基于温和等离子体沉积技术的n型晶硅HIT太阳能电池的制备与研究

Si-based heterojunction with intrinsic thin-layer (HIT) solar cells, which combines the advantages of high conversion efficiency and high stability of crystlline silicon solar cells with that of low-temperature process of thin film solar cells, is a hot topic in current research in solar cells. Against the technology blockade of Panasonic (Sanyo) company on HIT solar cells, especially on how to achieve high-quality and low-damage amorphous silicon (a-Si:H) thin films using PECVD, a novel soft plasma deposition technique without plasma damage namely capacitively coupled electrodeless plasma (CCEP) is proposed in the present proposal. The mnain contents include: (1) realize stable CCEP discharges at capacitive mode (E-mode) and study the physical mechanism of crystalline silicon (c-Si) surface damages induced by plasma; (2) fabricate intrinsic and doped a-Si:H layers based on CCEP technique and investigate their microstructure characteristics and their passivation performances for n-type c-Si surfaces; (3) prepare n-type crystalline silicon single junction HIT solar cells based on CCEP technique and study cell performances,and improve the electrical transport property of the front electrode interfaces by inserting Au nanoparticles, and study the influence of the plasma damage on cell performances. This project is a basic research of application. The proposed CCEP technique is expected to suppress the plasma damage onto the substrate surface by both lowering the plasma density and limiting the movement of ions. This may provide theoretical basis and technical support for realizing excellent surface passivation of c-Si substrates and achieving high-efficiency HIT solar cells.

异质结HIT太阳能电池结合了常规晶硅电池高转化效率、高稳定性与非晶硅薄膜电池低温生长工艺的优点，是当今太阳能电池研究的一个热点。针对松下公司对HIT电池尤其是利用PECVD制备高质量无损伤非晶硅薄膜的技术封锁，本项目提出一种可避免等离子体损伤的温和等离子体沉积方案，即非平行板式电容耦合等离子体（CCEP）沉积技术。研究内容主要包括（1）实现稳定的CCEP容性放电，研究等离子体对衬底表面造成损伤的物理机制；（2）基于CCEP制备本征和掺杂非晶硅, 研究其微结构及其在n型晶硅表面的钝化效果;（3）制备并研究单结HIT太阳能电池的性能，采用嵌入金纳米颗粒的方法改善前端电极的输运特性，研究等离子体损伤对电池性能的影响。本项目提出的CCEP沉积技术通过降低等离子密度及约束正离子运动方向，有望抑制沉积过程中等离子体对衬底表面的损伤，提高晶硅表面钝化效果，为制备高效HIT太阳能电池提供理论和技术支持。

课题组通过三年的实验和模拟研究工作，较好地完成了项目预定的总体目标。课题组自主搭建了温和等离子体系统（CCEP），获得了两种中低频射频电源（分别是0.5 MHz和2 MHz两种）下稳定的容型模式CCEP等离子体放电。我们基于CCEP工艺在硅烷和氢气气体氛围下制备非晶硅薄膜，系统地研究了薄膜的键结构、键密度、氢含量以及对晶硅的钝化效果。0.5 MHz射频电源制备的非晶硅薄膜氢含量较低，在7-17%左右，而2 MHz射频电源制备的非晶硅薄膜氢含量明显升高，在18-25%左右。0.5 MHz电源制备出的氢化非晶硅钝化晶硅表面后，最低表面复合速率为48 cm/s；对于2 MHz的情形，最低表面复合速率为25 cm/s。2 MHz情形下制备的非晶硅薄膜氢含量较高是导致其钝化效果较好的最主要原因。我们通过采用AFORS-HET模拟软件研究采用金纳米颗粒的嵌入导致TCO功函数的增加对双结HIT太阳能电池性能的影响以及发射极和背场梯度掺杂对双结HIT太阳能电池的影响。研究结果表明通过金纳米颗粒的嵌入可以有效提高TCO的功函数，从而提升HIT太阳能电池的效率。在此基础上，我们通过对掺铝氧化锌（ZnO:Al）薄膜实现化学制绒，将单结p型硅HIT太阳能电池的电池效率也从14.1%提高到14.7%。我们的温和等离子体技术为我国高效HIT太阳能电池的研发提供一条独特可行的制备方法。课题组还依托温和等离子体技术，实现了二维层状材料如石墨烯、二硫化钼和二硒化钼低损伤下的逐层刻蚀，为二维材料的逐层控制和进一步光电应用提供了一条切实可行的途径。课题组还开发了一种限制空间的CVD生长方法，并通过这种方法成功地制备了高质量，低污染，三角形形状占主导的单层二硫化钼晶体。这项研究提供了一种可以获得高质量二硫化钼单晶以及其他过渡金属硫属化合物材料的简单方法，并且可以实现基于可调控荧光效应的功能性光电子器件的制作。课题组至今已发表相关SCI论文10篇（8篇通讯作者或第一作者）， CSCD核心论文6篇，申请相关国内发明专利6项，已授权1项；培养已毕业硕士5名；参加学术会议6人次；邀请海外知名专家来访3人次。

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