基本信息
- 项目名称：
- 硅薄膜太阳电池关键材料制备技术研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 提高硅基薄膜太阳电池的光电转化效率是降低其成本的关键。而高速、高性能硅薄膜材料是制备高效电池的关键。对于高性能硅薄膜材料的研究主要是从实验的角度展开，但是从理论角度开展的研究严重不足。本文对沉积过程的复杂的电子-分子、电子-自由基、电子-离子碰撞过程，复杂的汽相反应过程进行简化并建立模型，然后通过数值模拟，得到影响硅基薄膜材料性能的关键因素，该结果已经应用于实验，并得到了肯定。
- 详细介绍：
- 进入21世纪，解决能源短缺成为世界共同关心的一项重要课题。太阳能取之不尽、用之不竭，具有解决能源短缺的潜力。上世纪70年代以来，各国对太阳能发电的研究日益增多，部分产品已经产业化。但是同水电等相比，太阳电池成本偏高，因此开发新型太阳电池以降低成本是当今科学技术上的一项难题。2000年以来对硅基薄膜电池的研究，使人们深信太阳光发电在不远的将来一定能够将发电成本降低到常规发电成本。 硅基薄膜电池制备技术存在的科学难题是在高速沉积条件下保持高性能的材料，这些性能包括材料的微观结构和光电性能。高速沉积和高性能是一个矛盾的统一体，目前日本的Cando教授、德国的Shah教授和中国赵颖教授领导的研究小组对其做了较为深入的研，但研究主要是从实验的角度或者机理分析的角度出发。 本文从沉积过程的汽相反应出发，通过构建稳态甚高频SiH4/H2等离子体放电中成膜基团SiH3、SiH2、H密度表达式，结合可加性原则求出解散射总截面，建立了等离子体辉光放电模型.经过数值求解，给出在一定沉积条件下SiH3、SiH2、H的密度随沉积参量的变化曲线.从微观上解释了硅薄膜沉积速率和晶化率变化的本质原因，为制备高性能微晶硅薄膜电池材料提供一定理论指导，深化了对高速沉积和高性能矛盾的两个方面的理解。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 从制备过程出发，对化学气相沉积进行数值模拟，寻找影响太阳能电池关键材料本征层微晶硅的主要因素，得到SiH3、H、离子浓度、电子浓度对材料光电性能影响很大；通过优化选择沉积参数如压强、温度、流量、电源功率和频率可以得到具备优良性能的本征层。优良的本征层材料是制备高效太阳电池的关键点之一。
科学性、先进性及独特之处
- 1.本文采用电子与分子碰撞理论对硅烷/氢气等离子体放电进行模拟，涉及到物理、化学和材料交叉学科，理论上有一定的难度。 2.不同于以往的X射线掠角衍射法和原子力显微镜法对薄膜生长进行唯象研究，本文从理论角度对物理现象进行分析，找到了影响硅薄膜微观结构的本质因素： SiH3浓度、H浓度以及正离子浓度。
应用价值和现实意义
- 通过优化选择沉积参数来制备性能优良的微晶硅薄膜电池本征层。本征层是太阳电池的核心层，该层材料决定着太阳电池的转换效率高低和寿命的长短。高效、长寿命的微晶硅薄膜电池能够把太阳电池的成本降到0.1-0.2元/度，这与水力发电和煤发电成本相当，具有取代常规能源的潜力。
学术论文摘要
- 通过构建稳态甚高频SiH4/H2等离子体放电中成膜基团SiH3、SiH2、H密度表达式，结合可加性原则求出解散射总截面，建立了等离子体辉光放电模型。经过数值求解，给出在一定沉积条件下SiH3、SiH2、H的密度随沉积参量的变化曲线。从微观上解释了硅薄膜沉积速率和晶化率变化的本质原因，为制备高质量本证微晶硅材料提供一定理论指导。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 文书堂，张红卫，张丽伟，陈改荣，卢景霄.SiH4 /H2等离子体气相生长硅薄膜的动力学模型.物理学报，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（王云辉） , 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
同类课题研究水平概述
- 上世纪70年代末美国科学家在硅烷气体中加入氢气改进纯硅烷辉光放电（又称硅烷等离子体），制备出了第一个效率超过2%的硅薄膜电池。而后大批研究人员做了大量实验来提高硅薄膜电池的效率。到了90年代末，薄膜电池的效率提高到了10%左右，但是这种硅薄膜是非晶结构，存在严重的光致衰退现象。此时诞生了另外一种薄膜电池，这种电池是由处于纳米级的晶粒和非晶组织混合而成，它能有效的克服光致衰退现象，2000年以后，研究人员转入该领域并为提高薄膜晶化率做了大量实验工作。 日本IAM的Condo、Matsuda等人在2000年左右提出一个模型定性解释了氢气硅烷辉光放电中的各种自由基对薄膜晶化率的影响。2006年日本Taoda等人建立了该模型的理论框架，但没有解释诸如等离子体内的电子分布函数，等离子体内部数百种自由基以及自由、基分子之间复杂的反应如何简化，因此并没有办法进行求解或者数值模拟。 本文在前期研究的基础上，解决了上述难题，通过数值模拟，得到SiH3、H、离子浓度、电子浓度对材料光电性能影响很大；通过优化选择沉积参数如压强、温度、流量、电源功率和频率可以得到具备优良性能的本征层，进而提高太阳电池的效率。
