纳米尺度效应下a-Si:H/c-Si基异质结的光伏性能的调控机制研究

a-Si:H/c-Si based heterojunction is a p-n junction constituted by the doped c-Si and another type-doped a-Si:H film, in which an intrinsic a-Si:H film is usually added. The thicknesses of the intrinsic and doped a-Si:H layers are 3-20 nm, which can present strong nano-scale effect. But until now, the influence mechanism of a-Si:H films with nano-scale effect on band structure is not clear. In this project, the reaction and control mechanism for the intrinsic and doped a-Si:H films will be studied. The influence mechanism of a-Si:H films with nano-scale effect on band structure will be explored. A quantum potential model will be built to simulate the a-Si:H/c-Si based heterojunction with the quantum confinement effect. The influence mechanism of the band struture on device performance will be analyzed by the simulation and experiment method. After these efforts, it is hoped that the property of the a-Si:H films could be precisely controlled and the targeted modulation of the band structure of the a-Si:H/c-Si based heterojunction solar cells would be achieved，and the influence mechanism of the band struture on device performance would be obtained. The conversion efficiency of the a-Si:H/c-Si based heterojunction solar cell could be raised. Also, these results of this project would be helpful for the analysis on other similar semiconductor devices.

a-Si:H/c-Si基异质结指掺杂晶体硅（c-Si）表面沉积生长另型掺杂氢化非晶硅(a-Si:H)膜层形成的异质p-n结，其间一般增加一个本征a-Si:H钝化层。各膜层厚度均在3-20nm范围内，在纳米尺度效应下各膜层性能对该异质结能带结构的影响规律尚不明晰。本项目将研究该异质结中本征/掺杂叠层3-20nm厚度范围的a-Si:H膜制备的反应机制和控制机理，探索纳米尺度效应下a-Si:H薄膜性能对a-Si:H/c-Si基异质结能带结构的影响机制，建立量子势模型来模拟量子限域效应作用下的异质结性能，并结合实验数据分析a-Si:H/c-Si基异质结的能带结构对器件光伏特性的影响，期望获得超薄a-Si:H膜性能的精确控制方法，实现对该异质结能带结构的可控调制，揭示该异质结能带结构对器件性能的影响规律，提升光伏电池的转换效率。本项目也将对其它类似异质结器件的研究提供理论参考。

a-Si:H/c-Si基异质结作为一种特殊的非晶半导体薄膜与晶态半导体构成的半导体器件，在太阳电池领域表现出良好的应用前景，具有高转换效率、高开路电压及相对简单并易大规模产业化的工艺技术等特点。本项目主要研究该异质结中本征/掺杂叠层3-20nm 厚度范围的a-Si:H 薄膜制备的反应机制和控制机理，特别是衬底的诱导作用对a-Si:H 薄膜性能的诱导机制；探索纳米尺度效应下a-Si:H 薄膜性能对a-Si:H/c-Si 基异质结能带结构的影响机制；建立量子势模型模拟量子限域效应作用下的异质结，并与实验相结合研究a-Si:H/c-Si 基异质结的能带结构对器件光伏特性的响应情况。主要结果有：本征非晶硅钝化层最佳工艺参数：沉积温度为200℃，沉积功率为12W，H2和SiH4的流量分别为15sccm和3sccm，沉积气压为22Pa，获得的最佳平均少子寿命为849μs，表面复合速率达到1cm/s。p型非晶硅最佳工艺参数为：功率70W，气压25Pa，电阻率最低，为5.8Ω﹒cm。n型非晶硅最佳沉积功率l0W，气压50Pa。采用HWCVD 方法沉积本征非晶硅薄膜时随着热丝电流增大薄膜沉积速率增大，薄膜中空位浓度逐渐增大。随着热丝电流增大，非晶硅薄膜氢总含量先升高后降低，在约22.0 A处出现峰值。热丝电流为21.5~23.5 A 时，钝化后硅片的少子寿命随着热丝电流的增加呈现先增加后降低的趋势，热丝电流为23.0 A 时，钝化效果最好; H2体积流量为5~20 cm3/min 时，少子寿命随着H2体积流量的增加呈现先增加后降低的规律，体积流量为15 cm3/min 时，钝化效果最好; 热丝与衬底间距为4~5 cm时，随着间距的增加，薄膜的结构由晶化向非晶化转变，在间距为4.5 cm 时硅片的钝化效果达到最优。纳米尺度效应作用下非晶硅的禁带宽度会变宽，导致与晶硅形成的异质结界面处导带阶和价带阶大小产生变化，改变了预期的能带结构，对载流子输运有重要影响，从而影响器件的光伏性能。可以改变工艺参数，控制非晶硅的禁带宽度，优化异质结的能带结构，从而提高器件的转换效率。