公开UDC：620学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：面向产业化高效硅基异质结电池的关键问题研究论文作者：张悦学科：材料科学与工程指导教师：严辉教授论文提交日期：2017年5月UDC：620学校代码：10005中文图书分类号：O471.5；O475学号：B201309017密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：面向产业化高效硅基异质结电池的关键问题研究英文题目：STUDIESONKEYISSUESOFHIGHCONVERSIONEFFIC

2、IENCYSILICONHETEROJUNCTIONSOLARCELLSFORINDUSTRIALIZATION论文作者：张悦学科：材料科学与工程研究方向：硅异质结太阳电池申请学位：工学博士指导教师：严辉教授所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工

3、作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：张悦日期：2017.06.02关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：张悦导师签名：严辉日期：2017.06.02摘要摘要硅异质结太阳电池是在晶体硅衬底上沉积非晶硅薄膜形成的p-n结器件，具有转换效率高、温度系数低、无光致衰减（LID）和电位诱发衰减（P

4、ID）效应以及可以双面发电的优点，是发展高效太阳电池的重要选择对象。长期以来，国内在硅异质结太阳电池技术的研发上相对滞后，开展硅异质结太阳电池方面的研究具有非常重要的现实意义和战略意义。本论文的研究，是基于光生载流子输运机制，建立了硅异质结太阳电池的理论模型，并结合可能提供的边界条件求解泊松方程、电子空穴连续性方程和输运方程，对异质结太阳电池的关键性能参数进行了理论分析。基于理论研究，进一步从实验上探索了异质结太阳电池的界面钝化作用、光谱响应特性以及载流子输运规律，成功制备出全面积转换效率高达22.4%的高效硅异质结太阳电池，并总结

5、出适用于产业化的电池制备工艺流程，铺垫了国内重点光伏企业产业化硅异质太阳电池的工作基础。本文的研究内容以及得到的一些有意义的研究成果如下：（1）针对电池理论模型的研究，揭示了低的非晶硅/晶体硅界面缺陷态密度以及合理的能带结构是获得高效硅异质结太阳电池的关键要求。重点考察了关键的材料性能及其结构参数对异质结电池光电转换效率的影响，表明在保证良好界面钝化以及载流子输运的前提下，合理降低非晶硅薄膜的厚度可以有效降低电池寄生吸收，是提高太阳电池转换效率的有效途径。（2）针对具有产业化潜力的大面积（238.95cm2）n型（100）单晶硅衬底

6、，凝练出高质量异质界面钝化的方法，并澄清了相关机理，突破了制备全面积高效硅异质结太阳电池的第一个瓶颈，电池的开路电压超过730mV（接近最高报道值）。鉴于晶体硅表面形貌以及粗糙度会严重影响异质界面的钝化质量，研究表明在硅片的湿化学处理过程中，控制表面粗糙度以及合理的圆滑抛光处理金字塔绒面是极为重要的技术环节；进一步，发展了两步法制备非晶硅钝化膜的新工艺，研究表明能有效避免等离子损伤晶体硅衬底，是提高异质界面钝化质量的有效技术途径；充分利用氢的化学活性及其对异质界面悬挂键的饱和作用，研究表明适当的提高界面附近的氢含量可以有效提高异质界

7、面钝化质量，并能对p型非晶硅（p-a-Si）薄膜导致的钝化质量衰减现象产生明显的抑制作用。在优化工艺的基础上，晶体硅片的少子寿命分别超过5000μs（沉积了本征非晶硅钝化膜）和3500μs（沉积了p/n型非晶硅）。（3）合理反置常规受光面的p型非晶硅薄膜与背光面的n型非晶硅薄膜，提出了背结结构的异质结电池，获得了优异的光谱响应和载流子输运特性以及良好的场钝化效果，致使电池的短路电流密度超过39mA/cm2、填充因子超过78%-I-北京工业大学工学博士学位论文（分别接近最好值的95%），进一步发展并利用新型TCO（透明导电氧化物）薄膜

8、，制备出转换效率高达22.4%的高效硅异质结太阳电池，是国内在这类光伏电池方面的重大进展。研究表明引入非晶硅氧薄膜，是在降低非晶硅薄膜厚度的基础上改善电池短波光谱响应的有效技术；通过控制氧空位浓度可以实现对TCO（透明导电氧化物）薄膜