非晶硅-微晶硅疊層電池中P型微晶硅材料及前后界面的研究.pdf

1、硅薄膜材料和電池研究已經(jīng)成為熱點，開發(fā)低價、穩(wěn)定和高效率的太陽電池是光伏研究的目標(biāo)。微晶硅薄膜電池克服了非晶硅薄膜電池光致不穩(wěn)定的缺點，而且與非晶硅電池組成疊層電池，既能進(jìn)一步拓展光譜響應(yīng)范圍，提高電池效率和穩(wěn)定性，又能更進(jìn)一步降低成本。本文敘述了采用VHF-PECVD技術(shù)，制備P型微晶硅(μc-Si：H)薄膜材料及其在微晶硅太陽電池上的應(yīng)用，并就非晶硅/微晶硅疊層太陽電池進(jìn)行了實驗研究。主要做了以下幾方面的工作： 1.P型微晶

2、硅材料特性和沉積工藝的研究 隨著氫稀釋率的提高，材料從非晶向微晶轉(zhuǎn)變；提高VHF功率，也可使材料晶化率增加；適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)氣壓既可提高薄膜的均勻性，又可改善薄膜的電學(xué)特性；硼摻雜可以提高材料的電導(dǎo)率，另一方面，硼又有抑制材料晶化作用。采用光發(fā)射譜技術(shù)(opticalemissionspectra，OES)研究P型微晶硅材料的生長動力學(xué)過程。提高氫稀釋和等離子體功率都可以使等離子體中原子氫的含量增加，SiH*的含量減小，SiH*和原子

3、氫的比值也減小，獲得的材料晶化率得到提高；提高反應(yīng)氣壓，等離子體中原子氫、SiH*的含量，以及SiH*和原子氫的比值都減小，獲得的材料電導(dǎo)率先增大后減小；硼摻雜對等離子體影響是，隨著硼摻雜濃度的提高，等離子體中SiH*和原子氫的比值減小，但是由于硼抑制晶化的作用，材料晶化率隨硼摻雜濃度的提高而減小。 采用雙層結(jié)構(gòu)的p-μc-Si：H，首次系統(tǒng)研究了分別調(diào)控兩層的晶化率、摻雜濃度與厚度，來達(dá)到晶化和摻雜效果分別完成、最終合成一致達(dá)

4、到高電導(dǎo)、適當(dāng)晶化率同時得以滿足的p-μc-Si：H，為隨后微晶硅有源層的生長提供良好晶化基礎(chǔ)。通過這種方法，在厚度小于30nm情況下，電導(dǎo)率大于10-2S/cm，光學(xué)帶隙大于2.0eV，激活能小于0.06eV，可見光區(qū)透過率大于80％。p-μc-Si：H的晶化率從～20％提高到～50％，并且可以通過第一、二層的調(diào)制，調(diào)節(jié)薄膜晶化率。 2.從器件的角度，進(jìn)一步研究了P型微晶硅材料特性及其前后界面對微晶硅太陽電池的影響 微

5、晶硅Ⅰ層是在作為窗口層的P層上沉積的，p-μc-Si：H的晶化率對微晶硅Ⅰ層生長起始階段非晶孵化層有很大影響。采用雙層結(jié)構(gòu)的p-μc-Si：H層，微晶硅Ⅰ層的非晶孵化層厚度減小，P/I界面得到改善。 采用Raman譜技術(shù)，首次觀察到p-μc-Si：H層的微結(jié)構(gòu)對在其上沉積的微晶硅Ⅰ層結(jié)構(gòu)沒有影響，主要影響的是微晶硅電池的P/I界面結(jié)構(gòu)和特性。 首次提出對P/I界面進(jìn)行20秒氫處理，可以改善界面特性，電池的短路電流密度和填

6、充因子都可獲得大幅提高。 還研究了ZnO/P界面對微晶硅電池性能的影響，沉積p-μc-S：H層之前先對ZnO表面進(jìn)行20秒氫處理，可以降低ZnO的方塊電阻。氫等離子處理之后，保持輝光連續(xù)，加入硅烷、硼烷等反應(yīng)氣體沉積雙層結(jié)構(gòu)p-μc-S：H層，這樣可以改善ZnO和p-μc-Si：H層之間的接觸特性。首次采用光發(fā)射譜(OES)技術(shù)，研究這個過程中等離子體發(fā)光峰的變化，經(jīng)過30秒的不穩(wěn)定期后，等離子體達(dá)到穩(wěn)定，SiH*和原子氫比值在

7、0.75左右；同時發(fā)現(xiàn)絕緣襯底和導(dǎo)電襯底對等離子體狀態(tài)有不同的影響，從而導(dǎo)致了在它們上面沉積的材料結(jié)構(gòu)和特性不同。 經(jīng)過系列優(yōu)化研究，采用MOCVD技術(shù)制備的ZnO背反射層與Ag/Al金屬背電極形成復(fù)合背反射電極，微晶硅薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步得到了提高，達(dá)到了9.19％(Voc=0.55v，Jsc=26.53mA/cm2，F(xiàn)F=0.6296)。 3.非晶硅/微晶硅疊層電池中NP隧穿結(jié)特性的研究 在非晶硅/微

8、晶硅疊層太陽電池中，實現(xiàn)歐姆接觸的頂電池N層和底電池P層都是微晶硅，形成NP隧穿結(jié)。調(diào)整它們的厚度可以改善NP隧穿結(jié)特性。通過實驗確定了，非晶硅頂電池的N層厚度約25nm，微晶硅底電池的P層厚度約27nm時，非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的效率最大。對NP界面進(jìn)行20秒的氫處理，氫等離子處理之后，保持輝光連續(xù)，加入硅烷等氣體，沉積后續(xù)層，可以提高電池效率。 4.非晶硅/微晶硅疊層太陽電池電流匹配的研究 對于非晶硅/微晶硅薄膜

9、疊層電池來說，電流匹配主要是電池吸收層厚度的匹配。通過研究，初步確定了非晶硅頂電池的厚度為250nm，微晶硅底電池的厚度2800nm，頂電池的N層采用非晶和微晶硅雙層結(jié)構(gòu)(改善NP結(jié)隧穿特性，同時不影響非晶硅頂電池)。采用ZnO背反射層，小面積非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的效率為11.37％，(Voc=1.38v，Jsc=12.63mA/cm2，F(xiàn)F=0.6502)；10×10cm2非晶硅/微晶硅疊層組件的效率為9.72％(Voc=13.