MIS場效應太陽能電池的制備及其光電特性研究.pdf

1、在21世紀，能源危機將成為全人類必須共同面對的世界難題之一。太陽能因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展而得到廣泛關注。現有的太陽能電池主要以p-n結為基礎，其表面的重摻雜區(qū)域具有很高的非平衡載流子復合幾率，導致短波的光譜響應較差。而場效應太陽能電池利用場效應方式實現光伏效應，可改善電池的短波光譜響應。但目前場效應太陽能電池存在著工藝要求高和柵功耗等問題，導致其轉換效率通常比p-n結太陽能電池要低。為此，本文圍繞著MIS場效應太陽能電池的理論計算、器

2、件工藝及其光電特性進行了系統(tǒng)的研究，主要工作內容包括:在理論上，計算出在理想情況下MIS場效應太陽能電池在工作狀態(tài)下的表面特性和輸出特性;在實驗上，針對MIS場效應太陽能電池所涉及的結構設計、工藝流程和材料選擇等進行探索，制備了幾種采用不同柵介質材料的Si基MIS場效應太陽能電池，測試和分析了光電特性，并提出了降低場效應太陽能電池的工藝要求和柵功耗的方法。本論文的主要成果和創(chuàng)新點為:
　　1.在理論上，本文根據泊松方程及電流連續(xù)性

3、方程，采用Matlab數值方法，在不考慮MIS結構泄漏電流的理想情況下，計算出MIS場效應太陽能電池在工作狀態(tài)下的表面特性和輸出特性:表面的方塊電阻隨外加柵電壓的增大而減小，而光照對其的影響可忽略不計;以p-Si/SiO2(100 nm)結構（無背場）為例，當柵電壓設為+100 V時，隨著Si襯底摻雜濃度從1012cm-3增大到1018 cm-3，短路電流密度由35.79 mA/cm2減小到26.99 mA/cm2，開路電壓由0.466

4、 V增大到0.719 V，填充因子由70.5％增大到78.2％，轉換效率則先由12.2％增大到18.8％再減小到15.8％，當Si襯底摻雜濃度為1016cm-3時，轉換效率達到最大值18.8％。
　　2.在結構上，本文提出一種MIS場效應太陽能電池的上電極結構:將原先置于柵下的上電極與柵電極在電池表面錯開排列，并首次制備出具有此結構的Si基MIS場效應太陽能電池。由于在上電極附近存在柵屏蔽效應，場效應太陽能電池通常采用納米尺寸(n

5、m)的上電極。而采用本文的上電極結構能夠將上電極附近的柵屏蔽效應降低到最小，且將上電極的尺寸由納米量級(nm)提高到微米量級(μm)，降低了場效應太陽能電池的工藝要求。
　　3.在實驗上，本文選用了Si02、HfO2和a-C:H分別作為柵介質來制備Si基MIS場效應太陽能電池，結果表明:MIS場效應太陽能電池在350～500 nm波段的IQE與p-n結太陽能電池提高約30.5％，具有更好的短波光譜響應;通過將SiO2的厚度由100

6、nm減小到20 nm或采用相對介電常數為15.95的HfO2來代替SiO2的方法，均能將柵功耗減小到最大輸出功率以下，最大轉換效率分別為3.9％和6.4％，而采用相對介電常數為5.5的a-C:H材料代替SiO2柵獲得的最大轉換效率僅為2.6％，且隨著柵電壓增大而持續(xù)減小。因此，我們認為需進一步提高柵介質的介電常數，以降低柵功耗，能有效提高轉換效率。
　　4.在實驗上，我們發(fā)現了采用透明電極的MIS結構在光照后的絕緣層泄漏電流顯著增

7、大，尤其是處于反型狀態(tài)時產生明顯的光電導。通過測試MIS結構在光照前后的變溫I-V特性并進行線性擬合，本文研究了MIS場效應太陽能電池在光照前后的柵漏電機制變化，結果表明:(1)在無光照時，柵介質層載流子輸運機制是以Schottky發(fā)射為主，柵泄漏電流與溫度有很強的依賴關系，取決于金屬-絕緣體和絕緣體-半導體這兩個界面的勢壘高度。對于Si/SiO2(20nm)的MIS結構:當外加正向柵電壓時，Schottky發(fā)射的勢壘高度約為0.32