發(fā)布時(shí)間：2020-05-11 22:33

【摘要】：硅太陽(yáng)能電池是指以硅為基體材料的太陽(yáng)能電池,通過(guò)光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能,多年來(lái)一直得到研究人員的重視。吸收系數(shù)是材料的一項(xiàng)重要參數(shù),對(duì)太陽(yáng)能電池效率的提升和光電探測(cè)器的應(yīng)用上有著巨大價(jià)值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在GaAs基和GaN基體系中PN結(jié)誘導(dǎo)的吸收增強(qiáng)的試驗(yàn)現(xiàn)象。GaAs和GaN都是直接帶隙半導(dǎo)體材料,而硅是一個(gè)間接帶隙材料,在太陽(yáng)能電池方面有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)PIN型硅基太陽(yáng)能電池研究,發(fā)現(xiàn)硅基太陽(yáng)能電池中硅的吸收系數(shù)得到了增強(qiáng)。本論文基于實(shí)驗(yàn)室改造的氣態(tài)源分子束外延設(shè)備(GSMBE VG80s),生長(zhǎng)了一系列硅基材料的結(jié)構(gòu),確定了氣態(tài)源分子束外延設(shè)備的生長(zhǎng)速率和摻雜濃度等參數(shù)。在2英寸P型硅襯底上生長(zhǎng)了一系列PIN型硅基薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu),中間非故意摻雜層厚度依次為100nm、300nm、1000nm、3000nm。通過(guò)載流子漂移模型,模擬出PIN型薄膜硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度分布。盡管四組樣品中內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度不同,但是內(nèi)建電場(chǎng)覆蓋了整個(gè)非故意摻雜層區(qū)域。光生載流子產(chǎn)生于材料內(nèi)部,由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用,只有非故意摻雜層的載流子能夠通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被有效的提取。通過(guò)擴(kuò)散漂移模型,推算了一套通過(guò)光電轉(zhuǎn)化效應(yīng),計(jì)算太陽(yáng)能電池中硅材料吸收系數(shù)的方法。我們測(cè)量了四組樣品的白光光源下的光生電流曲線(xiàn)。為了分析材料中光生電子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)對(duì)光電流的貢獻(xiàn),計(jì)算了表面N型摻雜區(qū)理想情況下最大光生電流值,在光子能量為3ev時(shí),N型區(qū)光吸收率為87.6%,實(shí)際上產(chǎn)生的電流貢獻(xiàn)效率約0.4%,光生電子通過(guò)擴(kuò)散對(duì)于光電流的貢獻(xiàn)很小,因此我們?cè)谟懻撐�收系�?shù)時(shí)可以忽略擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)對(duì)于光生電流的貢獻(xiàn)。四組樣品的吸收系數(shù)最大值依次為8.9×10~4,1.1×10~4,1.0×10~4,3×10~3 cm~(-1),樣品A的吸收系數(shù)是樣品D的30倍,最高吸收系數(shù)相比晶體硅提高了1-2個(gè)量級(jí),已經(jīng)接近于直接帶隙半導(dǎo)體材料砷化鎵的吸收系數(shù)。在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中,忽略了光的反射、光生載流子的復(fù)合等因素的影響,測(cè)量的吸收系數(shù)低于實(shí)際值。PIN型太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是硅材料吸收系數(shù)提高的主要因素,吸收系數(shù)的提高機(jī)理目前并不清楚。為了進(jìn)一步確定吸收增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,改變730nm激光器激發(fā)功率,測(cè)量了四組樣品的吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和白光下的結(jié)果一致,非故意摻雜層厚度100nm的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)其吸收系數(shù)在四組樣品中最高,吸收系數(shù)隨著激發(fā)功率的變化,基本不變,PIN型硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中硅的光吸收得到了增強(qiáng)。PIN型硅太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中,非故意摻雜層硅的吸收系數(shù)得到了有效的增強(qiáng)。通過(guò)非故意摻雜層厚度的變化,硅材料的吸收系數(shù)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于這種結(jié)構(gòu)中材料的吸收機(jī)理提出了新的挑戰(zhàn),對(duì)于新的光電器件的制備提供了可能。
【圖文】：

GSMBE 外延硅薄膜太陽(yáng)能電池物性研究晶體結(jié)構(gòu)素周期變中 IV 主族元素，原子序數(shù) 14，其最外層有四個(gè)電子活性，硅晶體屬于面心立方結(jié)構(gòu)（FCC），如圖 1.1 所示，晶立方沿著體對(duì)角線(xiàn)平移 1/4 組成的,一個(gè)原胞包含兩個(gè)硅原子，胞中包含 8 個(gè)頂點(diǎn)原子，6 個(gè)面心立方原子和 4 個(gè)體心原子組鄰原子組成正四面體結(jié)構(gòu)，任意鍵角 109.5o。室溫下，晶胞參數(shù)的原子密度 5X1022/cm3,硅原子的半徑 1.17 埃，硅晶體的空間

于典型的間接帶隙材料，其價(jià)帶頂在 Γ（0,0,0）點(diǎn)，其導(dǎo)帶底并沒(méi)有空間的原點(diǎn)。禁帶寬度為1.12eV，其倒易空間原點(diǎn)直接帶隙寬度為3.結(jié)構(gòu)對(duì)其光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)具有重要意義。光學(xué)性質(zhì)[8-9]硅材料優(yōu)良的性能，硅基材料得到了深入研究以及廣泛應(yīng)用，包括集訊、硅太陽(yáng)能電池等等。其中硅太陽(yáng)能電池作為清潔能源材料的一泛的研究，本論文也是基于對(duì)硅基材料光學(xué)性質(zhì)的研究,圖 1.5 為不同硅的吸收系數(shù)。光學(xué)過(guò)程主要包括光的吸收過(guò)程和反射過(guò)程。圖 1.4 第一性原理計(jì)算得到的硅的能帶結(jié)構(gòu)[8]Figure 1.4 Band structure of silicon calculated in the first principles
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.42

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本文編號(hào)：2659167