外延晶体硅薄膜太阳电池的量子效率和特性研究

为了澄清限制所制备的颗粒硅带上的晶体硅薄膜太阳电池效率的主要因素, 对制备在颗粒硅带、经区熔(ZMR)后的颗粒硅带和单晶硅衬底上的外延晶体硅薄膜太阳电池进行了QE和Suns-Voc研究. 结果表明, 颗粒硅带上沉积的外延层的表面有一定的粗糙度, 它不但增加了电池表面的漫反射, 也使氮化硅减反射膜的结构变得疏松, 最终影响了减反射膜的陷光效果; 沉积在颗粒硅带上的硅活性层的晶体质量也较差, 较重的晶界复合限制了少子扩散长度, 使得制备在颗粒硅带上的硅薄膜太阳电池在长波方向上的光谱响应明显变坏. 所制备的晶体硅薄膜太阳电池的暗特性参数值均不理想, 电池性能尤其受到过高的暗饱和电流102值和过低的并联电阻Rsh值的严重影响. 高的I02值是由于结区硅活性层较差的晶体质量所导致的严重的晶界复合造成的, 低的Rsh值被归结为电池经激光切割后未经钝化的裸露的PN结及电池边缘的漏电造成的.     

外延晶体硅薄膜太阳电池的量子效率和特性研究

为了澄清限制所制备的颗粒硅带上的晶体硅薄膜太阳电池效率的主要因素,对制备在颗粒硅带、经区熔(ZMR)后的颗粒硅带和单晶硅衬底上的外延晶体硅薄膜太阳电池进行了QE和Suns-Voc研究.结果表明,颗粒硅带上沉积的外延层的表面有一定的粗糙度,它不但增加了电池表面的漫反射,也使氮化硅减反射膜的结构变得疏松,最终影响了减反射膜的陷光效果;沉积在颗粒硅带上的硅活性层的晶体质量也较差,较重的晶界复合限制了少子扩散长度,使得制备在颗粒硅带上的硅薄膜太阳电池在长波方向上的光谱响应明显变坏.所制备的晶体硅薄膜太阳电池的暗特性参数值均不理想,电池性能尤其受到过高的暗饱和电流I02值和过低的并联电阻Rsh值的严重影响.高的I02值是由于结区硅活性层较差的晶体质量所导致的严重的晶界复合造成的,低的Rsh值被归结为电池经激光切割后未经钝化的裸露的PN结及电池边缘的漏电造成的.     

纯硅芯石英光纤的研制

结合改进的化学汽相沉积(MCVD)法的特点, 设计纯硅芯石英光纤最佳折射率剖面结构, 并对采用改进的石墨炉加热的MCVD法制备纯硅芯石英光纤预制棒和拉丝工艺进行讨论. 分析了制作工艺中内包层掺氟量的提高、内包层厚度增加和纤芯折射率保持等难点的原理, 并给出了解决方案. 同时给出了制备的纯硅芯石英光纤预制棒的折射率剖面图和拉制成型的纯石英光纤折射率剖面图.     

硅基光电子发光材料与器件

用光子作为信息载体的光互连是硅集成电路的发展趋势之一,而硅基光互连的实现,必须发展与当前集成电路制造工艺兼容的高效硅基光源.本文概述了近年来国际上硅基光源的主要研究成果,重点介绍了我们研究组在硅量子点、硅晶体缺陷、硅基氮氧化物薄膜和硅基氧化物半导体薄膜发光材料与器件等方面的研究进展.     

外延晶体硅薄膜太阳电池的器件模拟及性能优化的研究

由于晶体硅薄膜太阳电池兼有晶体硅太阳电池高效、性能稳定和薄膜电池低成本的优点,是最有可能取代现有晶体硅太阳电池技术的下一代薄膜电池技术.本文利用PC1D软件对外延晶体硅薄膜太阳电池进行了器件模拟.为了使模拟更接近真实的情况,我们采用了更符合实际情况的器件结构和参数设置.在此基础上,全面系统地研究了背表面场（back surface field,BSF）层、基区和发射区参数、晶体硅活性层电学质量、电池表面钝化情况、电池内部复合情况和pn结漏电情况等对外延晶体硅薄膜太阳电池光电性能的影响.在影响外延晶体硅薄膜太阳电池效率的众多因素中,辨认出对电池效率影响幅度最大的3个参数依次是基区少子扩散长度、二极管暗饱和电流和正表面复合速度.通过模拟还发现,基区不是越厚越好,基区厚度的选择必须要考虑基区少子扩散长度的值.当基区少子扩散长度较小时,基区的最佳厚度应小于或等于基区少子扩散长度;当基区少子扩散长度较大时,基区少子扩散长度应至少是最佳基区厚度的2倍.此外,本文不但对模拟结果的现象进行了描述,还深化解释了其变化的物理机制.由于外延晶体硅薄膜太阳电池在器件结构上与晶体硅太阳电池具有很大的相似性,所以本文的结论在某种程度上对晶体硅太阳电池特别是当下研究最热门的薄硅片太阳电池也是适用的.     

CdTe太阳电池组件的关键技术研究

采用化学水浴法沉积CdTe太阳电池的n型窗口层CdS多晶薄膜, 用近空间升华法制备吸收层CdTe薄膜. 为了获得优质的背接触, 对退火后的CdTe薄膜用湿化学法腐蚀一富Te层, 然后沉积背接触层. 结果表明：具有ZnTe/ZnTe: Cu 复合层的太阳电池性能优于其他背接触结构的电池. 最后, 采用激光刻蚀和机械刻蚀相结合, 制备了glass/SnO₂:F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe:Cu/Ni太阳电池小组件, 其中一个CdTe太阳电池小组件的效率达到了7.03% (开路电压V_oc = 718.1 mV, 短路电流I_sc = 98.49 mA, 填充因子53.68%, 面积54 cm²) (由中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心测量).     

石墨浆做背接触层的CdTe薄膜太阳电池的导纳谱表征

本文测试了掺杂石墨浆作背接触层的CdTe薄膜太阳电池的导纳谱,计算得到电池中存在的影响电池性能的缺陷能级及其俘获截面.掺杂石墨浆作背接触层的CdTe薄膜太阳电池中存在三个缺陷能级,其位置Et-Ev分别约为0.34,0.46和0.51eV,对应的俘获截面分别为2.23×10-16,2.41×10-14,4.38×10-13cm2.     

氢稀释对非晶硅碳(a-SiC:H)合金薄膜生长和光学特性的影响

用PECVD方法, 以固定的甲烷硅烷气体流量比([CH₄]/[SiH₄] = 1.2)和不同的氢稀释比(R_H = [H₂]/[CH₄+SiH₄] = 12, 22, 33, 102和135)制备了一系列的氢化非晶硅碳合金(a-SiC:H)薄膜. 运用紫外-可见光透射谱(UV-VIS)、红外吸收谱(IR)、Raman谱以及光荧光发射谱(PL)测量研究了氢稀释和高温退火对薄膜生长和光学特性的影响. 实验发现氢稀释使薄膜光学带隙展宽(从1.92到2.15 eV). 高氢稀释条件下制备的薄膜经过1250℃退火后在室温下观察到可见光发光峰, 峰位位于2.1 eV. 结合Raman谱分析, 认为发光峰源于纳米硅的量子限制效应, 纳米硅被Si-C和Si-O限制.     

纳米硅薄膜材料在场发射压力传感器研制中的应用

设计研制了一种基于量子隧道效应机制的场发射压力传感器原型器件, 用CVD技术制备了粒径为3 ~ 9 nm, 厚度为30 ~ 40 nm的纳米硅薄膜, 并同时把这种低维材料引入到传感器阴极发射尖锥的制作, 形成纳米硅薄膜为实体的发射体结构. 用HREM及TED分析了纳米硅态的显微特性, 用场发射扫描电子显微镜SEM分析了发射体及阵列的微观结构, 用HP4145B晶体管参数测试仪考察了传感器件的场发射特性. 实验结果表明, 当外加电场为5.6×10⁵ V/m时, 器件有效区域发射电流密度可达53.5 A/m².     

超低介电常数材料和多孔SiOCH薄膜

集成电路的特征尺寸将降低到0．1μm，这时器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗已经成为限制器件性能的主要因素。目前集成电路的金属连线价质层材料为铝／二氧化硅配置，用电阻更小的铜取代铝作金属连线，用低介电常数(低K)材料取代二氧化硅作介质层成为科学意义重要、应用价值巨大的研究课题，微电子器件正经历着一场材料的重大变革中。本文着重评述了纳米尺度微电子器件对低介电常数(低k)薄膜材料的要求，介绍了多孔硅基低k薄膜的研究进展。     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

自形成点接触PERC太阳电池

传统钝化发射极背接触(PERC)太阳电池采用原子层沉积(ALD)法在电池背面形成全覆盖氧化铝(Al_2O_3)钝化层,但由于Al_2O_3的介电特性,需在后续工艺中通过激光开槽去除部分钝化层,形成部分金属化部分钝化层的背表面结构,本文采用旋涂法制备Al_2O_3薄膜作为PERC太阳电池的背表面钝化层,实现了自形成点接触的背表面结构,即金字塔表面和底部具有钝化层覆盖,金字塔顶部没有钝化层覆盖,从而无需使用激光开槽工艺即可完成PERC电池的局部钝化和金属化.进一步发现,这种天然形成的点接触具有优良的电学接触特性,在同样的工艺条件下,获得了比全背金属接触电池略高的填充因子(FF),不同于常规PERC电池FF低于全背金属接触电池的情况.此外还发现自形成点接触Al_2O_3钝化层兼具有背反射层的功能,通过对SiN_x/Si/Al_2O_3/Al结构反射率的测试,直接证明了背钝化层可以增强长波区太阳光的内反射.电池的开路电压(V_(oc)),短路电流密度(J_(sc))均有提升,转换效率(η)提高约1%.     

新型SINP硅蓝紫光电池的研究

本研究中,采用以下主要步骤:先在p-型Si的绒面上,进行磷扩散形成同质p-n结,再低温热氧化生长超薄SiO2层,然后利用射频磁控溅射沉积ITO减反射/收集电极膜,成功制备了一种新型ITO/SiO2/np晶硅SINP结构蓝紫光电池.通过X-光衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光透射谱(UV-VIS),以及霍尔效应(Halleffect)测量方法,表征了高质量ITO薄膜的微结构、光学与电学特性.并重点对SINP结构光电池的光谱响应和I-V特性,进行了详细地计算和分析.结果表明,具有蓝紫光以及其它可见光波段的光谱响应和光电转换的增强效果,是该器件的主要特征.其较高的短路电流密度,适合于发展成为新型结构的硅基太阳能电池.     

硅离子注入聚合物表面改性的研究

采用MEVVA离子注入机引出的Si离子对聚酯薄膜(PET)进行了改性研究, 原子力显微镜观察表明, 注入后的聚酯膜表面比未注入PET更光滑. 用透射电子显微镜观察了注入聚酯膜的横截面表明, 注入层结构发生了明显的变化. 红外吸收测量揭示了Si-C和C-C的形成. 说明了碳化硅和碳颗粒的形成. 这些颗粒增强了注入层表面强化效果, 改善了表面导电特性. 表面电阻率随注入量的增加而明显地下降. 当硅注入量为2×10¹⁷ cm^-2时, PET表面电阻率小于7.9 W·m. 用纳米硬度计测量显示, Si离子注入可明显地提高聚酯膜表面硬度和杨氏模量. 表面硬度和杨氏模量分别比未注入PET时大12.5和2.45倍. 硅注入表面划痕截面比未注入PET的划痕窄而浅. 说明表面抗磨损特性得到了极大的增强. 最后讨论了Si离子注入聚酯膜改善特性的机理.     

ArF准分子激光晶化非晶硅薄膜微结构研究

利用ArF准分子激光对非晶硅薄膜的表层进行晶化后,采用拉曼光谱(Raman)、透射电镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)等实验方法研究不同激光能量密度下晶化层硅薄膜微结构变化。实验结果表明:随激光能量密度的增大,薄膜结晶度增大,晶化层厚度加厚;晶粒尺寸则是先增大,直到激光能量密度增大到210 mJ/cm~2后,晶粒尺寸开始减小并且均匀性逐渐变差。最佳的激光能量密度范围为120～180 mJ/cm~2,这时薄膜表面晶化层晶粒比较均匀致密,薄膜质量较好。     

表面凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征研究

表面凹坑阵列结构具有良好的陷光特性,能有效地降低电池表面的光能反射和延长光在电池吸收层中的光程,因此在光伏领域,特别是在硅薄膜太阳能电池中具有良好的应用前景.本文采用理论分析与实验验证相结合的方法,对凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征进行研究,并讨论了凹坑阵列结构的衍射效应对硅薄膜太阳能电池吸收特性的影响.研究结果发现,凹坑阵列陷光结构的深宽比越大,其衍射效率越好,越有利于光的均匀散射,越有利于电池对入射光的吸收和电池效率的提升.另外,凹坑阵列结构的衍射特性还与入射波的波长有关,入射波长越长,其衍射效果越好.本研究对于高效表面陷光阵列的设计以及高效衍射效率光栅的制备具有重要的参考价值.     

硅量子点双势垒存储结构及其编程机制的研究

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)及热退火方法制备了含硅量子点的Si Cx薄膜.透射电子显微镜(TEM)观测表明Si Cx薄膜中生长了大量硅量子点.制备了含Si Cx薄膜包裹硅量子点的双势垒存储器结构.TEM观测表明,采用上述工艺成功制备了Si3N4/Si Cx薄膜/Si-QDs/Si Cx薄膜/Si O2双势垒结构的存储器结构.利用硅量子点的库伦阻塞效应及量子限域效应,从理论上分析了双势垒硅量子点存储器的编程机制,建立了双势垒存储结构阈值电压漂移模型,模拟仿真表明双势垒存储器的阈值电压漂移要大于单势垒存储器,编程速度更快.存储结构C-V特性测试表明,样品在扫描栅压为±12 V时有10 V左右的存储窗口,证明双势垒存储结构具有良好载流子存储效应.     

双折射消偏振薄膜设计

给出了倾斜入射条件下光轴垂直于入射面的单轴双折射薄膜内非寻常光及寻常光传播的2×2特征矩阵, 而且计算了双折射薄膜对两种偏振态光波的透射反射特性, 为倾斜入射条件下单波长及宽带范围内的消偏振薄膜设计提供了新的方法. 另外, 利用多层双折射薄膜实现了倾斜入射条件下单波长消偏振分束薄膜、消偏振截止滤光片及可见光范围内宽带消偏振减反薄膜等设计.     

氢化非晶硅薄膜喇曼及椭偏表征

用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备氢化非晶硅（a—Si：H）薄膜，利用喇曼散射谱、椭偏透射谱和暗电导测试，通过改变辉光放电前SiH4气体温度，研究了气体温度对薄膜非晶网络结构和光电性能的影响．结果表明，随着辉光放电前SiH4气体温度从室温提高到433K，a-Si：H薄膜的短程有序和中程有序程度提高，折射率和吸收系数增强，同时，暗电导提高2个数量级．a—Si：H薄膜非晶网络结构的变化是其暗电导提高的主要原因．     

ZnTe/ZnTe:Cu复合背接触层对CdTe太阳电池器件性能的影响

将真空共蒸发技术沉积的ZnTe/ZnTe:Cu复合薄膜应用于CdS/CdTe太阳电池, 作为碲化镉与金属背电极间的过渡层. 比较了有无ZnTe复合背接触层的两种CdTe电池的光、暗电流-电压(I-V)曲线和电容-电压(C-V)特性, 并研究了本征ZnTe薄膜厚度和背接触层的退火温度对电池性能的影响. 结果表明, 有复合背接触层的CdTe光伏器件, 能够消除暗I-V曲线饱和与光、暗I-V曲线交叉现象, 且填充因子在没有高阻透明薄膜的情况下达到了73%. 结合CdTe电池的能带图讨论了其中的原因.