基于MOCVD-ZnO-B前電極的pin型超薄非晶硅太陽電池的初步研究.pdf

1、pin型硅基薄膜疊層太陽電池因高效率、低成本、光致衰退小等優(yōu)點具有較大的產(chǎn)業(yè)化潛力。為進一步提升這種電池的光電轉(zhuǎn)換效率，通過優(yōu)化前電極的陷光特性，以實現(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)對太陽光子的高效利用成為研究的熱點。其中作為頂電池的非晶硅子電池直接沉積于前電極之上，并且該子電池厚度通常較薄，以實現(xiàn)各子電池之間的電流匹配。此時前電極的絨面形貌結(jié)構(gòu)將對電池輸出特性產(chǎn)生較大影響。另外，該超薄非晶硅太陽電池自身的pin結(jié)特性也會極大影響到電池性能。針對這些問

2、題，本論文將采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝自行研制的高絨度摻硼氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜(ZnO∶B，記為BZO)，用作pin型超薄非晶硅太陽電池的前電極，進行了如下三個方面的研究:
　　首先，詳細研究了高絨度BZO前電極表面大而尖銳的類金字塔形貌對電池開路電壓Voc和填充因子FF的影響。結(jié)果表明:該前電極表面V型形貌會在非晶硅太陽電池中引入漏電，導(dǎo)致電池Voc和FF的惡化。氬氣等離子體刻蝕工藝可將該V型形貌修飾成U型彈坑狀，

3、進而避免電池Voc、FF的下降。但該刻蝕工藝會大大消弱前電極的陷光能力，造成電池短路電流的下降?；诖耍岢隽艘环N新的表面形貌刻蝕工藝:H2/CH4混合氣等離子干法刻蝕方法。深入研究了該刻蝕方法的工藝參數(shù)變化（刻蝕時間、刻蝕功率、H2/CH4比等）對刻蝕效果的影響，并對刻蝕后的BZO薄膜的光學(xué)、電學(xué)特性做了較為全面的探討。采用該方法刻蝕后的BZO薄膜表面會形成大、小特征尺寸類金字塔交錯分布的新型絨面形貌結(jié)構(gòu)，不僅同時兼顧了短波區(qū)和長波區(qū)

4、的陷光特性，而且避免了因V型絨面形貌對電池Voc和FF特性的不利影響。
　　其次，分別從模擬和實驗角度研究了界面特性(TCO/p、p/i、n/Metal)對超薄非晶硅電池Voc和FF的影響。針對TCO/p界面接觸勢壘，設(shè)計了三種不同界面結(jié)構(gòu):①BZO/p+-μc-Si/p-a-SiC;②BZO/n+-μc-Si/p+-μc-Si/p-a-SiC;③BZO/p-a-Si/p-a-SiC。對比了這三種結(jié)構(gòu)對TCO/p界面改善的效果。其

5、中方案2中BZO/n+-μc-Si/p+-μc-Si/p-a-SiC的界面結(jié)構(gòu)，因?qū)ZO表面和隧穿界面分離開，對應(yīng)電池的Voc、FF最好。同時，還關(guān)注了p/i界面導(dǎo)帶底位置處勢壘和價帶頂位置處勢壘分別對電子反擴散過程和空穴外遷過程的影響。通過模擬這兩處勢壘，結(jié)果表明:導(dǎo)帶底位置處勢壘對Voc、FF的影響大于價帶頂位置處。為了改善p/i界面，將寬帶隙本征非晶硅碳材料插入該界面充當緩沖層，并對該緩沖層進行氫等離子體后處理，相應(yīng)的電池Voc

6、和FF特性進一步改善。
　　最后，將自行開發(fā)的微晶硅氧（μc-SiOx）摻雜材料用作超薄非晶硅太陽電池的p層和n層。結(jié)果表明:該摻雜層材料不僅有利于改善電池Voc，同時還可增強電池對BZO前電極尖銳、粗糙表面的容忍度。通過改變沉積參數(shù)（氫稀釋、CO2流量），重點研究了氫、氧元素在微晶硅氧材料中的摻雜行為。另外從實驗中還可發(fā)現(xiàn)，p型微晶硅氧材料縱向電導(dǎo)比橫向電導(dǎo)高約4個數(shù)量級，n型微晶硅氧材料的縱向電導(dǎo)比橫向電導(dǎo)則高達5個數(shù)量級。而

7、常用的n型非晶硅材料，兩者電導(dǎo)值則處在同一數(shù)量級內(nèi)。微晶硅氧摻雜層材料獨特的兩相分離的結(jié)構(gòu)特點，即富氧的非晶硅相和富硅的微晶硅相呈分離分布狀態(tài)，是造成該材料呈現(xiàn)出電導(dǎo)各向異性的主要原因。而恰恰是該特性提高了超薄非晶硅太陽電池對高絨度襯底的容忍度。通過優(yōu)化p-μc-SiOx和n-μc-SiOx摻雜層，在本征層厚度約為140nm，僅有鋁背反射電極的情況下，非晶硅太陽電池效率為7.76％(Voc:911mV;Jsc:12mA/cm2;FF:7