非晶硅太阳能电池背反ZnO_Al薄膜制备

非晶硅太阳能电池背反ZnO_Al薄膜制备

硅 酸 盐 学 报

第38卷第1期

2010年1月

硅 酸 盐 学 报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

Vol. 38，No. 1 January，2010

非晶硅太阳能电池背反ZnO:Al薄膜制备

肖海波，曾湘波，刘石勇，彭文博，石明吉，张长沙

(中国科学院半导体研究所，北京 100083)

摘 要：以ZnO:Al(2%Al2O3，质量分数)为靶材，用射频磁控溅射在玻璃衬底上制备ZnO:Al薄膜，分析了各沉积参数对薄膜光电性能的影响。结果表明：溅射功率对ZnO:Al的透过率影响最大，其次是反应腔室压力，而衬底温度对透过率几乎没有影响。ZnO:Al的电阻率主要取决于衬底温度和溅射功率。综合考虑透过率和电阻率，确定了背反ZnO:Al的最佳沉积参数(衬底温度为200 ℃，溅射功率为200 W，反应腔室压力为0.6 Pa)，得到了透过率大于85%，电阻率最小为7.6 × 10–4 cm的ZnO:Al薄膜。制备了ZnO:Al/Ag/ss(stainless steel)背反电极，并将其用于非晶硅太阳能电池。与无背反的不锈钢衬底上的电池相比，非晶硅太阳能电池短路电流密度增加了16%。

关键词：掺铝氧化锌薄膜；背反电极；非晶硅太阳能电池；磁控溅射

中图分类号：TB32 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)01–0046–04

ZINC OXIDE:ALUMINUM FILMS AS BACK REFLECTOR IN AMORPHOUS SILICON SOLAR CELLS

XIAO Haibo，ZENG Xiangbo，LIU Shiyong，PENG Wenbo，SHI Mingji，ZHANG Changsha

(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract: The ZnO:Al films were prepared on glass using a ZnO ceramic target with Al2O3 of 2% in mass by radio frequency magne-tron sputtering. The effect of deposition parameters (such as sputtering power, gas pressure and substrate temperature) on the optical and electrical properties of zinc oxide:aluminum (ZnO:Al) films was investigated. The results show that the transmittance of the ZnO:Al films is mainly affected by sputtering power and gas pressure. The substrate temperature has a slight impact on the transmit-tance. The resistivity of the ZnO:Al films is determined by substrate temperature and sputtering power. The deposition parameters (i.e., sputtering power: 200 W, gas pressure: 0.6 Pa and substrate temperature: 200 ℃) for both the transmittance and resistivity were opti-mized. The ZnO:Al films with the high transmittance (>85%) and low resistivity (7.6×10–4 cm) can be obtained under the optimized sputtering conditions. The short-circuit current density of the ZnO:Al films for a ZnO:Al/Ag/ss (stainless steel) back reflector electrode in a-Si:H solar cells is higher than 16%, compared to that of the cells deposited on stainless steel substrate without back reflector.

Key words: aluminum-doped zinc oxide thin films; back reflectors; amorphous silicon solar cells; magnetron sputtering

在非晶硅太阳能电池中，ZnO作为插入层用于背反电极可阻挡金属的扩散。[1] 另外，通过对其进行绒面处理还可陷光，[2] 这样电池光吸收活性层的本征层可做得更薄，减小与光致衰退相关的Staebler–Wronski(SW)效应，[3] 从而提高电池稳定性。由于背反电极反射的光需穿过ZnO层才能被本征层吸收，因此，ZnO在相应波段(550～800 nm)应有高的透过率；同时为了保证背反电极与n层Ohmic接触，ZnO还需有良好的导电性。ZnO的光电性质主要受衬底温度、[4] 溅射功率[5–6]和反应腔

收稿日期：2009–07–28。 修改稿收到日期：2009–10–03。 基金项目：国家973计划(2006CB202604)；国家自然科学基金(60576036)

资助项目。

第一作者：肖海波(1985—)，男，硕士研究生。 通讯作者：曾湘波(1964—)，女，副研究员。

室压力[7–9]的影响，因此，选择合适沉积参数可获得

良好的透过率和导电性的ZnO。一般而言，透过率和导电性难以同时达到最佳，由于透过率对背反陷光效果影响更大，因此，透过率需优先考虑。导电性可通过在ZnO中适度掺Al(ZnO:Al)并选择适当沉积参数来改善。

Wenas等[10]计算表明，插入100 nm的ZnO后背反的反射系数能增加20%。Sopori等[11]通过计算得出平面和织构ZnO/Ag/ss(stainless steel)衬底上的电池的短路电流密度(Jsc)分别比ss衬底上的大36%

Received date: 2009–07–28. Approved date: 2009–10–03.

First author: XIAO Haibo (1985–), male, graduate student for master degree. E-mail: hbxiao03@http://www.77cn.com.cn

Correspondent author: ZENG Xiangbo (1964–), female, associate professor. E-mail: xbzeng@http://www.77cn.com.cn

非晶硅太阳能电池背反ZnO_Al薄膜制备

第38卷第1期

肖海波 等：非晶硅太阳能电池背反ZnO:Al薄膜制备

· 47 ·

和43%，该文献中报道的实验则分别提高了24%和

[12–14]

32%。国内也有ZnO用于背反电极的相关报道， 其中李微等[13]将中频磁控溅射的ZnO用于铜铟镓硒(copper-indium-gallium-selenide，CIGS)太阳能电池，与无ZnO插入层的电池相比，其Jsc提高10%；薛俊明等[14]将直流磁控溅射法制备的ZnO/Al背反射电极用于pin结构非晶硅太阳能电池，Jsc增加1～ 2

3mA/cm。而有关射频溅射ZnO用于硅基薄膜nip结构电池背反电极的国内报道较少。射频磁控溅射避免了直流溅射存在的靶中毒现象，同时对实验条件

[15]

的要求没有中频溅射高，更容易实现工业化生产。

采用射频磁控溅射制备了ZnO:Al样品，研究了衬底温度、溅射功率和反应腔室压力对ZnO:Al透过率(550～800 nm波段)和电阻率的影响。根据透过率优先的原则综合考虑导电性，确定了背反ZnO:Al的最佳沉积参数，得到了透过率大于85%，电阻率达10–4 cm的高质量ZnO:Al薄膜，并将其应用于nip结构非晶硅太阳能电池ZnO:Al/Ag/ss背反电极，并测量了电池的量子效率(quantum effi-ciency，QE)。

的升高，薄膜透过率逐渐变大。这是由于温度较低时，溅射到衬底上的原子没有获得足够的能量找到最

[4]

佳的位置沉积，导致晶粒较小且有较多的晶界， 由于晶界与晶粒间的折射率差，导致光线在薄膜中的光程增加，光吸收也相应增加，从而导致透过率较低。随着温度升高，晶粒尺寸逐渐增大透过率变好。由于透过率随温度变化很小(均在85%～86%之间)，因此，在实验温度范围内，衬底温度对透过率的影响可忽略。

图1 不同衬底温度的ZnO:Al透射谱

Fig.1 Transmittance spectra of ZnO:Al deposited at different

substrate temperatures

1 实 验

以ZnO:Al(2%Al2O3，质量分数)为靶材，利用射频磁控溅射在玻璃衬底上制备ZnO:Al薄膜。溅射时固定靶和衬底间的距离为8 cm，Ar流量为40 mL/s，衬底温度150～300 ℃，溅射功率100～250 W和反应腔室压力0.3～0.8 Pa。制备的ZnO:Al薄膜厚度为660～900 …… 此处隐藏：8660字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……