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基本信息

項(xiàng)目名稱：
硅薄膜太陽(yáng)電池關(guān)鍵材料制備技術(shù)研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
提高硅基薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率是降低其成本的關(guān)鍵。而高速、高性能硅薄膜材料是制備高效電池的關(guān)鍵。對(duì)于高性能硅薄膜材料的研究主要是從實(shí)驗(yàn)的角度展開(kāi)，但是從理論角度開(kāi)展的研究嚴(yán)重不足。本文對(duì)沉積過(guò)程的復(fù)雜的電子-分子、電子-自由基、電子-離子碰撞過(guò)程，復(fù)雜的汽相反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立模型，然后通過(guò)數(shù)值模擬，得到影響硅基薄膜材料性能的關(guān)鍵因素，該結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，并得到了肯定。
詳細(xì)介紹：
進(jìn)入21世紀(jì)，解決能源短缺成為世界共同關(guān)心的一項(xiàng)重要課題。太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，具有解決能源短缺的潛力。上世紀(jì)70年代以來(lái)，各國(guó)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的研究日益增多，部分產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是同水電等相比，太陽(yáng)電池成本偏高，因此開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)電池以降低成本是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)難題。2000年以來(lái)對(duì)硅基薄膜電池的研究，使人們深信太陽(yáng)光發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定能夠?qū)l(fā)電成本降低到常規(guī)發(fā)電成本。 硅基薄膜電池制備技術(shù)存在的科學(xué)難題是在高速沉積條件下保持高性能的材料，這些性能包括材料的微觀結(jié)構(gòu)和光電性能。高速沉積和高性能是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體，目前日本的Cando教授、德國(guó)的Shah教授和中國(guó)趙穎教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)其做了較為深入的研，但研究主要是從實(shí)驗(yàn)的角度或者機(jī)理分析的角度出發(fā)。 本文從沉積過(guò)程的汽相反應(yīng)出發(fā)，通過(guò)構(gòu)建穩(wěn)態(tài)甚高頻SiH4/H2等離子體放電中成膜基團(tuán)SiH3、SiH2、H密度表達(dá)式，結(jié)合可加性原則求出解散射總截面，建立了等離子體輝光放電模型.經(jīng)過(guò)數(shù)值求解，給出在一定沉積條件下SiH3、SiH2、H的密度隨沉積參量的變化曲線.從微觀上解釋了硅薄膜沉積速率和晶化率變化的本質(zhì)原因，為制備高性能微晶硅薄膜電池材料提供一定理論指導(dǎo)，深化了對(duì)高速沉積和高性能矛盾的兩個(gè)方面的理解。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

從制備過(guò)程出發(fā)，對(duì)化學(xué)氣相沉積進(jìn)行數(shù)值模擬，尋找影響太陽(yáng)能電池關(guān)鍵材料本征層微晶硅的主要因素，得到SiH3、H、離子濃度、電子濃度對(duì)材料光電性能影響很大；通過(guò)優(yōu)化選擇沉積參數(shù)如壓強(qiáng)、溫度、流量、電源功率和頻率可以得到具備優(yōu)良性能的本征層。優(yōu)良的本征層材料是制備高效太陽(yáng)電池的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

1.本文采用電子與分子碰撞理論對(duì)硅烷/氫氣等離子體放電進(jìn)行模擬，涉及到物理、化學(xué)和材料交叉學(xué)科，理論上有一定的難度。 2.不同于以往的X射線掠角衍射法和原子力顯微鏡法對(duì)薄膜生長(zhǎng)進(jìn)行唯象研究，本文從理論角度對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析，找到了影響硅薄膜微觀結(jié)構(gòu)的本質(zhì)因素： SiH3濃度、H濃度以及正離子濃度。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

通過(guò)優(yōu)化選擇沉積參數(shù)來(lái)制備性能優(yōu)良的微晶硅薄膜電池本征層。本征層是太陽(yáng)電池的核心層，該層材料決定著太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率高低和壽命的長(zhǎng)短。高效、長(zhǎng)壽命的微晶硅薄膜電池能夠把太陽(yáng)電池的成本降到0.1-0.2元/度，這與水力發(fā)電和煤發(fā)電成本相當(dāng)，具有取代常規(guī)能源的潛力。

學(xué)術(shù)論文摘要

通過(guò)構(gòu)建穩(wěn)態(tài)甚高頻SiH4/H2等離子體放電中成膜基團(tuán)SiH3、SiH2、H密度表達(dá)式，結(jié)合可加性原則求出解散射總截面，建立了等離子體輝光放電模型。經(jīng)過(guò)數(shù)值求解，給出在一定沉積條件下SiH3、SiH2、H的密度隨沉積參量的變化曲線。從微觀上解釋了硅薄膜沉積速率和晶化率變化的本質(zhì)原因，為制備高質(zhì)量本證微晶硅材料提供一定理論指導(dǎo)。

獲獎(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

[1] 文書堂，張紅衛(wèi)，張麗偉，陳改榮，盧景霄.SiH4 /H2等離子體氣相生長(zhǎng)硅薄膜的動(dòng)力學(xué)模型.物理學(xué)報(bào)，2010, 59: 4901-4910 [2] Shutang Wen, Liwei Zhang, Jingxiao Lu, Yuxiao Li, and Zhiyong Du. Effects of silyl concentration, hydrogen concentration, ion flux, and silyl surface diffusion length on microcrystalline silicon film growth. Korean J. Chem. Eng.,2008, 25: 1539-1545 [3]Shutang Wen, Yu Miao, ,Yunhui Wang（王云輝） , Liwei Zhang , Jingxiao Lu ,Xiaoli Feng, Xuejun Guo , ChenHai Shen, Yanhua Xu and Baoshun Li Silicon thin film prepared by PECVD using VHF power in a circular-parallel-plate plasma reactor. Internationnal Journal of Modern Physics B, 2010, 24: 4029-4216 [4] Shutang Wen, Jingxiao Lu , Yu Miao , Haiyan Wang, Hongwei Zhang, and Liwei Zhang. Influence of hydrogen, ion distribution and silyl radical surface diffusion length on silicon thin film growth under high pressure and high power In VHF-PECVD. Modern Physics Letters B, 2008, 22: 1727-1737

同類課題研究水平概述

上世紀(jì)70年代末美國(guó)科學(xué)家在硅烷氣體中加入氫氣改進(jìn)純硅烷輝光放電（又稱硅烷等離子體），制備出了第一個(gè)效率超過(guò)2%的硅薄膜電池。而后大批研究人員做了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)提高硅薄膜電池的效率。到了90年代末，薄膜電池的效率提高到了10%左右，但是這種硅薄膜是非晶結(jié)構(gòu)，存在嚴(yán)重的光致衰退現(xiàn)象。此時(shí)誕生了另外一種薄膜電池，這種電池是由處于納米級(jí)的晶粒和非晶組織混合而成，它能有效的克服光致衰退現(xiàn)象，2000年以后，研究人員轉(zhuǎn)入該領(lǐng)域并為提高薄膜晶化率做了大量實(shí)驗(yàn)工作。 日本IAM的Condo、Matsuda等人在2000年左右提出一個(gè)模型定性解釋了氫氣硅烷輝光放電中的各種自由基對(duì)薄膜晶化率的影響。2006年日本Taoda等人建立了該模型的理論框架，但沒(méi)有解釋諸如等離子體內(nèi)的電子分布函數(shù)，等離子體內(nèi)部數(shù)百種自由基以及自由、基分子之間復(fù)雜的反應(yīng)如何簡(jiǎn)化，因此并沒(méi)有辦法進(jìn)行求解或者數(shù)值模擬。 本文在前期研究的基礎(chǔ)上，解決了上述難題，通過(guò)數(shù)值模擬，得到SiH3、H、離子濃度、電子濃度對(duì)材料光電性能影響很大；通過(guò)優(yōu)化選擇沉積參數(shù)如壓強(qiáng)、溫度、流量、電源功率和頻率可以得到具備優(yōu)良性能的本征層，進(jìn)而提高太陽(yáng)電池的效率。
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