c-Si异质结太阳电池

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第２７卷第７期２００６年７月太阳能学报Ａ阻ＡＥＮＥＲＧＩＡ－ＥＳｏＩ．ＡＲＩｓＳＩＮＩＣＡＶ０１．２７。

Ｎｏ．７“．，２００６文章编号：０２外００９６（２０嘶）０７－Ｏ矽１．惦热丝化学气相沉积ｎ型ｎｃ．Ｓｉ：Ｈ薄膜及ｎｃ．Ｓｉ：Ｈ／ｃ．Ｓｉ异质结太阳电池张群芳１，朱美芳１，刘丰珍１，刘金龙１，许颖２（１．中科院研究生院物理系，北京１０００３９；２．北京市太阳能研究所，北京１０００８６）摘要：采用热丝化学气相沉积（Ⅲ㈣）技术制备ｎ型纳米晶硅（∞一Ｓｉ：Ｈ）薄膜，系统地研究了沉积参数，特别是掺杂浓度对薄膜微结构、电学性质和缺陷态的影响，获得了器件质量的ｎ型ｎｃ．ｓ：Ｈ薄膜。

制备了ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ，ｃ—Ｓｉ皿’（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｗｉｍＩＨ晡璐ｉｃ田ｉｎ－ｌ研ｅｒ）结构太阳电池，研究了异质结结构参数对电池性能的影响，初步得到电池性能参数如下：ｋ＝４８３ｍＶ、＿，。

＝２９．５ｍⅣ耐、胛＝７０％、叩＝１０．２％。

关键词：热丝化学气相沉积；纳米晶硅；异质结；太阳电池中图分类号：ｒ１１（５１４文献标识码：Ａ０引言及沉积气压（Ｐ。

）制备了４个系列的样品。

用光热偏转谱（ＰＤｓ）研究了掺杂对薄膜缺陷态密度的影响。

ＲａｍａＩｌ光谱采用Ｔ６４０００型Ｒａｍａｎ光谱仪测得，通过Ｒ舢ａＩｌ谱的解谱得到薄膜晶态比。

ｎｃ—ｓｉ：Ｈ／ｃ—ｓｉＨｒＩ’纳米晶硅薄膜因具有高的光吸收系数及高稳定性等优点，成为制备廉价高效薄膜太阳电池的基础材料之一。

目前纳米晶硅薄膜的制备方法主要包括化学气相沉积（等离子体，热丝）、蒸发和溅射等技术，其中热丝化学气相沉积具有结构简单、成本低、气体利用率高及无离子轰击，能够低温、高速沉积器件质量纳米晶硅薄膜等优点¨。

Ｊ。

在ｃ．Ｓｉ上生长一层ａ—Ｓｉ：Ｈ或ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜形成的异质结太阳电池，具有实现高效率低成本硅太阳电池的发展前景。

ＭｉｋｉｏＴａｇｕｃｈｉ等制备的Ｈｒｒ多层结构ａ—Ｓｉ／ｃ—ｓｉ异质结电池效率达到２０．１％［４’５］。

结构太阳电池在电阻率为３～５Ｑ?ｃｍ的Ｐ型（１００）ｃ．Ｓｉ衬底上制备，在ｃ—Ｓｉ背面蒸发一层铝，然后氮气中退火得到背电极，上电极的透明导电膜（啪）通过蒸发制备，ｓｉ薄膜沉积前用ｌ％盯除去ｃ—Ｓｉ衬底表面氧化物。

研究了ｉ层厚度ｄｉ及热丝温度乃对电池性质的影响，电池的，一ｙ特性在ＡＭｌ．５，１００ＩＩｌＷ／ｃｍ２太阳模拟器照射下测得。

表ｌ沉积参数７Ｉ曲ｌｅｌＤ印０８ｉ６０ｎｐａ龇伧ｔｅＩｓ我们采用聃℃ｖＤ技术，通过优化沉积参量，获得了器件质量的ｎ型纳米晶硅薄膜；并在此基础上制备了ｎｃ—ｓｉ：Ｈ／ｃ．ｓｉＨｒｒ结构太阳电池，初步得到了１０．２％的初始转换效率。

１实验ｓｉ薄膜采用聃℃ｖＤ技术，在玻璃衬底上制备，沉积参数如表１所示。

衬底温度固定在２５０℃，沉积前用原子Ｈ处理衬底表面５ＩＩｌｉｎ。

改变掺杂浓度比（Ｒ＝［Ｐ地］／［ｓｉＨ｜］）、热丝温度（ｎ）、氢稀释度（ｓＨ）收稿日期：２００４一ｌｌ一３０２结果和讨论图１给出了不同Ｐ。

条件下ｎ型ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜电导率随掺杂浓度比Ｒ的变化，图１表明，在相同Ｐ。

条件下，电导率随着Ｒ的增加很快上升，当Ｒ＞基金项目：国家重点基础研究发展规划（９ｒ７３）项目（Ｇ２００００２８２０８）；国家自然科学基金（６００７∞０４）万方数据太阳能学报２７卷ｏ．３％时，电导率趋向饱和；高Ｐ。

对应高电导率，这可能是由于高气压下气相反应充分，与磷相关的反应基元浓度较高，从而提高掺杂效率所致。

图２给出了不同沉积气压下ｎ型ｎｃ—ｓｉ：Ｈ薄膜的光热偏转谱（ＰＤｓ）曲线，随着Ｐ。

的升高，低能端吸收增加，这是由于掺杂原子及由此引起的缺陷态的增加引起，与电导率的变化一致。

通过ＰＤｓ曲线计算了杂质缺陷态密度Ⅳｓ，当Ｐ。

＝２Ｐａ时，Ⅳｓ＝６．７×１０１７ｃｍ～－大，之后电导率随ｓＨ的增加而减小。

通常，提高ｓ。

可以提高薄膜晶态比和晶粒尺寸，从而电导率随薄膜晶化的增加而相应增加。

当．ｓＨ＞９０％时，电导率的下降很可能是在高ＪｓＨ下晶粒较大，材料不够致密，导致缺陷态密度增加，使迁移率下降。

图４给出ｓＨ为９０％和９５％条件下制备的薄膜的麟谱线，并计算得到缺陷态密度分别为６．７×１０１７ｃｍ‘３?“。

１和１．９×１０１８咖～?ｅｖ～。

因此在器件制备中选择的．ｓＨ为９０％。

ｅｖ～，当Ｐ。

＝１０Ｐａ时，ⅣＳ达到８．０×１０１８ｃｍ～?ｅｖ～。

高沉积气压下沉积速率快，但易导致杂质缺陷态密度的增加，从而致使薄膜光电性质下降。

所以器件制备中选用沉积气压为２Ｐａ。

图３电导率随氢稀释度的变化曲线Ｆｉｇ．３Ｈ，ｄｒ０罾ｅｎｄｉｌ埘ｏｎｄｅ阳１ｄｅｎｃｅｏｆｄａ出ｃｏｎｄｕ甜ｖｉｔｙｆｏｒｎｔ），ｐｅｎｃ—ｓｉ：Ｈ矗ｌＩＩｌｓ１０５图１不同沉积气压下ｎ型ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜电导率随［Ｐ蝎］／［ｓｉＨ４］的变化曲线Ｆｉｇ．１１０４Ｄ叩ｉ１１９ｒａｔｉｏｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｄａｒｋ１１ｃ—ｓｉ：Ｈ脚ｍｓａｔｃｏｎｄｕｃｔｉ、ｒｉｔｙＴｆ醅ｎ帅ｅｄｉⅡｊｒｅｍＰｓｇ龟ｌｏｓ１０２１０４１０１Ｏ１０３Ｔｇｊ１０２图４不同氢稀释度ｎ型ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜的ＰＤｓ谱线Ｆｉｇ．４阳ＳｃｕⅣｅｓｆｏｒｎｔ），ｐｅｎｃ?Ｓｉ：Ｈ脚ＪＩｌｓｗｉｍ衄ｊｒｅｍＪｓＨ通常，对未掺杂ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜，通过改变ｓＨＴ和１０１Ｏ．８１．２１．６２．Ｏｎ可有效控制薄膜晶态比，对于掺杂纳米晶硅薄Ｅ，ｄ膜，是否依然如此呢？图５给出了掺杂和未掺杂条件下薄膜晶态比随正和ｓＨ的变化关系。

当ｓＨ从７５％增加到９０％时，对于未掺杂ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ，晶态比从Ｐｇ图２不同沉积气压下ｎ型ｎｃ．Ｓｉ：Ｈ的ＰＤｓ谱线Ｆｉｇ．２ＰＤＳｃｕｒｖｅｓｏｆｎｔｙｐｅ１１ｃ—Ｓｉ：ＨｆｉｌＩ｜＝ｌｓａｔｄｉ躬ｆ豳ｎｔ４０％增加到６０％（口），而对于掺杂样品，晶态比从３８％变化到４６％（■），增加不大。

这可能是因为杂质离子的引入不利于晶化，表明对于掺杂纳米晶硅薄膜，ＳＨ不是影响晶态比的重要因素。

Ｍｕｋ｝ｌ囱ｅｅ和图３给出一定掺杂浓度下ｎ型ｎｃ—ｓｉ：Ｈ薄膜电导率随氢稀释度的变化曲线。

当ｓＨ＜９０％时，电导率随ｓＨ的增加而增加，ｓＨ＝９０％时电导率达到最万方数据７期张群芳等：热丝化学气相沉积ｎ型ｎｃ．ｓｉ：Ｈ薄膜及ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ，ｃ．Ｓｉ异质结太阳电池鲥ｅｒ等也报导了相似的现象［６’７Ｊ，但还没有清楚的解释。

而当ｎ从１７００℃增加到１９００℃时，掺杂（●）和未掺杂（ｏ）ｎｃ—ｓｉ：Ｈ薄膜的晶态比都有明显的变化，分别从３６％增加到７０％和７５％，这表明在ＨＷｃＶＤ技术中，砟是影响掺杂纳米晶硅薄膜晶态比的重要因素。

因此可通过控制热丝温度得到不同晶态比的掺杂ｎｃ．Ｓｉ：Ｈ薄膜。

的热丝温度下，ｎｃ—ｓｉ：Ｈ薄膜的晶态比较大，导致界面质量下降，增加了载流子复合，从而短路电流减小。

因此，在电池的制备中，选择合适的热丝温度，以改善电池界面特性。

图７不同热丝温度下电池短路电流密度的变化曲线Ｆｉｇ．７耳ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＬ在初步优化薄膜及器件结构基础上，获得的ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ／ｃ—ｓｉＨｒＩ＇结构太阳电池的卜～ｙ曲线如图８所图５掺杂ｎｃ．Ｓｉ：Ｈ薄膜晶态比随乃和Ｊｓ。

的变化Ｆｉｇ．５示，电池参数为：．，。

＝２９。

５ｌｎＡ?咖～，ｋ＝４８３Ｉｎｖ，胛＝７０％，叩＝１０．２％。

电池其他结构参数的优化正在进行中。

乃ａＩＩｄＳＨｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＸｃ￡时ｎｄｏｐｅｄｎｃ—Ｓｉ：Ｈ６ｌＩＩｌｓ图６Ｈｒｒ结构电池开路电压随ｉ层厚度的变化曲线Ｆｉｇ．６ｉｌａｙｅｒｔ｝ｌｉｃｋｎｅｓｓｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｋ在对ｎｃ．ｓｉ：Ｈ薄膜沉积参数优化的基础上，制备ｎｃ—ｓｉ：Ｈ图８眦一Ｓｉ：Ｈ，ｃ—ｓｉⅢｒ结构电池的卜一ｙ曲线Ｆｉｇ．８，一矿ｃｕｒｖｅｏｆｔ王ｌｅⅢｒｃｅⅡＨｒＩ’结构太阳能电池，并对器件结构进行初３结论步研究。

异质结界面对电池性能有重要影响，为了改善ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ／ｃ．Ｓｉ界面，沉积时在ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ／ｃ—Ｓｉ间增加一层很薄的缓冲层ｉ层［８］，形成ＨｒＩ、结构。

图６给出了太阳电池的开路电压（ｋ随ｉ层厚度的变化曲１）当Ｒ＜０．３％时，ｎ型ｎｃ—ｓｉ：Ｈ薄膜的暗电导率随着Ｒ的增加而增加，当Ｒ＞０．３％时，暗电导率趋向饱和；掺杂效率随Ｐ。

的增加而增加，但高沉积气压引起界面缺陷态密度升；２）ｎ型ｎｃ—Ｓｉ：Ｈ薄膜晶态比受氢稀释度的影响不大，但改变热丝可以有效地控制薄膜晶态比；３）Ｈｒｌｌ电池中，ｉ层厚度对电池性能有重要影响，随着ｉ层厚度的增加，ｋ增加，晶态比对．，。

有较线，可以看出在ｄｉ＝３～８姗范围内，随着吐的增加，开路电压增加。

图７给出了不同热丝温度下电池．，。

的变化曲线，．｜，。

先随乃增加而增加，后来减小，这是由于在高万方数据太阳能学报２７卷大的影响；４）初步获得的ｎｃ—ｓｉ：Ｈ，ｃ—ｓｉＨⅡ’结构的太阳电ｅｍｃｉｅｎｃｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｃｅｌｌｓｗｉｎｌｎｏｖｅｌｓ扛ｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＰｒｏｇＰｈｏｔｏｖｏｌｔ：Ｒｅｓ池参数为：－，。

＝２９．５ｎ认?ｃｍ～，ｋ＝４８３Ｉｎｖ，卯＝７０％，’７＝１０．２％，进一步的研究工作正在进行中。

［参考文献］Ｉ＝ｌ１Ｊｂ１ＪＨｉｍｓ｝ｌｉＡｐｐｌ，２０００，（８）：５０３—５１３．Ｙａｍａ瑚ｏＩｏ，Ｙｏｓｈｊｍｕ１钛ａｂａ，ｅｔａ１．Ｈｉ咖ｅｍｃｉｅｎｃｙｈｅｔｅｍｊｕｎｃｔｉｏｎｓ０１ａｒ弘ｃ－Ｓｉ，ｃ－ｓｉｃｅｕｓ［ＪＪ．Ｓ０ｌａｒＥｎｅ唱ｙＭａｔｅｄ—ａｌ＆鲥ａｒＣｅｌｌｓ，２００２，７４：５２５—５３１．№１ＪＭｕｋｈｅｌｊｅｅＣ，ｗｅｂｅｒＵ，ｅｔａ１．Ｇ彻讪ｏｆｄｅｖｉｃｅｑｕａｌ崎ｐ＿孵ｌ上ｃ—Ｓｉ：Ｈ￡ｉｌｒ璐ｂｙｈｏｔ＿ｗｉｒｅＣＶＤｆｂｒａ－ｓｉｐｉｎａｎｄｃ．Ｓｉｈｅｔｅｍ—Ｋｅ咖Ｉｓｌｌｉｂａｓｌｌｉ．ＤｅｖｅＩ叩ＩｍｍｏｆｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒＩｎａｓｓ础６０ｎ［Ｊ］．７ｎｌｉｎＷｉＩ－ｅｃＩｌｅＩＩｌｉｃａｌｔｈｅＣａｔ—ＣｖＤ印ｐａ删＝ｔｌｓａｎｄｉ协ｉｕｎｃｔｉｏｎｓｏｌａｒ３１４．ｃｅｌｌｓ［Ｊ］．７ｎｌｉｎ蹦ｄＦｉｌｎｌｓ，２００１，３９５：３１０＿一ｓｏｌｉｄＦｉｈ璐，（２００１），３９５：５５—６０．眨ＨｅｉｒＩｔｚｅｓｉｌｉｃｏｎ口１Ｊｖ印ｏｒｄｅｐ嘴ｉｄｏｎ【ＪＪ．Ｊ』ｔｐｐｌＳｏｌｅｒｔｉｅｓＤ，Ｆｏｒｌｍｄ０衄Ｍ，ｅｔａ１．Ｓｌｌｋ昀ｔｅｉ胡ｕｅｎｃｅｏｎｔｌｌｅ印叩ｅ卜Ｍ，ＺｅｄｌｉｔｚＲ，ｅｔａ１．Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ锄ｄｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａＵｉｎｅｈｏｔｏｆｄ叩ｅｄｔｌｌｉｎ幽ｃｏｎｌａｙｅｒｓ印舢ｂｙｃａｔ＿ｃＶＤ［Ｊ］．１１１ｉｎＰｈｙｓ，１９９６，７９：２铲２７０６．ｂ１Ｊ］Ｊ孙ｕＭ，ＣａｏＹ，ｅｔａｔｂｙＳ０ｌｉｄｎｌｒ璐，２００３，４３０：１５７—１６０．ａ１．ＨｒｒｌＭｃｅＵｓ—ｌｌｉｇｈ．ｓ呻ｃｔＩｌｒｅ［Ｊ］．ＰｒＤｇ随１Ｊｔ１１ｉｎａ１．Ｍｉｃ瑚订ｕｃｔＩｌｒｅ０ｆ叫ｙ—ｓｉＴａｇｕｃｌｌｉＭ，Ｋａ’憎ｍｏｃｏＫ，ＴⅢｇｅＳ，ｅｔｆｉｌｌｌｌｓ畔一ｅｍｃｉｅｎｃｙｃｒ），ｓ＿ｔａｌｌｉｎｅＳｉｃｅⅡｓｗｉｄｌｎｏｖｅｌＰｈｏｔｏｖｏｌｔＲｅｓｐａｒｅｄｌａｗｔｅＨｌｐｅ阳ｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＳｏｌａｒＥｒｌｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｓ０ｌａｒＣｅｌｌｓ．２０００。