【摘要】：量子選擇型硅基異質結光伏器件一般由晶硅、鈍化隧穿層、載流子選擇層組成,具有負溫度系數(shù)低、寄生吸收少、理論轉換效率高等優(yōu)點,已引起光伏研究者的廣泛關注。本文根據(jù)半導體器件物理、硅太陽能電池基本原理及技術,對ITO/SiO_x(In)/n-Si、MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si和MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si三種光伏器件的可控制備、能帶匹配和量子輸運機制等展開研究,重點探究了新型多功能材料的引入對改善界面鈍化效果、增強空穴隧穿幾率、提高器件光伏性能的作用。同時,對MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si結構光伏器件進行了性能失效機理分析,揭示了“S”型輸出曲線的形成原因。本論文主要研究成果如下:(1)采用射頻磁控濺射方法在n-Si襯底表面直接沉積ITO薄膜,制備了ITO/SiO_x(In)/n-Si異質結光伏器件,該簡單結構器件的光電轉換效率達12.2%,開路電壓540 mV,短路電流30.5 mA/cm~2,填充因子74.2%。通過對ITO薄膜光電特性、器件光伏特性及界面區(qū)微結構表征分析,并結合非晶SiO_x(In)材料第一性原理計算結果,發(fā)現(xiàn):器件內建電勢本質上來源于ITO薄膜和n-Si襯底之間的功函數(shù)差,較大的功函數(shù)差誘導出n-Si表面上亞微米區(qū)p型反型層,可形成類p-n結的等效內建電場;ITO/n-Si界面區(qū)自然形成了含有In元素的超薄非晶SiO_x層(1.2-1.7 nm),不僅可以有效鈍化n-Si表面;而且光生空穴經由直接隧穿和缺陷輔助隧穿機制輸運通過SiO_x(In)層;In的摻雜在a-SiO_2禁帶中引入一條新能級GSII,降低了勢壘高度,有助于量子輸運;In的摻雜還引入了一條淺受主能級,有利于與n-Si形成空穴選擇性接觸。這些結果有助于加深對ITO/SiO_x(In)/n-Si異質結光伏器件基本原理的理解,并為改善該類器件的性能提供了理論與實驗依據(jù)。(2)為了實現(xiàn)空穴、電子選擇性鈍化接觸,我們成功制備了MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si/SiO_x/poly-Si(n~+)異質結光伏器件。該器件的最高光電轉換效率達16.7%,開路電壓600 mV,短路電流38.2 mA/cm~2,填充因子72.9%。利用微結構表征技術及第一性原理計算方法,研究了SiO_x(Mo)夾層對該器件內建電場及量子輸運的影響。結果表明:在n-Si無預先氧化的情況下,MoO_x/n-Si界面區(qū)自然形成了非晶SiO_x(Mo)三元雜化層(3.5-4.0 nm);MoO_x薄膜與n-Si襯底之間的高功函數(shù)差誘導n-Si表面形成p型反型層,產生內建電場;SiO_x(Mo)界面層中的Mo摻雜在帶隙中引入兩條半滿能級和三條未占據(jù)能級,分別起到空穴的缺陷輔助隧穿和直接隧穿的作用;隧穿-復合模型可以很好的描述器件中光生空穴的輸運過程;該器件具有良好的穩(wěn)定性,且工藝流程簡單,預示著MoO_x/SiO_x(Mo)/n-Si異質結光伏器件具有潛在的應用價值。(3)基于MoO_x薄膜功函數(shù)測量、MoO_x/a-Si:H(i)界面化學成分表征和AFORS-HET軟件模擬,對MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si異質結光伏器件性能進行了失效分析。結果表明:在MoO_x薄膜沉積過程中,MoO_x/a-Si:H(i)界面區(qū)自然形成的SiO_x夾層阻礙了載流子的傳輸;隨著MoO_x薄膜沉積速率的增加,一方面MoO_x薄膜功函數(shù)的降低導致其空穴提取能力變弱;另一方面SiO_x層中O/Si比率提高,價帶偏移量(ΔE_v)增大,進而導致a-Si:H(i)/n-Si界面勢壘阻礙空穴通過熱發(fā)射機制進行輸運;同時,SiO_x層變厚(4 nm),導致空穴的隧穿幾率降低。我們對MoO_x/a-Si:H(i)/n-Si器件“S”型J-V曲線的研究結論,為進一步優(yōu)化該器件性能提供了新思路。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TM914.4

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