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1、华中科技大学 硕士学位论文 柔性衬底非晶硅薄膜太阳电池的研究 姓名：陈宇 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：曾祥斌 20080528 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 随着能源问题的日益突出，近年来太阳电池光伏发电技术发展迅猛。聚合物衬底 柔性薄膜太阳电池凭借其耗材少、成本低、可卷曲（柔性） 、重量比功率高、轻便等 特点成为当前太阳电池研究领域的热点。 聚酰亚胺（PI）膜具有耐高温等优点，被本研究选作了柔性衬底材料。针对聚合 物材料光透过率普遍偏低的情况，本研究设计了“柔性衬底/Al 底电极/N/I
2、/P/TCO（透 明导电薄膜） ”的倒结构柔性太阳电池，并制定了相应的工艺制备方案。 PI 膜在高温 200以上存在气体释放现象，本研究提出了 PI 膜的预烘（prebake） 工艺，以解决 PI 膜高温释放气体问题，并通过实验确定了最佳的预烘工艺条件。在 此基础上，为了保证沉积在 PI 膜上的 Al 底电极不掉膜不脱落，本研究探索了制备高 电导、良好附着性的 Al 底电极的工艺。 本研究通过在 PECVD 沉积非晶硅薄膜的过程中通入 CH4来制备宽带隙 a-SiC:H 薄膜作为电池窗口层以提高电池的性能，研究优化了其制备工艺条件。同时研究了获 得高光暗电导比（ph/d105）的本征非晶硅层的
3、制备工艺以及获得高暗电导的 N 型 非晶硅膜层的制备工艺。 基于实验室实际情况，采用 ITO 薄膜作为顶电极，分析研究了制备优良 ITO 电 极的工艺条件，获得了平均透过率超过 80%，电阻率为 4.010-4.cm 的 ITO 透明导 电薄膜。 在各步工艺的研究与实验基础上，制备出了弯曲前 Voc=0.12V，Jsc=0.75mA/cm2。 弯曲后 Voc=0.07V，Jsc=0.46mA/cm2的单结柔性非晶硅薄膜太阳电池样品。 关键词：关键词：非晶硅薄膜 柔性 太阳电池 PI 膜 PECVD 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
4、II Abstract As a renewable energy, photovoltaic industry has grown rapidly worldwide. It is important to research the a-Si thin film solar cells for the costs of materials increase rapidly. This research is about the fabrication of thin film a-Si solar cells based on the flexible substrate (polymer)
5、.This kind of solar cells have many advantages such as: flexible, high quality/power ratio, light weight. The PI (polymide) film is choosed as the flexible substrate for its good heat resistance, good mechanical strength and so on. An inverse solar cells structure “PI film/Al electrode/N/I/P/TCO ele
6、ctrode” is designed for the PI film has a low transparence. And the process steps to fabricate this kind of flexible solar cells are researched in details. As the gas released from the PI film deteriorate the a-Si films which are deposited by PECVD at a high temperature about 200300. This research a
7、dds a “prebake” process to solve this problem. And then, an optimized aluminium fabrication process is achieved, which offers a Al electrode with high conductivity and stick to PI film tightly. The wide bandgap P type a-SiC:H layer is researched to fabricate a good “window layer” for the solar cells
8、. The influence of RF power and substrate temperature about the quality of the intrinsic a-Si:H layer is researched. And the dark conductivity (d) of the N type a-Si:H layer is researched for it is direct deposited on the Al back electrode. Fabricate a ITO (In2O3:Sn) layer as the front electrode wit
9、h the average visible tramittance over 80%, electrical resistivity 4.010-4.cm through electron-beam vaccum evaporation technology. Finally, we get a single junction flexible a-Si solar cells with Voc=0.12V, Jsc=0.75mA/cm2, and Voc=0.07V, Jsc=0.46mA/cm2 (bending). Keywords：a-Si film flexible solar ce
10、lls PI film PECVD 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部
11、分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 能源问题是一个全球性问题，是当今人类发展面临的重大课题。石油，煤等传统 化石能源污染高，开采量有限，不具备可持续发展的能力。人类亟需绿色环保的可再 生能源。为此，人类开发了许多新能源，如风能、太阳能、核能等，其中太阳能作为 一种可
12、持续利用的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。 到目前为止， 太阳能的利用及发展趋势主要有以下几方面： 太阳能电池光伏发电； 太阳能光热利用；太阳能制冷；太阳能电解水制氢能源； 其中太阳能电池光伏发电技术具有广阔的发展前景。随着全球能源形势趋紧，目 前世界各国都在积极的部署太阳电池的扩产和发展计划1。在国际市场和国内政策的 拉动下，中国的光伏产业也逐渐兴起，并迅速成为后起之秀。 太阳能电池是光伏发电技术的核心。提高电池的转化效率，研发新型的太阳能电 池是光伏产业发展的源泉2。 1.1 太阳能光伏产业太阳能光伏产业 地球表面接受的太阳能辐射能够满足全球能源需求的1万倍。地表每平方米平均 每年受到的
13、辐射可生产1700kW.h电能。国际能源署数据显示，在全球4%的沙漠上安 装太阳能光伏系统，就足以满足全球能源需求。太阳能光电转化效率的卡诺极限为 95%3相比于目前产品最高20%的转化率，其研究发展空间非常巨大。太阳能光伏发 电技术主要优势为：燃料免费；没有会磨损、毁坏的活动部件；保持系统运转仅需很 少的维护；系统为组件，可在任何地方快速安装；无噪声、无有害排放和污染气体。 基于以上优势，太阳能电池光伏发电产业近年来发展极为迅速。表 1.1 所示为 19972006 年世界太阳电池年生产量和累计用量的统计数据。 表 1.1 19972006 年世界太阳电池的年生产量和累计用量（GWp）4 年
14、份 1997 1998 199920002001200220032004 2005 2006 年产量 0.126 0.155 0.2010.2870.3910.5610.7441.2 1.76 2.5 年增长率/% 42 23.1 30 42.9 35.7 44 32.5 61.2 46.7 42 累计用量 0.791 0.946 1.1471.4351.8252.3873.1314.331 6.09 8.59 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位。根据 欧洲 JRC
15、 的预测，到 2040 年可再生能源占总能耗 50%以上，太阳能光伏发电将占总 电力的 20%以上。图 1.1 为 2004 年欧盟联合研究中心关于未来能源消费情况的预测。 图 1.1 未来世界一次能源消费结构图 1.2 太阳电池的分类及研究现状 太阳电池的分类及研究现状 由于发展极其迅速，目前太阳电池种类众多，按照其使用光电材料的不同，本文 对其进行了一个较全面的分类，如图 1.2 所示。 图 1.2 按使用材料对太阳电池的分类 太阳电池 铜铟硒太阳电池 碲化铬太阳电池 硅基太阳电池 染料敏化太阳电池 有机体太阳电池 体硅太阳电池 硅基薄膜太阳电池 单晶硅太阳电池 多晶硅太阳电池 非晶硅薄膜
16、太阳电池 多晶硅薄膜太阳电池 微晶硅薄膜太阳电池 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2.1 硅基太阳能电池发展现状 硅基太阳电池是指以硅材料为主要原料制备的太阳电池。硅基太阳电池又分为体 硅太阳电池和薄膜太阳电池。 1）体硅太阳电池。体硅太阳电池又分为单晶硅与多晶硅太阳电池，其中单晶硅 太阳电池是当前发展较成熟的一种太阳电池。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原 料，纯度要求99.9999%以上。目前世界上单晶硅太阳电池的最高转化效率为24.7%， 由澳大利亚新南威尔士大学保持5。 多晶硅太阳电池的原料为含有大量单晶颗粒的集合体，用废次单晶硅材料和冶金 级硅材料熔化浇铸而成。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光 电转换效率在 12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，电耗低，总的 生产成本较低，因此得到广泛应用。目前多晶硅太阳电池的最高转化效率为 20.3%6
