硼磷補(bǔ)償晶體硅的基本性質(zhì)及其光伏應(yīng)用研究

【摘要】：太陽能光伏發(fā)電是一種非常重要的可再生能源。晶體硅太陽電池作為目前光伏市場的主要產(chǎn)品,占據(jù)了90%以上的份額,并在今后很長一段時間內(nèi)仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。因此,降低晶體硅太陽電池成本是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界一直追求的主要目標(biāo)之一。使用低成本的多晶硅原材料,如物理冶金法提純的硅(UMG硅),能顯著降低太陽電池的制作成本,其研究和開發(fā)成為目前的關(guān)注重點(diǎn)。由于其提純路線的工藝特點(diǎn),UMG硅中往往同時含有高濃度的硼和磷雜質(zhì),它們在硅中分別提供空穴和電子,因此硼磷補(bǔ)償效應(yīng)是影響UMG硅及其制備的太陽電池性能的最關(guān)鍵因素。 本文研究了硼磷補(bǔ)償晶體硅的基本性質(zhì)及其太陽電池的性能,這些研究結(jié)果對于實(shí)際生產(chǎn)中使用低成本UMG硅來制備高效率晶體硅太陽電池具有重要的指導(dǎo)意義,其主要的創(chuàng)新結(jié)果如下： (1)研究了硼磷補(bǔ)償對晶體硅基本性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：晶體硅中硼磷補(bǔ)償共摻雜基本不影響各自的分凝系數(shù)。具有4個與硼磷能級相關(guān)的施主受主對光致發(fā)光峰；通過對其中無聲子輔助的施主受主對的發(fā)光峰進(jìn)行變溫研究,獲得了補(bǔ)償硅中硼和磷的電離能。研究指出：凈摻雜濃度是影響p型和n型硼磷補(bǔ)償硅中載流子壽命的重要因素,凈摻雜濃度越低,載流子壽命越高。同時,硼磷補(bǔ)償增加了晶體硅中的電離雜質(zhì)散射強(qiáng)度,同時降低了多子和少子的遷移率。 (2)研究了硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池與普通晶硅太陽電池的性能差異。研究發(fā)現(xiàn)：硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池具有相對較高的開路電壓和填充因子,從而可以平衡掉低少子遷移率引起較低短路電流的影響,使得其最終可以具有與普通晶體硅太陽電池相同的轉(zhuǎn)換效率。研究還發(fā)現(xiàn)：高濃度硼磷補(bǔ)償摻雜的晶體硅太陽電池在室溫光照下性能衰減非常嚴(yán)重,其絕對效率衰減高達(dá)3-4%；進(jìn)一步高溫同時光照,可以生成低復(fù)合活性的硼氧復(fù)合體第三態(tài),使衰減的電池性能回復(fù)到初始值,而且證實(shí)硼原子直接參與了太陽電池中硼氧復(fù)合體第三態(tài)生成過程。研究還證實(shí)：在弱光下,硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池發(fā)電性能略弱于普通晶體硅太陽電池,主要是由補(bǔ)償硅中高濃度硼氧復(fù)合體限制的載流子壽命的注入濃度效應(yīng)引起的；而在高溫下,硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池發(fā)電性能優(yōu)于普通晶體硅太陽電池,主要?dú)w因于補(bǔ)償硅中少子遷移率隨溫度變化較低的波動性。 (3)研究揭示了兩種不同的補(bǔ)償度對晶體硅及太陽電池性能的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：在相同硼濃度下,隨補(bǔ)償度增加,空穴遷移率顯著下降,而電子遷移率幾乎保持不變,補(bǔ)償硅中由硼元素和金屬雜質(zhì)限制的載流子壽命均增加使得少子擴(kuò)散長度增加,短路電流得到了大幅提升,而開路電壓由于減少的凈摻雜濃度和增加的過剩載流子濃度對其相反的效應(yīng)先下降后增加,最終太陽電池效率隨補(bǔ)償度增加而增加。在相同凈摻雜濃度下,隨補(bǔ)償度增加,空穴和電子遷移率均顯著下降,使得少子擴(kuò)散長度減小,導(dǎo)致短路電流顯著減少,而開路電壓由于漏電流的減小得到輕微提升,最終太陽電池效率隨補(bǔ)償度增加而輕微地減小,但此時的高補(bǔ)償度太陽電池在高溫下具有更優(yōu)異的發(fā)電性能。 (4)研究了新型的n型硼磷補(bǔ)償晶體硅背發(fā)射結(jié)太陽電池的性能。實(shí)驗(yàn)指出：鋁合金化發(fā)射結(jié)深度對背發(fā)射結(jié)太陽電池開路電壓有非常大的影響,較淺的發(fā)射結(jié)深度可能會導(dǎo)致漏流通道進(jìn)而嚴(yán)重限制開路電壓。背發(fā)射結(jié)太陽電池短路電流主要被n型補(bǔ)償硅中的中等少子擴(kuò)散長度所限制,中等少子擴(kuò)散長度主要來源于n型補(bǔ)償硅中較高的凈摻雜濃度和摻雜劑總量。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,PC1D模擬計(jì)算表明：使用較薄的n型補(bǔ)償硅片可以大幅提高背發(fā)射結(jié)太陽電池短路電流,從而能有效提高電池效率。 【關(guān)鍵詞】：晶體硅太陽電池 硼磷補(bǔ)償 補(bǔ)償度 電池效率 光衰減 弱光效應(yīng) 溫度系數(shù) 鋁合金化背發(fā)射結(jié)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-13
• 第一章 前言13-17
• 第二章 文獻(xiàn)綜述17-41
• 摘要17
• 2.1 引言17-18
• 2.2 太陽電池用多晶硅原材料的制備技術(shù)18-22
• 2.2.1 西門子法18-19
• 2.2.2 硅烷法19-20
• 2.2.3 物理冶金法20-21
• 2.2.4 其他方法21-22
• 2.3 太陽電池的工作原理及其制備22-27
• 2.3.1 太陽電池工作原理22-26
• 2.3.2 晶體硅太陽電池的制備26-27
• 2.4 晶體硅太陽電池中的光衰減效應(yīng)27-38
• 2.4.1 光衰減缺陷成分及電學(xué)特性27-30
• 2.4.2 補(bǔ)償晶體硅中硼氧復(fù)合體特性30-34
• 2.4.3 硼氧復(fù)合體的第三態(tài)34-37
• 2.4.4 抑制硼氧復(fù)合體的措施37-38
• 2.5 目前尚存在的問題38-41
• 第三章 實(shí)驗(yàn)樣品與研究方法41-49
• 摘要41
• 3.1 實(shí)驗(yàn)樣品41-43
• 3.1.1 直拉硅單晶的生長41
• 3.1.2 樣品制備41-42
• 3.1.3 太陽電池制備42-43
• 3.2 研究方法及測試設(shè)備43-49
• 3.2.1 微波光電導(dǎo)衰減儀(MW-PCD)44
• 3.2.2 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)儀(QSSPC)44-45
• 3.2.3 光致熒光光譜儀(PL)45-46
• 3.2.4 霍爾效應(yīng)測試儀(HALL)46-47
• 3.2.5 太陽電池效率測試儀47
• 3.2.6 太陽電池仿真計(jì)算軟件PC1D47-49
• 第四章 硼磷補(bǔ)償晶體硅的基本性質(zhì)研究49-63
• 摘要49
• 4.1 引言49-50
• 4.2 實(shí)驗(yàn)50-52
• 4.2.1 補(bǔ)償晶體硅中硼和磷濃度的測量50
• 4.2.2 硼磷補(bǔ)償晶體硅光致發(fā)光的測量50-51
• 4.2.3 硼磷補(bǔ)償晶體硅載流子壽命的測量51
• 4.2.4 硼磷補(bǔ)償晶體硅載流子遷移率的測量51-52
• 4.3 硼磷補(bǔ)償摻雜對晶體硅分凝系數(shù)影響的研究52-53
• 4.4 硼磷補(bǔ)償摻雜對晶體硅光致發(fā)光性能影響的研究53-57
• 4.5 硼磷補(bǔ)償摻雜對晶體硅載流子壽命影響的研究57-58
• 4.6 硼磷補(bǔ)償摻雜對多子少子遷移率影響的研究58-62
• 4.7 本章小結(jié)62-63
• 第五章 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池性能的研究63-87
• 摘要63
• 5.1 引言63-64
• 5.2 實(shí)驗(yàn)64-66
• 5.2.1 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的制備64-65
• 5.2.2 光衰減測試65
• 5.2.3 硼氧復(fù)合體第三態(tài)回復(fù)測試65
• 5.2.4 弱光效應(yīng)測試65-66
• 5.2.5 溫度系數(shù)測試66
• 5.3 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的初始效率研究66-71
• 5.4 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的光衰減效應(yīng)研究71-73
• 5.5 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池中硼氧復(fù)合體第三態(tài)回復(fù)的研究73-77
• 5.6 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的弱光效應(yīng)研究77-82
• 5.7 硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的溫度系數(shù)研究82-85
• 5.8 本章小結(jié)85-87
• 第六章 補(bǔ)償度對硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池的性能影響研究87-109
• 摘要87
• 6.1 引言87-88
• 6.2 實(shí)驗(yàn)88
• 6.3 相同硼濃度下補(bǔ)償度對硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池性能影響88-101
• 6.3.1 理論計(jì)算88-99
• 6.3.1.1 不完全電離88-91
• 6.3.1.2 載流子遷移率91-93
• 6.3.1.3 載流子壽命93-95
• 6.3.1.4 少子擴(kuò)散長度95-96
• 6.3.1.5 太陽電池性能96-99
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證99-101
• 6.4 相同凈摻雜濃度下補(bǔ)償度對硼磷補(bǔ)償晶體硅太陽電池性能影響101-108
• 6.4.1 載流子遷移率102-103
• 6.4.2 少子擴(kuò)散長度103-104
• 6.4.3 短路電流104
• 6.4.4 開路電壓104-105
• 6.4.5 填充因子105-106
• 6.4.6 電池效率106
• 6.4.7 高溫發(fā)電性能106-108
• 6.5 本章小結(jié)108-109
• 第七章 硼磷補(bǔ)償晶體硅背發(fā)射結(jié)太陽電池的性能研究109-117
• 摘要109
• 7.1 引言109
• 7.2 實(shí)驗(yàn)109-111
• 7.3 太陽電池性能表征及提升效率因素探討111-116
• 7.4 本章小結(jié)116-117
• 第八章 總結(jié)117-119
• 參考文獻(xiàn)119-133
• 致謝133-135
• 個人簡歷135-136
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其它研究成果136-137

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