钴掺杂的非晶碳膜/硅异质结的光伏性能研究

论文总字数：11407字

摘 要

本文研究了掺钴非晶碳膜/硅异质结的制备与光伏特性。首先，采用脉冲激光沉积技术在N型硅基片上制备掺钴的非晶碳膜。通过拉曼光谱研究了碳膜的非晶结构，在激光照射下测试其I-V曲线研究了非晶碳膜/硅异质结的光伏特性。光伏效应随着温度上升而增强，当温度高于270K时，温度对样品光伏特性的影响变弱，表明样品正常工作的温度范围较宽。而传统的光伏器件总是在低温下才展现出更好的光伏特性。为此，样品与传统的光伏器件相比，更适于在温度变化较大的复杂工作环境下工作。

关键词：掺钴非晶碳膜，脉冲激光沉积，拉曼光谱，光伏特性

Abstract：In this thesis, we study the preparation and photovoltaic properties of cobalt doped amorphous carbon film/ silicon heterojunctions. First of all, cobalt doped amorphous carbon films were deposited   on N - type silicon substrates using pulsed laser deposition technique.  Then, we studied the structure of amorphous carbon films by Raman spectroscopy, and their photovoltaic properties through I-V  curves measurement under laser irradiation. Photovoltaic effect is enhanced with the rise of temperature. When the temperature is higher than 270K, the influence of temperature on the photovoltaic properties of the samples becomes weak, which shows that the range of temperature for normal work is very wide. And traditional photovoltaic devices always show better photovoltaic properties at low temperature. Therefore, compared with the traditional photovoltaic devices our samples are more suitable in complex environment. 

Key words: cobalt doped amorphous carbon film, pulsed laser deposition, Roman spectra, photovoltaic properties

目录

1 绪论 5

2 非晶碳膜的制备与结构 7

2.1脉冲激光沉积 7

2.2 非晶碳膜的制备 9

2.3 拉曼散射分析非晶碳膜结构的原理 10

3 非晶碳膜的结构与光伏特性表征 11

3.1 非晶碳膜的结构分析 11

3.2 非晶碳膜的光伏性质 12

结论 14

参考文献 15

致谢 16

1、 绪论

太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换为电能的特点，因而它不仅成为航天工业上的重要能源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们的日常生活中。

典型的太阳能电池本质是一个半导体二极管(PN结) , 它利用光生伏特效应原理把太阳能转换为电能。即用光照射半导体的PN结就可以产生这种效应。基于光伏效应的光伏技术的研究始于100多年前。1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔意外发现的，用两片金属浸入到溶液中可以构成伏特电池，光照时会产生额外的伏特电势。1873年，英国科学家Wiloughby Smith观察到硒材料对光敏感，并且推断出在光的照射下，硒导电能力的增加量正比于光通量。1880年，Charles Fritts开发出以硒为基础的太阳能电池。20世纪30年代，虽然太阳能电池能量转换效率低，生产成本高，但科学家致力于硒太阳能电池的研究。20世纪50年代初光电转换效率为6%的实用单晶，美国贝尔实验室在为远程通讯系统寻找可靠的电源时，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年，在贝尔实验室恰宾和皮尔怂，第一次做出了硅太阳能电池，开创了光伏发电的新纪元。1995年，以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

太阳能电池在没有光照的情况下，结型半导体的P型区和N型区中，由于空穴对浓度、电子浓度都分别比另一区域大，产生了浓度梯度而出现了载流子的扩散，使得N区和P区分别积累了一定数量的空穴和电子，从而在材料内部出现內电场，方向由N区指向P区，形成势垒并能阻止空穴和电子进一步移动，最终达到一个平衡状态。当光照射到材料上，只要光子能量大于材料的禁带宽度，就可能激发出电子-空穴对，原有的平衡状态被打破，出现新的电荷运动。在P区产生的电子扩散到结区边界的机会比较大，并在电场作用下加速移动，穿过势垒到达N区，产生积累。同样，N区产生的空穴也以同样的方式移动到P区，这样，较多的正电荷就积累在了p区，较多的负电荷积累在了N区，使得势垒高度降低，相当于在PN结上加了一个正向电压，这种由于光照而在PN结两端出现的电动势称为光生电动势。这就是光生伏特效应，简称光伏效应。这种电动势是以光照为基础的，一旦光照消失，光生电动势也就不复存在。

目前，开发的太阳能电池的种类有很多，但是其光电转换效率普遍偏低，尤其是对于军事武器装备、航空航天发展等军事与空间应用等领域，其光电转换效率是太阳能电池最为重要的指标。为了提高效率，人们不断研究开发新的高效材料，改进和开发新的太阳能光电池材料的制备技术, 从而改进材料本身结构性能用来提高太阳能光电池材料的光电转换效率。提高太阳能电池效率主要有如下三个方面。一、寻找光电转换新材料。近期，科学家正在研究一种新型金属纳米颗粒材料，与传统的光学材料相比，这种物质能更好地捕获太阳能能量。这种纳米金杯状屋主要在两个方向上与光线发生作用，这种特性能产生更独特更有趣的光学效应。二、太阳能电池加工技术创新。 RISE加工程序是激光加工技术中最关键的技术。目前，许多厂商都在生产中使用的激光加工技术在硅基太阳能电池。如使用激光技术槽埋栅的，即在硅表面上的利用激光技术凹槽，然后填充到金属与栅极的前表面上的电接触的作用。电镀金属层的标准的前表面相比，该技术的优点是可以减少阴影损失。据美国“技术评论”网站报道，美国麻省理工学院（ MIT）的科学家萨克斯等，发明了可以利用很细的银制备技术 - 只有五分之一的太阳能电池的直径通常用于银，同时也提高了导电性。越细的银时，较低的制造成本。与普通银相比，足银可以更密集，彼此，这使得更有效的电流收集银间距较小。第三，聚光技术。由会聚会聚光学元件，大大提高了光电转换效率和降低电池的尺寸形成的光伏电池，同时由于小尺寸电池可以利用现有集成电路制作工艺来加工，从而使太阳能光伏发电总体成本大幅度降低。聚光是降低光伏电池利用总成本的一种措施。通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内形成“焦斑”或“焦带”，并将光伏电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能密度低的缺陷，获得更多的电能输出。集成高聚光光伏技术是现有实用的各种光伏技术中发电成本最低的一种。

有文献^[1]报道了非晶碳膜/硅异质结具有光伏效应，该光伏器件有望取代目前广泛使用的多晶硅和单晶硅太阳能电池。因为碳元素是其中一个少数自远古就被发现的元素，碳的丰度是在地球的地壳中排列为第15，并且在全宇宙中排列为第4。碳的无数化合物是我们日常生活中必不可少的物质，产品有尼龙、汽油、香水、塑料、鞋油、滴滴涕和炸药等，范围广泛种类繁多。三种最为常见的碳元素异形体为非晶碳、石墨和钻石。富勒烯曾是新发现的奇异物质，但如今已经大量生产和研究。富勒烯包括巴基球、碳纳米管、碳纳米芽、和碳纳米纤维等。这些同素异形体之间的物理性质具有极大的差异，包括外表、硬度、熔点和电导率等。

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