320云南师范大学胡志华-1

非晶硅/晶体硅异质结HIT太阳电池研究*

胡志华1,3王文静2许颖2赵秀玲2夏朝凤3刘祖明3刁宏伟1郝会颖1廖显伯1

1中国科学院半导体研究所北京 100083

2北京市太阳能研究所北京 100083

3云南师范大学能源与环境科学学院，教育部可再生能源新材料重点实验室昆明 650092 Email: huzhihua@ & huzhihua@

摘要：本文报道了具有低温薄膜工艺特点的非晶硅/晶体硅异质结HIT太阳电池的实验研究结果。电池结构采用TCO/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/Al。选用ITO作减反射膜时，电池的开路电压较高，短路电流较小；而选用ZnO:Al作减反射膜时，电池的短路电流较大，开路电压较低。以ITO作减反射膜的太阳电池最高光电转换效率达到8.26%(AM1.5，100mWcm-1)。

1. 引言

晶体硅太阳电池具有转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据太阳电池世界总产量的绝大部分。但传统晶体硅太阳电池生产中的高温（9000C以上）扩散制结工艺又限制了生产效率的提高和产品成本的进一步降低[1]。多年来各国科学家一直在努力研究探索低成本高产量的高效薄膜太阳电池制造技术。氢化非晶硅（a-Si:H）太阳电池生产工艺温度较低（4000C以下），便于大规模生产，因此受到各国科学家的普遍重视并得到迅速发展[2]。但是，氢化非晶硅（a-Si:H）太阳电池的光致退化（Staebler-Wronski 效应）[3]问题始终没有得到很好的解决，同时其光电转换效率还有待进一步提高[4]。一条可行的途径是用宽带隙的a-Si作为窗口层或发射极，单晶硅[5]、多晶硅片作衬底[6,7]，形成所谓的异质结太阳电池。这种电池既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。Hamakawa[8]等率先报道了采用

这种结构获得的12%（nip-a-S

i :H/np-c-S

i

叠层结构）的光电转换效率，Tanaka[9]等还创下p-

a-Si:H/i-a-Si:H/n -c-Si结构太阳电池光电转换效率18.1%的最高记录。并将这种带有本征薄层的结构称之为HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）结构。三洋(Sanyo)公司于1990年开始进行具有p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-c-Si 结构的HIT太阳电池的研究[10]。1994年他们的研究工作取得了突破性进展，在1cm2面积上制备出转换效率为20.0%的HIT太阳电池[11]。以此工作为基础，日本三洋(Sanyo)公司很快展开了HIT TM太阳电池的产业化研究，并于1997年迅速实现了HIT TM太阳电池的工业化生产。所生产的面积超过100cm2的HIT太阳电池的转换效率高达17.3%。所推出的商业化HIT太阳电池组件被命名为HIT Power21，它由96片HIT太阳电池组成，输出功率为180W[12]。创下了面积为100cm2的太阳电池转换效率最高的世界纪录。根据最近的报道[13]， HIT TM太阳电池又把面积为100cm2的太阳电池转换效率的最高世界纪录改写为21.2%。同时，工业化生产已获得18.5%的世界最高电池转换效率和16.1%的组件效率。新的“190W HIT 组件”已于2002年10月投放市场。

我们前期已经就HIT太阳电池进行过数值模拟研究[14]，本文报道了近期的实验研究结果。

2. 实验

我们选用的硅片是Φ100mm的p型单晶硅，硅片电阻率为2Ωcm。20％NaOH减薄到300μm左右并进行RCA清洗。将清洗后的硅片烘干，真空蒸发铝。蒸铝后在800°C条件下烧结Al背场，自然冷却后，王水漂去铝，然后蒸银电极。将做好背电极的晶体硅片载入PECVD系统，系统极限真空度5x10-4Pa。

*本研究工作得到了国家重大基础研究计划（973）项目（合同号：G2000028201）和北京市自然科学基金重点项目资助。

图-1 HIT太阳电池结构示意图

Fig.1 Illustration of HIT solar cell structure 本征层沉积条件：n 型掺杂层沉积条件：

SiH

4流量： 2scc SiH

4

流量：2scc

H

4流量：20～40scc H

2

流量：40～100scc

气压：90Pa 气压：90Pa

RF功率：5W RF功率：20W

温度：200°C 温度：200°C

1％PH

3

流量：10～15 scc 时间：0～5min 时间：5min

完成非晶硅层的沉积之后，需要立即制作透明导电减反射膜和银电极。我们使用的是一台新近研制的RF磁控溅射仪。靶材尺寸为直径3英寸，5mm厚，由90％In2O3和10％SnO2高温烧结压制而成。靶材用铟（In）箔作背衬，安装在水冷不锈钢磁控溅射靶盘上。高纯Ar（99.99％）作为溅射气体，流量由质量流量计控制。溅射电源是带匹配器的13.56MHz射频源。已沉积非晶硅的硅片平行放置在距离靶面7－10cm 的可旋转的不锈钢衬底架上。衬底温度为200°C，溅射功率50-100W，时间10分钟。ITO薄膜厚度约60nm。为了比较，我们还以掺铝氧化锌（ZnO:Al）作透明导电减反射膜。靶材是ZnO（wt 98％）: Al2O3(wt2％)陶瓷靶材。ZnO的工艺条件是：气压15～25Pa，Ar2流量80～100scc，衬底温度50～100°C，RF功率300～500W。

3. 结果与讨论

表-1和图-2是首批试制的n-a-Si:H/i-aSi:H/p-c-SiHIT太阳电池的测试结果。光电测试在北京市太阳能研究所进行，光照条件为AM1.5，100mW/cm2，测试温度25°C。从J-V曲线来看，这批次的太阳电池的ITO（或ZnO:Al）透明导电膜不好，导致串连电阻增大，影响了填充因子和开路电压。另外，此批次的太阳电池i-a-Si:H 层厚度同n-a-Si:H相当（沉积时间相同），i层相对厚了一些，因而影响了填充因子。从短路电流来看已经接近同等结构的国际最好水平（Area＝1cm2，

Isc=29.78mA，Voc=590.4mV，FF=74.31%，η＝13.1%）。[15]下一步工作的重点是优化各层工艺条件，特别是i-a-Si:H的厚度和ITO的电导率的控制，以期提高电池的填充因子和开路电压。