1、项目可行性报告项 目 名 ： Si/SiO2 超 晶 格 结 构 太 阳 能 电 池 的 制 备申 请 书 正 文一 立 项 的 背 景 和 意 义随着社会的发展，煤炭、石油等不可再生资源日益减少，寻找和开发新能源成为当前人类面临的迫切课题，不可再生能源在使用过程中对生态环境的影响也不断引起人们的关注。太阳能具有无污染，资源普遍和永不枯竭等特点，该能源符合当今世界环境保护和可持续发展的要求和趋势。太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的装置。从上世纪 70 年代起，许多国家对太阳能光伏发电给予越来越大关注，世界光伏产业以 31.2的平均年增长率高速发展，已成为最受关注，增长幅
2、度最快的产业之一 1。目前，全世界总共有 23 万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为 7MW，日本也建成了发电功率达 1MW 的光伏发电厂。我国拥有丰富的太阳能资源。据统计，每年我国陆地接收的太阳辐射总量，相当于 24000 亿吨标煤，全 国总面积三分之二地区年日照时间都超过 2000 小时，特别是西北一些地区超过 3000 小时。这为我国大力开发太阳能资源提供了可能。而浙江属于日照量四类地区，年日照时间为1400 2200 小时，年太阳辐射能为 1280 千瓦时平方米。目前，浙江省光伏发
3、电主要应:用与照 明领域，如交通灯、庭院灯、茶园振频式杀虫灯、草坪灯、小区或村庄路灯。我省宁波太阳能电源有限公司是我国最早的和主要的光伏生产企业，主要利用单晶硅绒面技术生产太阳能电池组件及其应用系列产品，年生产能力达 20 兆瓦。但对于利用多晶硅技术生产太阳能硅片，我省则刚处于起步阶段，有巨大的发展潜力。早在 1839 年，科学家们已经开始研究光生伏特效应。二十世纪 50 年代，太阳能利用领域出现两项重大突破，1954 年美国贝尔实验室研制出 6的实用型单晶硅电池，1955 年以色列 Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论并成功研制选择性太阳吸收涂层。这两项突破是太阳能利用进入现代发展时期的
4、划时代标志 2。仅仅经过 40 多年的时间，太阳能发电已成为空间卫星的基本电源和地面无电少电地区及某些特殊领域的重要电源。第一代太阳能电池采用单晶硅，目前 80%以上的民用太阳能电池都由其制成。单晶硅太阳电池批量生产的效率在 16%左右，在严格的实验室工艺条件下最高可达到 24.7。但是加工步骤复杂，电耗大，需要大量高纯 Si 原料导致生产第一代太阳能电池的成本很高。为了降低成本，除了对硅片的加工工艺进行改进外，研究人员也尝试使用廉价的衬底，再在其上沉积有光电活性的涂层，这便形成了第二代太阳能电池（如非晶硅（a-Si） ，多晶硅（poly-Si） ，碲化镉（CdTe）以及铜铟硒化合物（CIS）
5、 ） 3。由于第二代太阳能电池是基于薄膜技术之上的一种太阳能电池，因而大大地减小了半导体材料的消耗（薄膜厚度仅为 1 微米） ，也容易批量生产（其单元面积为第一代太阳电池单元面积的 100 倍） ，从而极大地降低了太阳能电池的成本，薄膜电池在很大程度上解决了太阳能电池的成本问题，成为当前国际研究开发的重点方向，但是薄膜电池效率很低。目前商用薄膜电池的光电转换效率只有 6 8。只:有当制约太阳能电池发展的技术障碍（如薄膜材料的质量，大面积薄膜均匀性，可靠性，稳定性和薄膜生长速率）得到突破以后，大幅度降低太阳能电池的成本才能变为现实。同时，光电转换效率的提高也是降低太阳能电池的成本的一个关键因素。
6、因此，澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念，目前第三代太阳能电池主要还在进行概念和简单实验研究。第三代太阳能电池主要有前后重叠电池、多能带电池、热太阳能电池、热载流子电池、冲击离子化太阳能电池和量子阱太阳能电池。目前，量子阱半导体太阳能电池是研制高效率 III-V 族复合物半导体太阳能电池的有效途径之一 4，其转换效率的理论值可高达 63.2 5。目前正式报道的量子阱太阳能电池转换效率来自英国伦敦大学皇家学院K.Barnham 教授的研究组，他们的 GaAsP/InGaAs 多量子阱太阳能电池转换效率为 27%6。这么高转换率的量子阱半导体太阳能电池己经不断引起欧、美、日等国家研究力
7、量的兴趣与重视。我国虽然有少数研究组在开展 III-V 族半导体太阳能电池的研究，如中国科学院半导体所、中国科学院上海冶金所、电子 18 所等单位，但还没有其它研究机构从事量子阱半导体太阳能电池这方面的研究 7。本项目主要研究 Si/SiO2 超晶格（量子阱）制备与Si/SiO2 超晶格太阳能电池的制备并对电池的性能进行测试与分析。二 项 目 主 要 研 究 开 发 （产 品 开 发 ）内 容 、技 术 关 键 以 及 科 技创 新 的 主 要 方 式 。2.1 研究内容（1）采用射频磁控溅射法制备 Si/SiO2 超晶格势阱和势垒材料之间的理想的晶格匹配是制备低缺陷密度的晶体超晶格的关键之一
8、，因为硅和其他的晶体材料存在较大的晶格失配（比如 Si-Ge 为 4） ，所以对于硅基超晶格来说，寻找一种合适的晶格匹配的势垒材料比较困难。但是若用非晶材料替代晶体材料，那么晶格失配程度就可以得到改善。纳米（晶体 Si）/SiO 2 超晶格的制备过程：利用射频磁控溅射法，把非晶硅（纳米尺度）夹在高能隙材料（SiO 2）之间，然后再晶化。射频磁控溅射法可以精确控制（非晶 Si）/SiO 2 超晶格层的厚度（即纳米晶粒的尺度） ，其精度与分子束外延法制备的差不多。超高真空多功能磁控溅射仪，如图一。对原生超晶格进行高温退火 8，得到（晶体 Si） /SiO2 超晶格。由于这种硅超晶格晶化后的量子束缚
9、效应和微带效应很差，但通过高温退火可以改善硅和界面的质量。高温退火得到的硅超晶格兼具非晶硅优良的光电性质和微晶硅的稳定性 9,10。(2) Si/SiO2 超晶格太阳能电池的制备和性能测试Si/SiO2 超晶格在光伏太阳能电池上的应用可能会提高太阳能电池的转换效率和降低其生产成本。SiO 2 和 Si 分别是超晶格系统的势垒和势阱材料，在提高晶体硅太阳能电池的性能上，表面钝化起到较为关键的作用。由于 Si/SiO2 超晶格可以作为晶体硅太阳能电池的表面钝化层，这样就可以大大降低太阳能电池表面的复合。同时，Si/SiO 2 超晶格也可以作为电池的抗反射层，Si/SiO 2 超晶格在 400100
10、0 nm 的波长范围内有较高的光吸收，也就是说，超晶格中吸收的光产生了能被电池收集的载流子。采用磁控溅射法，在 Si/SiO2 超晶格的上面直接沉积掺 Al 的 ZnO 透明导电膜，在导电膜上面制作栅状的金属 Al 电极，掺 Al 的ZnO 透明导电膜可以使 Si/SiO2 超晶格和顶层金属（Al）电学接触良好 11。然后，对制备得到的超晶格/硅异质结太阳能电池进行性能测试和分析，主要是短路电流，开路电压，峰值功率点电流，峰值功率点电压，峰值功率，填充因子的测量。Si/SiO 2 超晶格太阳能电池模型如图二所示。2.2 技术关键本项目的技术关键在于实验过程中需要重点控制以下要素：(1) Si
11、和 Si/SiO2 的厚度Si 和 Si/SiO2 的厚度是（纳米 Si）/SiO 2 超晶格结构中最重要的参数。当 Si 层厚度小于几个纳米时，超晶格的有效能隙随 Si 层厚度的改变而变化，并且变化非常明显。 SiO2 层的厚度影响器件的可靠性和载流子的隧穿，厚的 SiO2 层有较高的可靠性，但同时也可能降低载流子的隧穿几率。 溅射功率用射频磁控溅射法制备 Si/SiO2 超晶格的过程中，要选择合适的溅射功率，功率太大或太小都难以获得期望的 Si/SiO2 多层结构，也会导致器件失效。图一 超高真空多功能磁控溅射设备 图二 Si/SiO2 超晶格太阳能电池模型硅二氧化硅导电膜Al 电极 工作
12、气压沉积到基片上的膜的结构致密性与气压的关系很大，气压越低，致密性越好。但是气压过低会使溅射原子在基片表面上的粘附系数太小而无法成膜。 晶化温度（非晶 Si）/SiO 2 超晶格经过高温热力学晶化后才形成硅纳米晶粒，所以晶化温度是一个非常关键的参数，它影响籽晶的产生、氧化物的界面、应变、缺陷的迁移与消除等。晶化温度过高很容易引起超晶格层的混合以及氧化层薄膜的破裂，若晶化温度太低，则容易引起超晶格层晶化不完全。2.3 项目创新之处多孔硅的高效率可见光发射这一重要的科学突破为硅基光电材料的应用开辟了新的前景 12, 13。依靠量子限制效应来实现高效率硅基发光，激发了近年来人们对多种新的硅纳米材料和
13、结构的兴趣。但是，无论是多孔硅或是纳米硅，由于其尺寸分布的不均匀, 空间分布的无序, 很难期望其有良好重复的电输运与光学特性。 Si/SiO2 超晶格能实现有效的量子限制效应，并且可望有良好的工艺可控性和重复性。研究表明，通过控制硅基超晶格层的厚度，可以获得不同的能带间隙 14。如果把多结叠层电池技术和硅基超晶格技术有机结合起来，全硅基的叠层太阳能电池可望实现。在提高转换效率和降低生产成本方面，这种基于晶体硅和硅基的高能隙材料（如 SiO2，Si 3N4 或 SiC）的叠层电池是最佳的选择之一。SiO2 的能隙宽度（ 8.90 eV）比 SiC（2.55 eV）及 Si3N4（5.20 eV）
14、的大得多，因此由SiO2/Si/SiO2 组成的量子阱对电子和空穴都具有很强的量子限制效应，同时，SiO 2 具有良好的热稳定性和 Si/SiO2 界面的缺陷密度低等特点，使得 SiO2 是 Si 基超晶格结构的最佳的势垒材料 15。以 SiO2 作为势垒材料可以大大降低电池的饱和暗电流，增加电池的光电压，同时，由于全硅基的叠层太阳能电池与目前发展成熟的 Si 基材料，器件工艺技术具有很好的兼容性和对环境污染少，因此把 Si/SiO2 超晶格结构应用到太阳能电池的制备上，有望降低电池的表面的复合，拓展电池的光谱响应范围，降低电池的饱和暗电流，提高太阳能电池的转换效率和降低太阳能电池生产成本。三
15、 项 目 预 期 目 标 （主 要 技 术 经 济 指 标 、应 用 前 景 、获 奖 资 助知 识 产 权 等 情 况 ）。1 采用射频磁控溅射法制备出高质量的 Si/SiO2 超晶格。2 将 Si/SiO2 超晶格结构应用到太阳能电池的制备上，制得 Al/ZnO:Al/Si/SiO2 超晶格/Si 太阳能电池。采用该超晶格结构可以显著提高太阳能电池的转换效率和降低其生产成本，该超晶格结构为进一步完善超晶格结构生长工艺、优化电池的性能参数提供了条件，为企业合作开发这种新型结构的 Si/SiO2 超晶格太阳能电池提供了可能。3 提供 I-V 曲线，Isc（短路电流） ，Voc（开路电压） ，I
16、m （峰值功率点电流） ，Vm（峰值功率点电压） ，Pm （峰值功率） ，FF（填充因子）等的翔实材料和数据。4 在学术刊物发表论文 3 篇以上，申报专利 1 项。四 项目实施方案4.1 研究思路 采用超高真空多功能磁控溅射仪，制备（非晶 Si）/SiO 2 超晶格层。 利用退火室将原生超晶格进行高温退火，获得（晶体 Si）/SiO 2 超晶格。 采用超高真空多功能磁控溅射仪，在（晶体 Si）/SiO 2 超晶格上下面镀上掺 Al 的 ZnO作为透明导电膜，制成 Si/SiO2 超晶格结构太阳能电池。 采用太阳电池组件测试仪，测试Si/SiO 2超晶格结构太阳能电池的性能。4.2 技术路线本项
17、目技术路线如图三所示：4.3 实验设备超高真空多功能磁控溅射设备：由沈阳中科仪 2005 年制造，如图一所示，主要部件包开路电压、短路 电流、转换效率RF 射频电源最大功率 500 W、频 率 13.56 MHz，计算机控制镀膜系统用太阳电池组件测试仪，测试太阳能电池的性能Si/SiO2 超晶格结构上渡金属膜形成太阳能电池退火温度 1400K 可调, 计算机控制镀膜系统射频磁控溅射法制备非晶Si/SiO2超晶格原生超晶格高温退火得到Si/SiO2 超晶格溅射室真空度810 6 ，样品加热温度最高 800K 可调。计算机控制镀膜系统图三 项目技术路线流程图括：溅射室真空室，退火室，RF 射频电源
18、，计算机控制镀膜系统。主要技术参数为：溅射室真空度810 6 ，样品加热温度最高 800 K 可调，进样室退火温度 1400 K 可调，RF 射频电源最大功率 500 W、频率 13.56 MHz，计算机控制镀膜系统等。此磁控溅射系统完全可以制备出所期望的纳米结构的 Si/SiO2 超晶格，SiO 2 采用在干氧气氛下的反应溅射或高纯的 SiO2 晶体靶材直接溅射制备而成。太阳电池组件测试仪：由秦皇岛博硕光电制造，采用脉冲氙灯，光谱为 AM1.5，最大可测开路电压为 50V，最大可测短路电流为 10A，最大可测功率为 200W，测量参数主要是 I-V 曲线、Isc（短路电流） 、Voc（开路电
19、压） 、Im（峰值功率点电流） 、Vm（峰值功率点电压） 、Pm（峰值功率） 、FF（填充因子） 。4.4 工作基础与工作条件申请人的导师在硅基量子阱和量子点结构的电学和超快光学等方面开展了较多的研究，研究了 GeSi/Si 量子阱的光电流吸收谱与外加电场的关系；采用导纳谱、深能级瞬态谱、光电容谱等方法观察到锗硅量子阱、量子点中的载流子发射；用导纳谱、电容电压谱、光电流谱研究了 Ge 量子点中的量子束缚效应；用光电流相位相关谱研究了 Ge 量子点中的超快相位动力学过程；研究了用 PECVD 方法生长的非晶硅的激光晶化；掌握磁控溅射法制备锗硅量子阱材料和金属硅化物的技术；利用不同温度下的电流电压
20、谱研究了镍硅化物的肖特基势垒的均匀性及相的转变；提出了一个简单的载流子漂移扩散模型较好地解释了 p-i-n 多量子阱的光电流的吸收系数与外加电场的关系。申请人的导师可以给申请人提供较好的理论与技术的指导。申请人也对本课题已进行相关预研工作，主要是阅读了大量国内外的文献，并在二级刊物上发表了论文。研究 Si/SiO2 超晶格太阳能电池，即是对硅太阳能电池的进一步研究，同时也有助深入研究量子阱太阳能电池机理。本项目充分结合了本人的前期研究工作及今后的工作思路，若能使该项目的研究工作得到较好开展，相信对申请者在新能源领域的研究将起到十分重要的作用。申请人所在的实验室拥有超高真空多功能磁控溅射仪、太阳
21、电池组件测试仪。这些硬件和软件能够满足完成本项目中 Si/SiO2 超晶格太阳能电池制备与测量。五 计划进度安排2007.09-2007.11 用射频磁控溅射法制备出高质量的 Si/SiO2 超晶格2007.11-2008.01 制备 Al/ZnO:Al/(Si/SiO2)超晶格/Si 太阳能电池2008.01-2008.03 对太阳能电池的性能进行测试和分析2008.03-2008.05 资料整理、结题六 经费预算申请经费预算 7000元计划开支项目名称 计算根据及理由金额（元）1信息费出版/文献/信息传播/知识产权事务费（论文版面费、资料费、印刷费、文献检索、上网等） ，专家咨询费，其他开
22、支 35002能源材料费材料费（溅射靶材） ，试验化验加工费（化学清洗试剂等购置费用） ，设备费（太阳电池组件测试仪、超高真空多功能磁控溅射等费用） 31503计划管理费管理费，人员劳务费 350七 参考文献1 罗雪莲，吴麟章，江小涛等，太阳能电池及其应用，武汉科技学院学报，第18卷第10期，2005年10月2 倪萌， M K Leung，K Surnathy ，太阳电池研究的新进展 ，可再生能源 ，2004.2（总第114期）3 董晓刚，太阳能电池用多层膜的制备和研究 ，大连交通大学，硕士论文4 K.Barnhum. et al. High Efficiency III-V Solar Ce
23、llsM. Internal report of Imperial College the United Kingdom, 20015 Antonio Luque. Antoni Martf, Lucas Cuadra. Thermodynamic Consistency of Sub-Band gap Absorbing Solar Cell proposalsJIFEE Trans. Electron Devices. 2001,48:21l86 吴麟章，江小涛，王远等， 量子阱半导体太阳能电池的研究 武汉科技学院学报 第18卷 第8期 2005年08月 7 Tianhang Zheng,
24、 Ziquan Li, The present status of Si/SiO2 superlattice research into optoelectronic applications, Superlattices and Microstructures 37, 227 (2005)8 冯团辉，卢景霄，张宇翔等，利用快速热退火法制备多晶硅薄膜 人工晶体学报 第34卷第2期 2005年4月9 郝会颖，孔光临，曾湘波等，非晶- 微晶相变域硅薄膜及其太阳能电池 物理学报 第54卷 第7期 2005年7月10 张宇翔，太阳能电池用多晶硅薄膜的制备研究 郑州大学 博士论文11 王雅欣，ZnO:A
25、l透明导电膜的性能研究及其在薄膜太阳能电池上的应用 河北工业大学硕士论文12 L. T.Canham, Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafer, Applied Physics Letters 57, 1046 (1990)13 V. Lehmann, U. Gosele, Porous silicon formation: A quantum wire effect. Applied Physics Letters 58, 856 (1991)14 H. Lu, D.J. Lockqword and J.M. Baribeau, Quantum confinement and light emission in SiO2/Si superlattices, Nature 378, 258 (1995)15 L. Alay and M. Hirose, The valence band alignment at ultrathin SiO2/Si interfaces, Journal of Applied Physics 81, 1606 (1997)
