微晶硅-薄膜太阳能电池研究进展

微晶硅p2i2n薄膜太阳电池研究进展3

李新利1,卢景霄1,李　瑞1,2

(1.郑州大学物理工程学院材料物理重点实验室,河南郑州450051;

2.河南工业大学,河南郑州450052)

摘　要:　相对于单晶硅和非晶硅来说,微晶硅薄膜太阳电池具有更多的优势。高速沉积高效微晶硅太阳电池已经成为当前研究的热点。综合介绍了微晶硅p2 i2n太阳电池的结构以及基本原理、研究现状和存在的问题,并对其发展前景进行了展望。

关键词:　太阳能电池;微晶硅;高速沉积

中图分类号:　O469文献标识码:A 文章编号:100129731(2010)0520746205

1　引　言

随着世界人口的急剧增加,对能源的需求量也越来越大,从20世纪70年代以来,太阳能的利用得到了长足的发展。太阳能作为一种可再生能源,具有其它能源所不可比拟的优点。相对于单晶硅、多晶硅等片状电池来说,薄膜太阳电池对昂贵的半导体材料需求较小,并且可以在廉价的玻璃、不锈钢、甚至塑料衬底上大面积沉积,所以被认为是一种非常有前途的产品。硅薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中最早被商业化生产的品种,它们由地球上储备丰富、无毒无污染的材料制造,而且可以在相当低的衬底温度下沉积,大大节省了生产过程中的能源消耗,所以被认为是一种有良好发展前景的太阳电池。

微晶硅材料的沉积首先由Veprek和Marecek[1]于1968年在600℃采用氢等离子体与化学转移方法实现。后来,人们发现使用等离子体化学气相沉积(PECVD)法[2],在高的氢稀释情况下也可以沉积出微晶硅材料。Mat suda[3]通过改变反应气体的氢稀释度和沉积温度等生长条件,发现材料的生长可以实现从非晶到微晶的转变。由于微晶硅材料具有低吸收系数和高掺杂效率,使它非常适用于硅薄膜太阳电池的掺杂层。因此,掺杂微晶硅材料在20世纪80年代和90年代初期成为人们研究的最主要对象。甚高频技术[4～9]的应用使高速生长本征微晶硅光吸收层成为可能。使用本征微晶硅材料作为吸收层的硅薄膜太阳电池出现在90年代初期。随后,Meier等人[10]发现这种微晶硅太阳电池在长时间光照的情况下,并没有发生像非晶硅太阳电池所具有的光致衰退现象,而且它可以替代非晶硅锗电池与非晶硅电池一起组成叠层电池。这种新型硅基薄膜太阳电池的研制成功大大促进了对微晶硅材料的进一步研究。

目前制备微晶硅常用的方法是热丝化学气相沉积(HWCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。Mai等人[11]采用HWCVD制备微晶硅电池的缓冲层可以提高电池的开路电压。由微晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池组成非晶/微晶叠层电池[12,13],一方面提高了电池的光电转换效率;另一方面也增强了电池的稳定性,使得微晶硅薄膜太阳电池的研究成为硅薄膜太阳电池的热点[14～21]。硅基薄膜太阳电池按沉积顺序,分为顶衬结构(p2i2n)和底衬结构(n2i2 p)[19,22]。顶衬结构一般是在透明顶衬底(TCO玻璃)上首先沉积p层,然后沉积i层、n层和背电极;而底衬结构则在电极上先沉积n层,然后顺序沉积i层、p层、ITO和栅电极。相对于n2i2p结构、p2i2n结构具有许多优点:微晶硅同时具有单晶硅的高稳定性、非晶硅节省材料和低温大面积沉积等优点,而且将光谱响应扩展到红外光(λ>800nm),其效率提高的潜力很大,被国际公认为新一代硅基薄膜太阳电池材料[23]。目前国内外已发表了大量关于设计和制备微晶硅p2i2n太阳电池的论文[10,11,14～18]。本文选择微晶硅p2i2n太阳电池为研究对象,就近年来微晶硅太阳电池的最新进展进行了较全面的概括,指出各种关键材料亟待解决的问题,并对微晶硅太阳电池的发展前景进行展望。

2　微晶硅电池的结构以及工作原理

常用微晶硅太阳电池的结构为:廉价衬底/透明导电膜(A ZO)/p型微晶硅2i型微晶硅2n型微晶硅/反射膜(ZnO)/Ag/Al电极。微晶硅p2i2n太阳电池的工作原理是基于p2n结的光伏效应。由于微晶硅材料中少数载流子扩散长度<1μm,掺杂层中的扩散长度可能更短[24],所以微晶硅电池采用p2n结构是不可行的,因为这种结构的太阳电池是利用扩散来收集光生载流子的。

微晶硅太阳电池采用在p和n层之间加入i层结构,本征层电场的存在有助于光生载流子的收集,而光生载流子的收集依赖于电场作用下的漂移运动,这种漂移运动克服了微晶硅材料内电子的扩散长度小带来

3基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2006CB202601)

收到初稿日期:2009208219收到修改稿日期:2010203208通讯作者:卢景霄作者简介:李新利　(1981-),女,河南林州人,在读博士,师承卢景霄教授,从事薄膜太阳电池研究。

的限制,从而大大提高了载流子的收集效率。微晶硅p 2i 2n 太阳电池结构[25]如图1所示。为了克服p 与i 层之间的界面缺陷,在其间引入了缓冲层(buffer lay 2er )

。

图1　微晶硅p 2i 2n 太阳电池的结构图

Fig 1Struct ure of p 2i 2n microcrystalline silicon solar

cell

3　微晶硅薄膜太阳电池各组成部分的研究进

展

3.1　透明导电膜及背电极

电极对微晶硅太阳电池的性能有很大的影响,因此,引起了研究者的广泛关注。目前微晶硅太阳电池的前电极和背电极主要集中在以下几种材料上:前电极有SnO 2/ZnO 或湿法腐蚀ZnO 薄膜(绒面结构);背电极主要有Al 、ZnO/Al 及ZnO/Ag/Al 。前电极主要影响电池的填充因子(F F )、开路电压(V oc )、短路电流(J sc )、背电极主要影响电池的J sc 。

透明导电膜是兼具透光性和导电性的特殊薄膜。目前主要采用掺铝氧化锌(A ZO )作为透明导电膜。AZO 膜是在ZnO 薄膜中掺入Al 原子,掺入的Al 原子替代了原来晶格中的Zn 原子,产生了一个自由电子,从而使电子浓度增加,电导率上升。对ZnO 薄膜来说,可以采用直流磁控溅射方法制备,但是表面为绒面织构结构比平面结构更能增强电池的光诱捕作用,提高光的利用。采用绒面织构的ZnO 为衬底的微晶硅单结p 2i 2n 太阳电池相对于没有采用绒面ZnO 的太阳电池的短路电流密度J sc 提高了20%～25%[26]。

为了得到绒面织构,可以采用湿法腐蚀ZnO 薄膜。首先采用溅射的方法在Corning 1737玻璃上制备ZnO 透明导电膜,然后用0.5%盐酸腐蚀30s ,制得绒面结构的导电薄膜。但是腐蚀的绒面衬底形状对太阳电池的性能也有影响,瑞士Martin Pyt hon 等人[27]分析了衬底形貌从V 型到U 型的改变对衬底上沉积的单结微晶硅太阳电池的性能产生的影响。M.Py 2t hon 等人[28]采用实验和数值模拟同样研究了衬底的几何参数对生长微晶硅薄膜电池的影响。对透明导电膜,也可以选择p 型ZnO 薄膜,因为p 型透明导电薄膜可以与太阳电池的p 层直接接触起到导电的作用,

甚至可以直接在p 型透明导电薄膜上生长i 层和n 层形成新的太阳电池结构。国内南开大学焦宝臣等[29]采用这种p 型透明导电薄膜制得开路电压为0.47V 的微晶硅太阳电池。

透明导电薄膜的厚度、表面绒度和背反射电极的种类对太阳电池的短路电流密度J sc 和填充因子F F 有很大的影响。J.Springer 等人[30]发现减小前电极ZnO 的绒度和厚度,在整个光谱范围内量子效率(Q E )有所增加;对于不同的背反射电极ZnO/Ag 、Ag 、ZnO/Al 和Al ,发现ZnO/Ag 电极最好,Al 在光诱捕特性方面最差。张晓丹等人[31]采用ZnO 湿法腐蚀作为前电极,ZnO/Ag/Al 作为背反射电极,明显提高了电池的V oc 和J sc ,并且电池效率提高了1到2个百分点,最终获得了光电转换效率达9.2%的单结微晶硅薄膜太阳电池。这与国外J.Springer 等人[30]的研究成果相吻合。由于背电极增加ZnO 层后,可以和前电极A ZO 形成光学反射腔,增加了光程提高了光的利用效率。3.2　窗口层

p 层是太阳电池的窗口层,本征层的籽晶层。一般来说,太阳电池窗口材料应具有高电导率、低激活能以及宽光学带隙。带隙宽,允许更多的太阳光透射到本征吸收层;高电导率,可以增加内建电势和减小串联电阻。

采用微晶硅材料作窗口层,可以明显改善TCO/P 界面的接触特性。p 型微晶硅材料可通过射频PECVD 方法制备,改变实验条件得到最优的p 型薄膜。当p 层电导率最高时,电池的各项参数均较大。这是因为当p 层电导率较高时,电池的内建电势较强,串联电阻较小,因而有助于增加电池的V oc 和J sc 。采用籽晶技术可以得到质量更好的p 型薄膜,如p 层的厚度减小,电导率提高,光吸收更低。Arindam Sarker 等人[32]采用未掺杂的微晶硅薄膜作为籽晶层,这种极薄的籽晶层改善了p 型薄膜的质量。此外,2008年朝鲜Joonghwan Kwak 等人[33]采用p hoto 2CVD 方法沉积p 2a 2Si ∶H 薄膜作为微晶硅太阳电池的窗口层,并且制得了效率为7.76%的单结微晶硅电池,同时发现太阳电池的性能与p 2a 2Si ∶H 的厚度有很大的依赖关系。因此,在制备太阳电池过程中,如果窗口层较厚则电池的短波Q E 降低,而太薄则使p/i 界面晶格失配,引起缺陷使电池的性能下降。另外,值得关注的是张晓丹等人[34]最近报道了采用RFPECVD 技术制备用于微晶硅薄膜太阳电池的n 型掺杂的窗口层材料。由于微晶硅薄膜太阳电池中电子和空穴的迁移率相差比较小,磷掺杂的n 型微晶硅也可以像硼掺杂的p 型微晶硅一样作为微晶硅薄膜太阳电池的窗口层材料。3.3　p/i 界面

对于微晶硅太阳电池,决定性能的关键是材料和界面。太阳电池要求导电薄膜和p 层之间是欧姆接触。采用低温处理本征层[35]可以有效减小对p/i 界面