基于飞秒激光刻蚀的黑硅太阳电池的制备及其性能优化

【摘要】：太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源,使用太阳电池进行发电是利用太阳能的最有效途径。然而,传统硅基太阳电池的光电转换效率仅为18%左右,其效率低的主要原因是硅材料为间接带隙半导体,载流子跃迁至导带需要的光子动能远高于砷化镓等直接带隙半导体,形成很大的能量浪费。但是,硅材料的价格优势使硅基太阳电池依旧占据市场总量的90%以上,所以,进一步提升硅基太阳电池转换效率对推动光伏产业的发展具有极其重要的研究意义。制约硅基太阳电池效率提高的阻碍主要有两条:1,未经特殊处理的硅表面具有较高的反射率,被反射的阳光无法转换为电能,形成能量损失;2,硅材料禁带宽度较窄,无法吸收并转换红外光子。本论文主要针对问题1进行了研究工作。1998年,具有特殊陷光性能的“黑硅”材料被发现,其对可见光与红外光的吸收率均超过90%,正好弥补了传统硅材料在陷光方面的不足,在太阳电池领域被认为极具发展前景。然而黑硅材料表面包覆着缺陷态密度极高的激光刻蚀损伤层,极大影响了黑硅太阳电池的转换效率。为了进一步提高黑硅太阳电池的转换效率,本论文主要在两方面进行了研究工作:其一,对去除黑硅材料表面激光刻蚀损伤的方法进行了系统研究;其二,设计了一套适合黑硅太阳电池的制备参数。在对去除黑硅材料激光刻蚀损伤的研究中,本文分析了三种不同的表面损伤去除方法(分别为:表面耦合等离子体刻蚀、各向同性腐蚀法、各向异性腐蚀法)对黑硅太阳电池效率的影响,结果表明,各向异性腐蚀法具有最优的去损伤效果;之后,本文对各向异性腐蚀法的腐蚀时间结合少子寿命测试进行了细致优化,得到了一种奇特的正逆金字塔混合陷光结构。该结构相对传统碱制绒表面具有更低的反射率,同时激光刻蚀损伤也得到了最大程度的去除;为了找到合适的黑硅电池制备参数,本文对与黑硅电池制备相关的工艺参数逐一进行了优化,包括:激光刻蚀功率的优化、表面钝化层的选择以及加入铝背场技术;最后,本文利用优化后的工艺参数进行了黑硅电池的实际制备,并对制得电池的陷光特性、亮场I-V特性、量子效率特性进行了测试与分析。结果表明:在经过表面去损伤处理后,黑硅太阳电池的开路电压与短波内量子效率得到了很大提升;正逆金字塔陷光结构的引入使得黑硅太阳电池的短路电流密度明显高于传统碱制绒电池;最终,本文制备黑硅太阳电池的转换效率从之前最优的14.2%提升至15.6%,同时,本文制备黑硅太阳电池的转换效率也高于同时制备的碱制绒参考电池(转换效率为15.3%)。
【关键词】：飞秒激光 黑硅 太阳电池
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.41