基于隧穿氧化物钝化接触的高效晶体硅太阳电池的研究现状与展望

在当今的光伏市场,晶体硅电池占据超过九成的份额,并且被认为在未来将依旧占据主导地位.在高效晶硅电池中,隧穿氧化物钝化接触太阳电池(tunnel oxide passivated contact solar cell,TOPCon)因其优异的表面钝化效果以及与传统产线兼容性好的优势而受到持续关注.该电池最显著的特征是其高质量的超薄氧化硅和重掺杂多晶硅的叠层结构,对全背表面实现了高效钝化,同时载流子选择性地被收集,具有制备工艺简单、使用N型硅片无光致衰减问题和与传统高温烧结技术相兼容等优点.本文首先介绍了隧穿氧化物钝化接触太阳电池的基本结构和基本原理,然后对现有超薄氧化硅层和重掺杂多晶硅层的制备方式进行了对比,最后在分析研究现状基础上指出了该电池未来的研究方向.

LED作为量子效率仪中单色光的可行性研究

随着LED技术的不断进步,已发展出多种波长的大功率LED,不用昂贵的单色仪,而采用各种波长的LED作为单色光来制造量子效率仪;也不需要旋转滤色片轮切换滤色片来避免光栅单色仪中高级次光谱的影响。LED作为单色光,可实现无机械运动、测量速度快、故障率低的优点。多只LED焊接在PCB上形成离散型光源,无法采用常规的椭球面反射镜、透镜或凹面反射镜进行汇聚。采用高反射率反射镜片制备成锥形光导管,将离散型光源发出的光汇聚为一个小光斑,可以很好地解决离散型光源汇聚难的问题,同时实现了高的光利用率。通过测量LED的波峰值、半峰宽和稳定性,并与传统的卤素灯和氙灯为光源的传统量子效率仪进行比较,发现单色光的波峰值与量子效率的测量准确性是正相关的,波峰值越高,测量的准确性越高;半峰宽在5.1~9.5nm范围内,半峰宽对测量的准确性没有影响。采用LED、卤素灯和氙灯量子效率仪分别测试同一块太阳电池的量子效率,计算相同波段的积分电流,与世界先进的氙灯量子效率仪相比,相对偏差为0.34%,与卤素灯量子效率仪的相当,说明半峰宽在5.1~55.7nm范围内,测量准确性与半峰宽无明显的相关性;LED的不稳定度为0.4%,介于氙灯和卤素灯之间。从这几个方面来看,LED是可以作为单色光用于量子效率的测试。

免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进展

免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池由于近几年的飞速发展,理论转化效率已达到28%,具有较大的发展空间,引起了人们的重视.由于传统晶硅太阳电池产业存在生产设备成本高、原材料易燃易爆等诸多限制,市场对太阳电池产业低成本、绿色无污染的期待越来越高,极大地增加了免掺杂、非对称异质接触的新型太阳电池研究和开发的必要性.为了进一步加快免掺杂、非对称异质接触晶体硅太阳电池的研究进度,本文对其发展现状进行了综述,着重讨论了过渡金属氧化物(TMO)载流子选择性运输的基本原理、制备技术以及空穴传输层、电子传输层和钝化层对基于TMO构建的免掺杂、非对称异质接触(DASH)太阳电池性能的影响,以期对电池的工作机理、材料选择有更深刻的认识,为新型高效的DASH太阳电池制备提供指导.

热注入法合成PbX(X=S,Se)量子点的结构和性能研究

采用热注入的方法在空气氛围中合成Pb X（X=S,Se）量子点,液体石蜡和磷酸三丁酯（TBP）作为不同的溶剂优化PbSe量子点的合成;使用六甲基二硅硫烷（TMS）作为硫源合成了第一激子吸收峰在900～1500 nm分布的PbS量子点。通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和吸收光谱等测试手段对合成的物质进行成分与光学性能分析表征,对比研究了Ⅳ-Ⅵ族化合物量子点在成核过程中的差异。结果表明在相同的实验条件下PbS量子点的反应条件相对温和,量子限域效应明显;而PbSe量子点的合成对环境的要求更加严苛,反应温度更高,量子点的尺寸分布更宽。

钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高

最近,旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注,主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池,其制备工艺简单、制备成本低且效率高.对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键,进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能.本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究,通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控,获得了相应的优化工艺参数.对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响,其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态,又可以增强P型发射层的暗电导率,提高了前表面场效应钝化效果.通过上述优化,制备出最佳的P-type emitter layer/aSi:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855μs和709 mV,表现出良好的钝化效果.应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池,转换效率达到18.76%,其中开路电压达到681.5 mV,相对于未优化的电池提升了34.3 mV.将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池,对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV,转换效率达到21.24%,证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.

基于N型纳米晶硅氧电子注入层的钙钛矿发光二极管

钙钛矿材料由于其禁带宽度可调、光致发光量子产率高、色纯高等优点,使得其在发光器件上具有巨大的应用潜力.电子注入材料是钙钛矿发光器件中的重要组成部分,特别是n-i-p型发光器件,其直接影响后面钙钛矿的生长情况.本文通过向钙钛矿发光二极管中引入一种新型电子注入材料,n型纳米晶硅氧(n-ncSiOx:H)借助于n-nc-SiOx:H薄膜平滑的表面,有效地提高了沉积钙钛矿薄膜的结晶质量,同时其能带结构更加匹配,有效地降低了电子的注入势垒.为了进一步提升器件性能,向钙钛矿材料中引入合适比例的甲基溴化胺(MABr)、氯苯反溶剂中引入一定量的苯甲胺(PMA),通过MABr和PMA的协同作用提高了钙钛矿薄膜的覆盖率,降低了钙钛矿薄膜表面的缺陷密度,抑制了钙钛矿薄膜退火过程中的发光猝灭,最终获得了最大电流效率为7.93 cd·A^-1、最大外量子效率为2.13%的n-i-p型钙钛矿发光二极管.

硅异质结太阳电池中钝化层和发射层的优化设计

本征钝化层及p型发射层对硅异质结太阳电池的性能具有重要的影响.本文在常规钝化层与晶硅衬底(c-Si)之间插入一层低功率、高氢稀释比沉积的超薄缓冲层,以此来提高钝化效果,并拓宽钝化层工艺窗口.此外,设计并制备了具有宽带隙、高电导特性的重掺杂纳米晶硅/轻掺杂p型双层复合发射极.实验结果表明,双层钝化层具有更加稳定与优异的钝化效果,钝化样品的少子寿命达到4.197 ms,隐含开路电压(implied-VOC,iVOC)达到726 mV.同时双层复合发射层中,轻掺杂的掺杂层可以减弱掺杂剂向本征钝化层的扩散,保证良好的钝化效果,而重掺杂的掺杂层不仅能够提供足够的内建电场,而且可以改善掺杂层与氧化铟锡薄膜的接触特性,进而提升电池的输出特性.并且高氢稀释比的前掺杂层还可以对钝化层起到氢处理的作用,减少钝化层表面的悬挂键,从而增强化学钝化效果,进而提高电池的开路电压.最终,基于商业化制绒的硅片,获得了效率达到20.96%的硅异质结太阳电池,其中开路电压为710 mV,短路电流密度为39.88 mA/cm^(2),填充因子为74.02%.

钙钛矿太阳电池外量子效率模拟与优化

使用拟合(FAPbI 3) 1- x (MAPbBr 3) x 钙钛矿太阳电池器件每层材料的透射、反射曲线的方式获取材料真实光学常数以进行外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)模拟,所得结果与实际测得EQE曲线相比误差低于1%。由此分析了器件中各层薄膜材料的光学损失并针对器件中透明导电电极、电子传输层以及钙钛矿吸收层进行厚度优化,掌握了透明电极、电子传输层和钙钛矿吸收层对器件性能的影响规律。该模拟研究可有效减少实验量,为快速获得高性能器件提供了一定的指导。

太阳模拟器用光导管匀光器的研究

辐照强度均匀性是太阳模拟器的一项重要指标,传统的太阳模拟器一般采用光学积分器进行匀光,但是光学积分器具有加工复杂和成本高等问题。传统的光导管一般用于采集太阳光来完成室内照明。采用Tracepro光学软件模拟设计光导管,利用模拟设计结果,制备新型光导管对人造光源进行匀光,应用于太阳模拟器,在直径为Φ100 mm的圆形光斑上,可获得1.98%的辐照强度不均匀性,达到IEC 60904-9标准的A级水平。光导管匀光器具有原理和结构简单、光源利用率高、调节方便等特点。

高光谱匹配LED太阳模拟器的研究

太阳模拟器在太阳电池的Ⅳ特性测试、材料老化、农林育种等领域有着广泛的应用。利用人造光源获得高光谱匹配度一直是太阳模拟器需要解决的难点。LED具有丰富的发光波段,数量和发光强度可调,为实现高光谱匹配度提供了一种解决方案。通过调节每种LED的数量和功率,利用39种91只LED,实现了光谱匹配度最大偏差为4.56%的LED太阳模拟器。采用栅格状球冠型散热器、圆锥型和圆柱型光导管组成的匀光系统,实现了光斑直径为45 mm,辐照强度不均匀度为1.41%,辐照强度不稳定度为1.10%的超AAA级太阳模拟器。

用于太阳模拟器的新型匀光器

辐照强度均匀性是太阳模拟器的一项重要指标,采用光学积分器进行匀光具有设计复杂和成本高等问题。采用三维打印技术制备的模具,将超高效镜面反射片压制为微球面反射镜片,用两片微球面反射镜片和圆筒形光导管组成新型匀光器,利用光的漫反射原理,得到在150 mm直径光斑上的辐照强度不均匀性为1.12%,该结果达到IEC 60904-9的A级水平。新型匀光器具有结构简单、光源利用率高、造价低廉等特点。

基于微凹型球面反射镜片的新型匀光器的研究

采用人造光源获得辐照强度均匀性比较好的光斑,一般采用光学积分器、匀光棒、积分球和光纤等方法。太阳模拟器中辐照强度均匀性是一项重要指标,一般采用光学积分器进行匀光,但是光学积分器具有加工复杂和成本高等问题。采用3D打印技术制备模具,将超高效镜面反射片压制为微凹型球面反射镜片,用2片微凹型球面反射镜片和圆筒形光导管组成新型匀光器,利用光的漫反射原理,在直径为150 mm的光斑上,可获得1.12%的辐照强度不均匀性,达到IEC 60904-9的A级水平。新型匀光器具有结构简单、光源利用率高、造价低廉等特点。

温度和气压对InSb薄膜中Sb/In摩尔比的影响

锑化铟(InSb)作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料广泛应用于红外探测器、霍尔元件等领域。InSb薄膜中Sb/In摩尔比直接影响薄膜的电学、光学等性能。采用真空镀膜方法难以精确控制薄膜中Sb/In摩尔比。采用真空热阻共蒸发的方法制备InSb薄膜,获得不同薄膜温度下InSb薄膜中Sb/In摩尔比与蒸发舟内Sb与In颗粒摩尔比之间的经验公式,真空镀膜的薄膜温度不宜超过200℃。同时,采用高压氮气保护可以有效抑制高温退火后InSb薄膜中Sb的逃逸现象。这为InSb薄膜的真空制备提供了有益的借鉴。

光暗电导真空自动测试系统的研发

准确地测量光伏材料的光暗电导比,对太阳电池的研究有着重要的意义。在真空环境下测量光伏材料的暗态电阻,避光效果好,避免了湿度的影响,提高了测量精度。采用光暗电导真空自动测试系统测量本征非晶硅材料,光电导率为2.98×10-3 S/cm,暗电导率为4.41×10-10 S/cm,光暗电导比可达6.76×106,与常压光暗电导测试系统相比,测量精度显著提高了2.5个数量级。

LED量子效率仪的研究

LED量子效率仪由LED阵列、直流可调稳压电源、PLC、光导管、I-V放大器、数据采集卡、计算机与测试软件组成。与传统量子效率仪相比,利用LED代替氙灯或卤素灯,提供准单色光;利用光导管汇聚光;I-V放大器与数据采集卡代替锁相放大器和斩波器,将太阳电池产生的弱电流信号采集到计算机。未使用单色仪、锁相放大器、斩波器,成本降低;未使用单色仪,测试速度提高,测试时间小于40 s。LED量子效率仪测试结果的不准确度小于0.1%;稳定之后,不稳定度小于0.6%;连续工作9个小时,不重复度小于0.5%。

薄膜型锑化铟霍尔元件芯片测试系统的设计与实现

针对薄膜型锑化铟霍尔元件芯片性能测试,设计了一套霍尔元件芯片测试系统。系统主要由手动探针台、显微镜、探针卡、外加磁场、PLC以及测试软件组成,可以进行霍尔元件芯片的输入和输出电阻、不平衡电压以及霍尔电压的测试。测试系统稳定性好,重复度高,测试误差较小。手动探针台操作简单,测试方便,灵活性强,可分别测试4英寸硅片和3英寸铁氧体衬底制备的薄膜型锑化铟霍尔元件芯片,以较低成本满足了霍尔元件芯片研发过程中芯片测试的需求。