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微晶硅薄膜及其太阳电池研究已经成为国际光伏领域研究热点。因为其克服了非晶硅薄膜太阳电池光致不稳定和效率低的缺点，而被公认为硅薄膜电池下一代技术。本论文采用VHF-PECVD技术，以制备器件质量级微晶硅材料为目标，系统研究了不同沉积条件下微晶硅薄膜的光电性质及其结构特性。通过对材料结构特性与光电特性间关联性的分析，揭示了决定微晶硅薄膜质量受各个沉积参数影响的关键因素，获得了为制备器件质量级微晶硅材料所对应的各沉积参数的协调规律。按此规律进行了材料与电池的对应研究，首次提出高效太阳电池用器件质量级微晶硅材料完整的表征体系，并获得了器件质量级微晶硅材料。首次综合阐述了沉积参数变化与电池性能间关系的趋势图，为缩短高效微晶硅电池研制时间提供有益的指导。在此基础上，通过沉积条件的进一步优化，制备出国内最高、国际先进、效率达9.2％的pin单结微晶硅太阳电池。用于叠层电池中也初步获得了10.3％的光电转换效率。
本论文主要完成了以下几个方面的研究工作：1、研究了硅烷浓度、反应气压、辉光功率和衬底温度对微晶硅薄膜光电特性和结构特性的影响。结果表明：在实验研究的范围内，材料的暗电导和光敏性分别随着硅烷浓度减小、反应气压降低、功率增加和衬底温度升高而增加和减小；而材料晶化率则随上述沉积参数的变化而增加。另外，也总结出了以不同沉积参数，通过相关的协同调节条件均可优化出位于非晶/微晶过渡区内的高质量材料，其中硅烷浓度和辉光功率的影响比较显著。
2、采用拉曼散射光谱研究了微晶硅材料的纵向结构特性，首次在国际上针对电池所用衬底和Corning7059玻璃衬底分别制备微晶硅薄膜的结构特性进行了比较。结果表明：一定的沉积条件下，微晶硅薄膜的生长存在着纵向结构的不均匀性，即随薄膜厚度的增加，材料的晶化率逐渐增加然后饱和；材料的表面形貌和晶化率强烈地依赖于衬底的类型及其绒度，腐蚀的7059玻璃上制备薄膜的晶化率要高于在13％绒度SnO2衬底上制备薄膜的晶化率，但随着沉积条件的不同，两者对材料晶化影响的区别程度也不相同。
3、研究了氧对微晶硅薄膜的电学特性和结构特性的影响，同时关注了微晶硅薄膜的稳定性。通过对有、无气体纯化器条件下，制备材料电学特性和结构特性的比较得出：在氧存在情况下，制备薄膜的暗电导偏大、光敏性偏小、激活能降低，而材料的晶化率却偏大。通过不同沉积条件下制备薄膜的SIMS测试结果定量的给出：制备材料的晶化率越高，对应材料中的氧含量越多。首次采用FTIR对硅薄膜稳定性进行长时间跟踪的研究结果表明：材料在自然环境中存在着不稳定性，表现在随时间推移材料中键合的氧含量增加。另外，不同衬底温度薄膜稳定性的结果表明：较高衬底温度制备薄膜的稳定性要高于较低衬底温度制备薄膜的稳定性。
4、在不同沉积条件对微晶硅薄膜特性影响研究的基础上，进行了微晶硅材料和电池之间对应的优化研究。
●通过不同硅烷浓度制备微晶硅太阳电池的结果可得出：①电池效率最高点落于非晶/微晶过渡区，电池的开路电压和填充因子随硅烷浓度的增加而增大，短路电流密度则有最佳的硅烷浓度范围，电池的效率和短路电流密度有一致的变化规律。②不同辉光功率和衬底温度制备电池的结果表明了相类似的规律，短路电流密度仅在一定的功率和衬底温度条件下才最大。③保持气压，增加气体流量，所制备电池填充因子明显地得到提高，因而亦有利于提高电池转换效率。
通过材料特性和晶化率之间的对应关系，得到的结论是：晶化程度是决定电池特性的关键因素之一。
●通过对制备材料和电池所作的一一对应的研究，总结出器件质量级微晶硅材料应该具有的基本特性：材料暗电导在10-8-10-7s/cm范围；光敏性在102-103；激活能大于等于0.5eV；材料XRD应在(220)方向有择优取向出现；拉曼测试材料处于非晶/微晶过渡区(晶化率在40％-70％)；材料次带吸收系数：α(0.8eV)＜3cm-1，ESR测试材料中的缺陷态密度小于1016cm-3；材料中氧含量小于2×1019cm-3。
●首次提出高效率微晶硅电池对应的微晶硅材料应具有的特性为：材料暗电导在10-8s/cm量级上；光敏性在1000-2000之间；激活能在0.54-055eV之间；材料XRD测试结果给出(220)方向择优取向；拉曼测试电池晶化率在45％-60％之间。建立了沉积参数演变与电池性能之间关系的趋势图，为制备高效微晶硅太阳电池奠定基础。
5、对微晶硅太阳电池性能与其材料结构特性的关系进行了初步研究，也针对微晶硅太阳电池中存在的非晶孵化层进行了研究。结果表明：电池的开路电压随晶化率的提高而逐渐减小，可以粗略的用晶体和非晶体各占的比例来计算微晶硅材料的表观带隙，结果表明：电池表观带隙和开路电压呈线性关系；一定沉积条件制备的微晶硅太阳电池在p/i界面存在着非晶孵化层，随硅烷浓度的减小、功率的增加，对应孵化层的厚度降低。结果指出：要想降低p-i-n电池中非晶孵化层的厚度，降低硅烷浓度和提高辉光功率是有效途径。
6、电池性能除受有源层材料自身影响外，前电极影响亦不容忽视。首次在国际上针对溅射腐蚀的ZnO前电极和SnO2/ZnO复合膜前电极对微晶硅太阳电池性能影响的进行了比较研究。结果表明：腐蚀的ZnO衬底上制备电池的效率要比在SnO2/ZnO复合膜衬底上制备电池的效率高1％-2％百分点。ZnO背反射电极的加入明显地提高了电池短路电流密度，进而提高了电池效率。
7、最后，采用VHF-PECVD技术优化制备出了国内最高、国际先进、效率达9.2％的pin单结微晶硅太阳电池，初步应用到非晶硅/微晶硅叠层电池中，也获得了10.3％的光电转换效率。