高效径向结太阳能电池工艺研究
摘 要太阳能作为一种可再生能源，具有资源丰富、洁净以及使用方便等优点，是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一。太阳能电池的普及，也慢慢的成为了社会发展的趋势。其中硅基材料太阳能电池占据了光伏市场九成以上的份额，而非晶硅薄膜电池又因为成本低廉、可大规模生产、可分布式应用等优点，在诞生之初就受到了广泛的关注。基于传统平面PIN结构的硅基薄膜电池在追求材料本身优化的策略上已经日益成熟，为了突破平面结构在“光吸收”和“载流子分离”上相互制约的困境，本文利用纳米线结构构建了径向结非晶硅薄膜电池，充分发挥了径向结结构“陷光效应”、共振耦合、降低衰减等优势，从高效径向结太阳能电池的结构特点和工作原理两个角度研究了径向结薄膜电池的性能优化问题，并掌握其制备工艺流程以及了解太阳能电池的测试技术。
Key words：Radial structure；Solar battery；Process 目 录
第一章 绪论 1
1.1太阳能电池简介 1
1.2本课题研究背景和意义 2
1.3论文工作安排 2
第二章 高效径向结太阳能电池的结构特点及原理 3
2.1当前硅基太阳能电池存在的问题 3
2.2径向结太阳能电池的结构特点和原理 3
第三章 高效径向结太阳能电池的制备工艺和测试结果 5
3.1高效径向结太阳能电池的制备工艺流程 5
3.3.1金属热蒸发 5
3.1.2等离子增强化学气相沉积（PECVD）原理及过程 6
3.1.3半导体透明导电膜ITO蒸镀 9
3.2高效径向结太阳能电池的测试方法及结果 10
3.2.1测试方法 10
3.2.2测试结果 10
3.3本章小结 11
第四章 总结与展望 12
致谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1太阳能电池简介
太阳能电池是一种特殊的用半导体硅、硒等材料将太阳的光能变成电能的器件。具有可靠性高，寿命长﹐无污染等优点；它也是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。随着科技的发展
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太阳能电池已经被应用于众多领域，如太阳电池片、交通领域、通信领域、石油、海洋、气象领域等。
目前，市场上按照材料的不同，把太阳能电池大致地分为三类，如图11所示：硅基太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和其他的新型太阳能电池。
硅基太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和微晶硅太阳能电池等。化合物薄膜涂层太阳能电池主要包括铜铟（CuInSe2）电池、碲化镉（CdTe）电池、磷化铟(InP)电池、锑化镓(GaSb)电池等等。
图11 目前市场上的太阳能电池分类
其中，硅基电池是目前发展最为成熟的太阳能电池，规模化生产的电池效率以及优越的稳定性使其产量占整个太阳电池市场的90％以上，但存在的一个普遍问题，那就是制造成本偏高。所以，越来越多的人开始研究非晶硅薄膜太阳能电池，因为它具有材料廉价、制备简单等特点。但同时，非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率也是一个值得去突破的领域，如何提高其转换效率也是现在面临的一大问题。
面对上述提到的问题，本课将要研究一种新型的薄膜太阳能电池，我们称之为——径向结纳米线薄膜太阳能电池。它是否可以在非晶硅薄膜太阳能电池的已有优势下突破转换效率底下的缺点呢，让我们一起来研究！
1.2本课题研究背景和意义
随着新世纪的到来，全球经济呈飞速发展的势态，人类对能源的需求量持续增加，在众多能源中，可再生清洁能源的高效利用已经成为建设可持续发展型社会的关键支撑技术。太阳能在近几年慢慢被广大科学家以及大众群体所认可和熟知。太阳能电池的普及，也慢慢的成为了社会发展的趋势。其中以硅基薄膜材料为代表的第二代太阳能光伏技术，为进一步降低光伏能源成本、推广便捷分布式光伏发电提供了关键基础同时，针对日益丰富和多样化的光伏应用发展趋势，以及为适应特殊发电环境和建筑集成的具体需求，硅基薄膜光伏依然是一种不可代替的关键太阳能技术。
然而，受限于非晶/纳米晶硅本身的无序不稳定结构，硅基薄膜电池一直以来在光伏转换效率上无法实现生长平衡过程，因此促进了高效径向结太阳能电池工艺的发展。基于传统平面PIN结构的硅基薄膜电池在追求材料本身优化的策略上已经日益成熟，为了突破平面结构在“光吸收”和“载流子分离”上相互制约的困境，必须在电池构架上寻求新的突破方向来实现所谓“低成本—高效率”的新一代薄膜太阳能电池。在硅基或者其他半导体纳米线结构上淀积和构建径向结薄膜太阳能电池。
径向结太阳能电池的概念提出以来，已经引起了国内外研究人员的广泛关注和研究兴趣，初步的研究成果也进一步证实了其优异的光学减反和增强吸收特性。考虑到硅基薄膜淀积技术的广泛应用和已经在规模化工业生产中的验证，如果能将此革命性的先进径向结薄膜电池技术工艺顺利引入实施，将为新型高效薄膜电池效率打开一个广阔的性能提升空间，从而可能推动一场新的产业升级革命。
1.3论文工作安排
第一章：太阳能电池的简介，包括其分类和发展，并对本论文进行了计划和安排；
第二章：阐述了目前硅基太阳能电池所存在的问题，并通过对径向结太阳能电池结构特点和原理的分析来展现其优势所在；
第三章：详细介绍了制备高效径向结太阳能电池的工艺流程，包括了：金属热蒸发、等离子增强化学气相沉积（PECVD）、半导体透明导电膜ITO蒸镀；另外，对高效径向结太阳能电池进行了测试以及数据的记录；
第四章：总结与展望。
第二章 高效径向结太阳能电池的结构特点及原理
2.1当前硅基太阳能电池存在的问题
当前硅基太阳能电池存在的问题，主要表现为以下四个方面：（1）传统平面太阳能电池的减反层需要进一步改进；（2）高质量硅材料的制备成本普遍很高，而且现在市场上的工艺水平参差不齐，质量问题把关不严，往往导致电池的工艺参数不能满足设计方面的需求；（3）对大部分的硅基太阳能电池来说，及时是具有高能量的光子也只能激发一对“电子空穴”，相当大的能量在内部就早被损失；（4）硅材料单一带隙的特性不能完全符合太阳光谱的范围，所以造成了相当多太阳能量的损失。
2.2径向结太阳能电池的结构特点和原理
对于目前的非晶硅薄膜电池来说，传统平面PIN结构的薄膜电池在材料制备以及工艺优化方面已经逐步形成完整的体系结构。虽然非晶硅太阳能电池有低成本的明显优势，但是其较低的转换效率仍然限制着它的发展。随着纳米技术的飞速发展，目前太阳能电池技术的研究方向就是往器件中引入各种纳米结构以提高光电转换效率，比如纳米管、纳米孔、纳米线、量子点及纳米颗粒等等。其中，最具潜力的技术之一就是在纳米线结构上直接制备太阳能电池。它可以在很大程度上减小材料的损耗，提高“陷光效应”和载流子收集，从而从各方面提高电池转换效率并保持原有的低成本优势。图21(a)给出了淀积在N型纳米线结构上的NIP结构的非晶硅薄膜太阳能电池的截面图。由图可以看到，该电池的结区是包裹在纳米线同轴结构的半径方向，所以被称之为径向结。径向结太阳能电池相对于传统平面电池具有很大的优势，而其中最基本的就是三维纳米线阵列结构的构筑。
Key words：Radial structure；Solar battery；Process 目 录
第一章 绪论 1
1.1太阳能电池简介 1
1.2本课题研究背景和意义 2
1.3论文工作安排 2
第二章 高效径向结太阳能电池的结构特点及原理 3
2.1当前硅基太阳能电池存在的问题 3
2.2径向结太阳能电池的结构特点和原理 3
第三章 高效径向结太阳能电池的制备工艺和测试结果 5
3.1高效径向结太阳能电池的制备工艺流程 5
3.3.1金属热蒸发 5
3.1.2等离子增强化学气相沉积（PECVD）原理及过程 6
3.1.3半导体透明导电膜ITO蒸镀 9
3.2高效径向结太阳能电池的测试方法及结果 10
3.2.1测试方法 10
3.2.2测试结果 10
3.3本章小结 11
第四章 总结与展望 12
致谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1太阳能电池简介
太阳能电池是一种特殊的用半导体硅、硒等材料将太阳的光能变成电能的器件。具有可靠性高，寿命长﹐无污染等优点；它也是一种利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件，又叫光伏器件。随着科技的发展
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太阳能电池已经被应用于众多领域，如太阳电池片、交通领域、通信领域、石油、海洋、气象领域等。
目前，市场上按照材料的不同，把太阳能电池大致地分为三类，如图11所示：硅基太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和其他的新型太阳能电池。
硅基太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和微晶硅太阳能电池等。化合物薄膜涂层太阳能电池主要包括铜铟（CuInSe2）电池、碲化镉（CdTe）电池、磷化铟(InP)电池、锑化镓(GaSb)电池等等。
图11 目前市场上的太阳能电池分类
其中，硅基电池是目前发展最为成熟的太阳能电池，规模化生产的电池效率以及优越的稳定性使其产量占整个太阳电池市场的90％以上，但存在的一个普遍问题，那就是制造成本偏高。所以，越来越多的人开始研究非晶硅薄膜太阳能电池，因为它具有材料廉价、制备简单等特点。但同时，非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率也是一个值得去突破的领域，如何提高其转换效率也是现在面临的一大问题。
面对上述提到的问题，本课将要研究一种新型的薄膜太阳能电池，我们称之为——径向结纳米线薄膜太阳能电池。它是否可以在非晶硅薄膜太阳能电池的已有优势下突破转换效率底下的缺点呢，让我们一起来研究！
1.2本课题研究背景和意义
随着新世纪的到来，全球经济呈飞速发展的势态，人类对能源的需求量持续增加，在众多能源中，可再生清洁能源的高效利用已经成为建设可持续发展型社会的关键支撑技术。太阳能在近几年慢慢被广大科学家以及大众群体所认可和熟知。太阳能电池的普及，也慢慢的成为了社会发展的趋势。其中以硅基薄膜材料为代表的第二代太阳能光伏技术，为进一步降低光伏能源成本、推广便捷分布式光伏发电提供了关键基础同时，针对日益丰富和多样化的光伏应用发展趋势，以及为适应特殊发电环境和建筑集成的具体需求，硅基薄膜光伏依然是一种不可代替的关键太阳能技术。
然而，受限于非晶/纳米晶硅本身的无序不稳定结构，硅基薄膜电池一直以来在光伏转换效率上无法实现生长平衡过程，因此促进了高效径向结太阳能电池工艺的发展。基于传统平面PIN结构的硅基薄膜电池在追求材料本身优化的策略上已经日益成熟，为了突破平面结构在“光吸收”和“载流子分离”上相互制约的困境，必须在电池构架上寻求新的突破方向来实现所谓“低成本—高效率”的新一代薄膜太阳能电池。在硅基或者其他半导体纳米线结构上淀积和构建径向结薄膜太阳能电池。
径向结太阳能电池的概念提出以来，已经引起了国内外研究人员的广泛关注和研究兴趣，初步的研究成果也进一步证实了其优异的光学减反和增强吸收特性。考虑到硅基薄膜淀积技术的广泛应用和已经在规模化工业生产中的验证，如果能将此革命性的先进径向结薄膜电池技术工艺顺利引入实施，将为新型高效薄膜电池效率打开一个广阔的性能提升空间，从而可能推动一场新的产业升级革命。
1.3论文工作安排
第一章：太阳能电池的简介，包括其分类和发展，并对本论文进行了计划和安排；
第二章：阐述了目前硅基太阳能电池所存在的问题，并通过对径向结太阳能电池结构特点和原理的分析来展现其优势所在；
第三章：详细介绍了制备高效径向结太阳能电池的工艺流程，包括了：金属热蒸发、等离子增强化学气相沉积（PECVD）、半导体透明导电膜ITO蒸镀；另外，对高效径向结太阳能电池进行了测试以及数据的记录；
第四章：总结与展望。
第二章 高效径向结太阳能电池的结构特点及原理
2.1当前硅基太阳能电池存在的问题
当前硅基太阳能电池存在的问题，主要表现为以下四个方面：（1）传统平面太阳能电池的减反层需要进一步改进；（2）高质量硅材料的制备成本普遍很高，而且现在市场上的工艺水平参差不齐，质量问题把关不严，往往导致电池的工艺参数不能满足设计方面的需求；（3）对大部分的硅基太阳能电池来说，及时是具有高能量的光子也只能激发一对“电子空穴”，相当大的能量在内部就早被损失；（4）硅材料单一带隙的特性不能完全符合太阳光谱的范围，所以造成了相当多太阳能量的损失。
2.2径向结太阳能电池的结构特点和原理
对于目前的非晶硅薄膜电池来说，传统平面PIN结构的薄膜电池在材料制备以及工艺优化方面已经逐步形成完整的体系结构。虽然非晶硅太阳能电池有低成本的明显优势，但是其较低的转换效率仍然限制着它的发展。随着纳米技术的飞速发展，目前太阳能电池技术的研究方向就是往器件中引入各种纳米结构以提高光电转换效率，比如纳米管、纳米孔、纳米线、量子点及纳米颗粒等等。其中，最具潜力的技术之一就是在纳米线结构上直接制备太阳能电池。它可以在很大程度上减小材料的损耗，提高“陷光效应”和载流子收集，从而从各方面提高电池转换效率并保持原有的低成本优势。图21(a)给出了淀积在N型纳米线结构上的NIP结构的非晶硅薄膜太阳能电池的截面图。由图可以看到，该电池的结区是包裹在纳米线同轴结构的半径方向，所以被称之为径向结。径向结太阳能电池相对于传统平面电池具有很大的优势，而其中最基本的就是三维纳米线阵列结构的构筑。
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