纳米非晶硅(na-Si)P-i-n太阳电池

大量研究表明，通过大功率和高氢稀释可 以有效提高掺杂效率 ，获得性能优异的 ｎ型或
Ｐ 型微晶硅（ ＣＳ） Ｐ －ｉ或纳米晶硅（。５） ，ｏ ｎ一１１ １ ｃ ） － ７ Ｓ ｉ １
我们用 ＳＯ Ｗ ｃ ２ Ｏ ｍ ／ｍ 的放电功率密度和 Ｒ ６ Ｈ二 ０
的高氢稀 释 比生 长 ｎ型层 ，并在 ｉ ／ ｎ界 面 间插
纳米非晶硅（ａ ｉ ｐ 一ｎ 太 阳电池 ｎ Ｓ： 一Ｉ Ｈ）
‘ 孔光临 ‘ 胡志华 ， 廖显 ‘ 刁 伟 ，曾 波 ， ‘ ２ 伯 ， 宏 ‘ 湘 ‘ 徐艳月 ，
（．中国科学院半导体研究所， １ 北京 １０８ ； 云南师范大学太阳能研究所，昆明６０９） ００３ ２ ． ５０２
摘 要： 该文报道了 通过适当 氢稀释（Ｈ＝５ Ｒ １）和合适的衬底温度（， ０Ｃ Ｔ＝７０）下， Ｅ Ｖ 制备得到的宽带 １ 用ＰＣ Ｄ 隙氢化纳米非晶硅（ａ ｉ ） ｎ－ ： Ｓ Ｈ 薄膜， 并将其用作ｐ 太阳电池的本征层。 ｉ ｎ 经过电池结构和工艺条件的优化设计， 在ｐｉ ｉ 界面插人渐变带隙缓冲层， ／， ／ ｎ 制备出了ｇｓ Ｔ ／－－Ｃ Ｈ ｉ ａＳ Ｈｎｎ－ ： ｌ ｌｓＴ ｐａＳ ； － － ： － Ｓ ＨＡ结构的ｐ 太阳 ａ／ ０ ｉ ／ｎ ｉ ／ ｃ ｉ ／ ｉ ｎ 电池。电池初始开路电压（ｏ） Ｖｃ高达０９Ｖ ． ，同时还能保证０７ 的填充因子（Ｆ 。光电转换效率（ Ｂ 达到 ４ ．２ Ｆ） Ｅ） ８ ５ Ａ Ｌ １ Ｍ ／ ２。 ． ％（Ｍ ５ ０ Ｗ ｃ ） ３ ， ０ ｍ 关健词： 纳米非晶硅； ｉ薄膜太阳电池； ｐ ｎ 开路电压； Ｅ Ｖ ＰＣ Ｄ
生长之后蒸发 Ａ 电极， ｌ 太阳电池的结构和工艺流程 分别如图１ａ（） （）ｂ所示。
Ｉ － 犷测试
Ａ 电极 ｌ
ｎｎ － ｉ ｃＳ ＋
ｎ － ｉ ｎ ｎ Ｓ ２ ｍ ｃ ０
Ａ 电极蒸发 ｌ
ｎｉ结 ／
ｉ ｂ ｆ ｒｎ ｎ（Ｅ Ｖ ） ／wk.baidu.comｕｆ ＋ ＋ ＋ Ｃ Ｄ ｎ ｅ Ｐ
ｉ Ｓ：（０ｎ ） ｎ－ｉ ５０ｍ ａ Ｈ
万方数据
太
阳
能
学
报
２卷 ６
底温度和功率密度分别为 １ 帕、１ ＇， Ｗ ０ ０ ７ Ｃ ５ｍ ／ ０ ０ ｃ２ 氢稀释比为 １ｏ ｍ ｍ， ５ Ｎ层放电气体为硅烷和１％ ０ 的稀释磷烷（Ｈ ＋ ， Ｐ ， Ｚ 氢稀释比 ０ 衬底温度 Ｈ） 为６，
１ １ 放电 率密 ０一０ ｍ ／ ２ 完 ７ ， 功 度１ ５ Ｗ ｃ 。 成各层 ０ Ｃ ０ ０ ｍ
０ ３１ ２ ０ ０ 收稿 日期 ：２ ０ － － 基金项 目 ：中国科学院青藏高原综合观测研究站、中国科学院
１ １ ５ 一ＯＭ ／ｍ。 ７Ｃ ０ Ｉ Ｗ ｃ２ 本征层的生长压力、 ０ ， ０ Ｏ 衬
寒区 环境与工程研究所创新项目 Ｋ２０１１； 旱区 （Ｚ０３１） 国 家重点基础研究发展规化项目 Ｇ９８４８０ （ １ ０００） ９
测得。
－ｃＨ的带隙宽度和生长速率的影响进行过研究， Ｓ ： ｉ
氢稀释不仅可以改善 ａ Ｓ ： －ｉ Ｈ的微结构，同时还 Ｃ
２ 结果与讨论
２１ Ｏ ｐ 和 ｐｉ ． Ｉ ／ ＋ ／ 界面 Ｔ
Ｐ 型窗口 层以及相关界面层是 ｐ 硅基薄膜太 ｉ ｎ
有助于光学带隙的进一步提高。 本工作的Ｐ 层氢稀 释比Ｒ ＝ Ｚ Ｃ ， Ｈ 〕 １， Ｈ Ｈ １１ ＋ ， 一 ０ 碳硅流量比 ［ ／ Ｈ Ｓ ｉ ［Ｈ ］［ ＋ ｉ， 二 ． 一 ． Ｃ ， Ｃ ， Ｓ ］ ０３ ０ ／ Ｈ Ｈ ｐｉ －ｉ： －ｉＨ异质结太阳电池 ／界面是ａＳ Ｈ ａＳ Ｃ ／ ： 的核心，界面处高密度的界面缺陷态会大大增加产 生复合电流密度，即暗电流密度 Ｊ， Ｄ 从而降低太
晶体硅的能带结构发生改变， 使其具有了较强的室 温可见光发光特性， 使人们看到了成熟并 日 益发展 的硅基微电子工艺最终实现光电集成的希望。因 此，这类材料的研究倍受重视。但因这些材料一般
料 为Ｎｎ ｏｈ 命名 ａ ｍｒ ｏ ｐ
本文报道了用等离子体增强汽相化学沉积 Ｄ 方法在较低衬底温度（７ｃ）和适当氢 （Ｅ Ｖ ） ＰＣ １０ Ｃ 稀释条件下获得具有光敏性的宽带隙非晶硅材料， 本文称之为纳米非晶硅或 ｎｎｍｒ ｏｓ ｏ（ ａ ｏ ｈｕ ｓｃ ｎ ｏ ｐ ｉ ｎ ａ ｌ ｉ
放电 气压１ Ｐ， 功率密度４ ｍ ／扩。 ０ ａ 放电 ０ ０ Ｗ ｃ 前期 ０
工作证实， 上述条件处于ａＳ Ｈ ＋ｃＳ Ｈ相变过 －ｉ －ｎ一ｉ ： － ：
２ 期
胡志华等： 纳米非晶硅（ａＳ：） －太阳电池 ｎ－ Ｈ ｐｉ ｉ －ｎ
渡区， 这种条件下生长的膜中有少量（ ３％）纳 ＜ ０ 米晶颗粒存在， 这些少量的纳米晶颗粒难以用 Ｒ－ ａ
Ｐｉ ｆｒ ／ｂ ｆ ｕｅ
Ｐ － Ｉ Ｈ ｎ ａＳＣ： ２ ｍ ０
Ｉ ＴＯ
ｉ ｒ Ｅ Ｖ ） ｌ ｅ（ Ｃ Ｄ ａ Ｐ ｙ
ｐ ａＳＣＨ ＋ ｉ： －
Ｐ＋ ＋ ／ ｕ ｅ （Ｅ Ｖ ） ＋Ｐ Ｐｉ ｆ ｒ Ｃ Ｄ ｂｆ Ｐ
Ｇｌｓ ａｓ ＩＯ玻璃清洗 ，烘烤。装片 Ｔ
ａ及制备工艺流程图（） ｂ 图 １ 太阳电池结构（）
中图分类号 ： Ｋ １ Ｔ５ 文献标识码：Ａ
０ 引 言
近年来，多孔硅（ｏ ｕ一ｉ以及含氧、 ｐｒ ｓＳ） ｏ 含氮 和氢化纳米晶硅（ｃＳ Ｏ 一ｉ ， Ｓ Ｈ ｎ一ｉ ， ： ｎ一ｉ ）由 ： ｃＳ Ｎ ｃ ： ｎ 于量子限制效应（ｕ ｔ ｃ ｆｅｅ ｅｅ ） Ｑａｕ ｏｉｍｎ ｆｃ 引起 ｎ ｍ ｎ ｔ ｔ ｎ ｆ
第２ 卷 第 ２ ６ 期
２０ 年 ４ ０５ 月
太
阳 能 学 报
Ｖ ｌ ６ Ｎｏ ２ ｏ ２ ， ． ．
Ａｒ ０ ５ ，２ ０ ｐ．
ＡＣ Ａ ＮＥ Ｔ Ｅ ＲＧＩ ＡＥ ＯＬ ＲＩ Ｓ ＮＩ Ａ Ｓ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ
文章编号 ： ２４０９ （０５ ０－ ８－ ０５－ ６ ０ ） １７ ５ ０ ２ ２ ０ ０
ｔ ｕ ａ ｎ ｒ ｓ ｓ ｆ ： ｌ ｅ ｒ ｏ ｏ ｌ Ｆ ． Ｉｕｔｔｎｏｓｕｔ ｅ ａｄ ｃ ｓ （ ） ａＳ Ｈ ａ ｃ ｓ ｉ Ｉ ｌ ｒ ｉ ｆ ｃ ｒ （） ｐ ｅ ｅ ｂ ｏｎ一ｉ ｓ ｒ ｇ ｌ ｓａｏ
太阳电池各层厚度是通过单层膜的生长速率估 算得来，通过 Ｕ ＶＳ ＮＲ透射谱数据分析和 Ｖ一 Ｉ一 Ｉ
Ｒｙ １ ２才报道了 ａ ［ 」 ， 将氢化纳米硅用作ｐ 结构太 ｉ ｎ 阳电池的本征层，制备出了开路电压 （－ 为 Ｖ） ０９Ｖ 光电转换效率（，为 ８７ ． ， ３ Ｅ ） ．％的太阳电池。
不过这里所说的纳米硅实际上是一种两相结构（ｉ ｄ －
纳米非晶硅薄膜太阳电池是在三室（ 分装片室、 掺杂室和本征室）等离子体增强汽相化学沉积系统
ｐａ ） ｈｓ 材料。少量纳米尺度的结晶硅颗粒镶嵌于非 ｅ
晶硅网络中，由于量子限制效应使得这种两相结构 材料具有纳米硅带隙宽和光致发光特性，同是由于 非晶相的存在又使得这种材料又具有较好的光敏 性，因而在提高光照稳定性的情况下， 还能获得较
好的光伏特性。Ｓｋ Ｈｚ 和 Ｓａ Ｒｙ ｕｔ ａａ ｗｔ ａ将这种材 ｉ ｒ ｉ
示为 ：
二 ０ ｏ． ＿毕 ＇ 厂 ＇ ｔｒ 一『。＋乙 ａ Ｏ ＋ ｏ Ｄ ｅ
『Ｄ一『。
（） １
好 的效果 。 ２４ 太阳电池的光照 Ｉ ． －Ｖ特性 图３ ｎ－ｉ 所示为 ａＳ Ｈ太阳电池的初始光照Ｉ ： －Ｖ
Ｐ ｉ的 构［， 利于提高 型Ｓ 微结 ｓ 有 ｃ ７ 太阳电 开 池的 路
电压和填充因子。我们在这之前还就氢稀释比对 ａ
Ｔ ｃ 法确定有效光学禁带宽度〔。 ａ 作图 ｕ ’ 透射谱使 〕
用Ｓｉａ ｕ １ ｈ ｄ －１ Ｐ 分光光度计测量。太阳电池 Ｉ ｍ ｚ ３０ Ｃ － 曲线是在 Ａ Ｌ １ ｍ ／ｍ ， Ｖ Ｍ ５ ０ Ｗ ｃ２ ２℃的条件下 ， ０ ５
适的禁带宽度和厚度。ａＳ ： －ｉ Ｈ的禁带宽度可以通 Ｃ
阳电池时ｐｉ ／界面间必须插人带隙和Ｂ 掺杂浓度渐 变的缓冲层（ｕｅ 。缓冲层的作用是： ｂｆｒ ｆ） 一方面使 能带失配缓慢过渡，另一方面是分散降低界面态密 度， 从而有利于光生载流子（ 空穴） 的收集和减小
产生复合漏电电流。本研究在固定本征层和ｎ 型层
一 ａ Ｓ ： ｎ一 ｃ 人很薄一层轻掺杂缓冲层 ，使 ｉｎ 一 ｉ Ｈ／ ｎ 一ｉ Ｓ Ｈ之间的能带边缓慢过渡，改善光生 电子 ： 的收集 。同时 为 了提 高 ｎ 一 ｉ Ｈ Ａ 的欧 － Ｓ： ｌ ｎ ｃ ／ 十 姆接触质量 ，其间有插人 了一层重掺杂 的 Ｐ 层。对降低串连电阻，提高填充因子起到了 很
层厚度。这种材料由于自 掺杂效益和隧穿效益表现
出 体 晶 硅的暗电 。 ＞０， ｍ ＇ 导， （ １一 ｃ － 。 Ｓ ） 而这里所
说的纳米非晶硅，也就是 ｎ－ｉＨ ａＳ： ，其结晶比很
小， 渗流临 小于 界值， 根据Ｙｓｄ［的 ｏｉ ｓ 有效介质 ｈａ〕
电 导理论，这种两相结构的暗电导率 ， 可表 Ｄ
过碳含量来调节， 这是ａＳ ： －ＣＨ ｉ 作为Ｐ 型窗口 层的
优点之一。然而碳的引人同时又产生更多带隙间缺 陷态，载流子迁移率降低，材料电学特性变差。因 此Ｐ 层厚度不能太厚， 一般应控制在 ２ｎ ０ｍ左右。 研究证明， 适当加大功率和合适的氢稀释可以改善
万方数据
的基础上通过不断改进ｐｉ ／缓冲层， 使电池的初始 开路电压达到０９Ｖ ． ，填充因子达到０７ ４ ．２ ２２纳米非晶硅《ａＳ Ｈ） ． ｎ－ｉ 本征层 ： 本征层的氢稀释比Ｒ ＝ ５ 衬底温度 １０ ， Ｈ ， １ ７－ Ｃ
都不具有光敏性， 不适合用于ｐ 结构太阳电池的 ｉ ｎ
本征层，因而较少有将这些材料应用于光伏器件的 报道。事实上， 这些材料原则上也只适合用于太阳
（，达 ． ％（Ｍ． ０ｍ ／ ２。 Ｅ） 到８ ５ Ａ １ ， ０Ｗ ｃ ） ｒ ３ ５ｌ ｍ 验
１ 实 电池的掺杂层。直到 １ ９年 Ｓｋ Ｈｚ 和 Ｓａ ９ ９ ｕｔ ａａ ｗｔ ｉ ｒ ｉ
２３ ｎ界面和 ｎ ／ ｌ ． ｉ ／ ＋Ａ 欧姆接触
ｍｎ Ｘ ａ谱、 射线衍射的 手段检测出 Ｓｋ Ｈｚ 来， ｕｔ ａａ ｉ ｒ
等使用高分辨电子显微镜揭示了这种特殊的材料的 性构特点。 对于一般意义上的纳米晶硅，即 ｎ一ｉＨ 其 ｃＳ ， ：
结晶比高达 ６％ － ０ ０ ８％，晶粒间相隔 ２一 个原子 ３
－） 区 于 米晶 ｎ ｏ ｓｌｅ ｎ Ｓ ， 别 纳 硅一ａｃ ｔｉ ｓｏ（ ｉ ｎｒ ａｎ ｌ ｎ－ ｙ ｌ ｉ ｃ ｃ
Ｓ 。将这种宽带隙纳米非晶硅材料其用于制作 ｉ ） ｇｓ Ｉ ／－－Ｃｉ ａＳ Ｈ ｎｎ－ｉ ｌｓＴ ｐａＳ ／－ －ｉ ／－ Ｓ Ｈ结构的太 ａ／ Ｏ ｉ ｎ ： ｃ ： 阳电池，电池初始开路电压（ 高达０９Ｖ 嵘） ． ，同 ４ 时还能保证０７ 的填充因子（Ｆ 。光电转换效率 ．２ Ｆ）
中 制备的。系统本底真空为６１一 ａ 所用衬底有 ｘ ’。 ０Ｐ Ｉ Ｔ Ｏ导电 玻璃和７５ 玻璃两种。 ０ 玻璃用于各单 ０９ ７５ ９
层膜的光学表征和Ｐ 谱测量。载人沉积系统之前， ， ｌ 衬底需用去离子水煮沸清洗。Ｐ型窗口 层放电气体 为硅烷（Ｈ） 烷（Ｈ） 氢气（ ２ Ｓａ 、甲 Ｃ ， 、 Ｈ）和掺杂气体 （％的 Ｉ 稀释）硼烷（２ Ｈ） ３ ０预烘烤３ 分 ＢＨ ＋ ２。 ０ ６ ０ ０ 钟， 生长时的压力、 温度和功率密度分别为 １ 帕、 ０ ０
阳电池的开路电压和填充因子。因此， 实际制作太
阳 池的 要 部 电 重 组成 分，自 ａａ ［ 道了ａ 从Ｔ ｄａ 报 ｗ ａ 〕 等
－ｃＨ ａ ｉＨ异质结太阳电池以来，ａＳ ： Ｓ ： －： ｉ ／Ｓ －ｉ Ｈ被 Ｃ 广泛用于Ｐ 型窗口 层。为了实现Ｉ ／ 界面的欧姆 Ｔ ｐ Ｏ 接触，降低由于接触带来的串连电阻的增加，首先 需要沉积很薄的一层重掺杂层， 也就是所谓的Ｐ 层。随后的Ｐ 层一方面要求掺杂适当，同时要求合