（光学工程专业论文）hit电池表面钝化技术及zno透明导电膜的研究.pdf

摘要 摘要 随着光伏产业的发展，硅材料的短缺问题凸显，开发低成本、高效率、高稳定性 太阳电池成为主要的研究方向。非晶硅单晶硅异质结电池由于具有工艺温度低、转 换效率高和温度系数低等优点而备受关注。本文开展了h i t ( h e t e r o j u n c t i o nw i t h i n t r i n s i ct h i nl a y e r ) 池的相关研究，着重研究电池表面钝化技术及z n o 透明导电膜。 本论文的研究结果对提高非晶硅单晶硅异质结电池性能具有一定的参考意义。 在h i t 电池的制备过程中，a - s i ：h 薄膜的沉积是工艺技术的核心。本文研究了影 响非晶硅薄膜沉积速率的因素，如沉积气压、射频功率、氢稀释度以及电极进气方式 等。结果表明：随着沉积气压的升高，薄膜沉积速率加快，但当气压升高到一定程度 以后，薄膜的生长速率反而降低；沉积速率随功率增加而增加，当功率进一步增加， 沉积速率向相反方向变化；氢稀释度越高，薄膜的沉积速率越低；s h o w e r h e a d 电极的 薄膜沉积速率及硅烷的利用率均比单侧进气电极的大。 以a - s i ：h 薄膜的沉积速率研究为基础，开展了对非晶硅钝化后硅片少子寿命的 研究。研究结果表明：本征层厚度需适中；本征层少子寿命随沉积气压的增加呈现先 增大后减小的趋势；少子寿命随射频功率的增大先增大后减小；氢稀释能有效提高少 子寿命，但氢稀释度过高反而使少子寿命下降；随着氢气处理时间的增加，少子寿命 变化很大，氢气的最佳处理时间为2 分钟左右；采用h f 臭氧清洗方法可以使少子寿 命得到很大改善；抛光片钝化后少子寿命大于制绒片钝化后的结果 作为h i t 电池窗口层的透明导电膜- z n o ，其质量将直接影响电池性能。本文采 用磁控溅射技术，在不同的氩气压强和溅射功率下制备z n o 薄膜，分析了薄膜的沉 积速率和光电特性，结果表明：在沉积气压为4m t o r r 、溅射功率为2 0 0 w 的条件下 制备的薄膜具有很好的导电性和光透过性。将其应用到h i t 电池中，得到的开路电 压最高。 对于h i t 电池的整体研究，主要在结构为z n o a s i ：h ( p ) a - s i ：h ( i ) c s i ( n ) a - s i ：h ( i ) a - s i ：h ( n ) z n o a l 的电池上进行。通过对电池q e 及s u n s v o c 的测试，来重点 研究本征层、发射层及背面z n o 对电池性能的影响。在1 2 5 抛光片上，利用优化后 的沉积参数制备h i t 电池，所得电池的开路电压平均在7 0 0 m v 以上。在对1 2 5 制绒 硅片的q e 和s u n s v o c 测量结果的研究分析中发现：非晶硅对短波光较强的吸收作用 令电池的量子效率对本征层或发射层的厚度都非常敏感，因此非晶硅层不宜太厚；背 面z n o 对电池的陷光有积极作用，它的引入会使电池整体性能得到提升。 最后，通过优化沉积参数，在1 2 5 制绒硅片上得到最佳h i t 电池的理想转换效 率为1 2 7 9 。 摘要 关键词： h i t ，非晶硅单晶硅，异质结，钝化，透明导电膜 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h es h o r t a g eo fs i l i c o nr a wm a t e r i a lb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h e d e v e l o p m e n to fp vi n d u s t r y l o w - c o s t ，h i 曲- e f f i c i e n c ya n dh i g h - s t a b i l i t ys o l a rc e l l st u r n o u tt ob et h ed o m i n a t i n gr e s e a r c hd i r e c t i o n a - s i c - s ih e t e r o j u n c t i o ns o l a rc e l l sh a v eb e e n a t t r a c t i n gm o r e a t t e n t i o nb e c a u s eo fl o wp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ，h i g hc o n v e r s i o n e f f i c i e n c ya n dl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t i nt h i st h e s i s ，s o m e t h i n g ，e s p e c i a l l yt h es u r f a c e p a s s i v a t i o na n dz n ot r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d eo nh i t ( h e t e r o j u n c t i o n 、析t 1 1i n t r i n s i c t h i nl a y e r ) s o l a rc e l l sa r es t u d i e d t h ed e p o s i t i o no fa - s i ：ht h i nf i l mi st h ec o r ei nt h ef a b r i c a t i o no fh i ts o l a rc e l l s t h e f a c t o r s ，s u c ha sd e p o s i t i o np r e s s u r e ，r fp o w e r , t h ed i l u t i o no fh y d r o g e na n dg a s i nm o d e o fe l e c t r o d e ，o fa f f e c t i n gd e p o s i t o nr a t eo fa m o r h o u st h i nf i l m sa r es t u d i e d w i t ht h e i n c r e a s eo fd e p o s i t i o np r e s s u r e ，t h ed e p o s i t i o nr a t eo ft h i nf i l l si n c r e a s e s b u tt h er a t e d e c r e a s e sa f t e rt h ep r e s s u r er e a c h e sah i g hv a l u e t h ed e p e n d e n c eo fd e p o s i t i o nr a t eo nr f p o w e ri ss i m i l a r 谢t l lt h a to nd e p o s i t i o np r e s s u r e t h eh i g h e rt h ed i l u t i o no fh y d r o g e ni s t h el o w e ro ft h ef i l ld e p o s i t i o nr a t ei s t h ed e p o s i t o nr a t ea n dt h es i i - 1 4d e c o m p o s i t i o ni n s h o w e r h e a de l e c t r o d ea r es t r o n g e rt h a nt h o s ei nu n i l a t e r a lg a s i ne l e c t r o d e s ，t h er e s e a r c ho fm i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m ea f t e rp a s s i v a t i o ni sd e v e l o p e do nt h eb a s i so f t h es t u d i e so nt h ea m o r p h o u sd e p o s i t i o nr a t e t h et h i c k n e s so fi n t r i n s i cl a y e rm u s tb e m o d e r a t e w i t ht h ei n c r e a s eo fd e p o s i t i o np r e s s u r et h el i f e t i m ef i r s ti n c r e a s e sa n dt h e n d e c r e a s e s t h ee f f e c to fr fp o w e ro nl i f e t i m ei sa l s oi nt h i st r e n d t h em i n o r i t yc a r r i e r l i f e t i m ec a nb ei m p r o v e db yh y d r o g e nd i l u t i o n b u ti ft h ed i l u t i o ni st o os 仃o n g ，t h e l i f e t i m eb e c o m e sw o r s e t h em i n o r i t yc a r r i e rl i f e t i m eh a sg r e a tc h a n g e s 、 ，i u lt h ei n c r e a s e o fh y d r o g e np r e t r e a t m e n tt i m e a n dt h eb e s tt r e a t m e n tt i m ei sa b o u t2m i n u t e s t h e l i f e t i m ec a l lb ei m p r o v e dal o tb yt h eu s eo fh f 0 3c l e a n i n gs y s t e m t h el i f e t i m eo f p o l i s h e d ，a f e ri sl a r g e rt h a nt h a to ft e x t u r e dw a f e r t h ep e r f o r m a n c e so fh i ts o l a rc e l l sa r ei m p a c t e dd i r e c t l yb yz n ow i n d o wl a y e r i n t h i sw o r k ，z n ot h i n - f i l m sa r ep r e p a r e db yr a d i o f r e q u e n c y m a g n e t r o ns p u t t e r i n g t e c h n i q u ea td i f f e r e n ts p u t t e r i n ga rp r e s s u r e sa n ds p u t t e r i n gp o w e r s t h eg r o w t hr a t e s ， e l e c t r i c a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e s ef i l m sa r ea n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef i l m d e p o s i t e da ts p u t t e r i n ga rp r e s s u r eo f4 m t o r ra n ds p u t t e r i n gp o w e ro f2 0 0 w h a sag o o d c o m p r o m i s eb e t w e e nt h ec o n d u c t i v i t ya n do p t i c a lt r a n s m i t t a n c e t h ev o co fh i ts o l a r c e l l sb e c o m e sh i g h e rw i t ht h e s ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r so fz n o t h eo v e r a l lr e s e a r c ho fh i ts o l a rc e l l sb a s e do nt h es t r u c t u r eo fz n o a - s i ：h ( p ) a s i ：h ( i ) c s i ( n ) a s i ：h ( i ) a - s i ：h ( n ) z n o a 1 a r ei n v e s t i g a t e d t h ed e p e n d e n c eo f p e r f o r m a n c e so fs o l a rc e l l so ni n t r i n s i cl a y e r , e m i t t e rl a y e ra n dz n ol a y e ra r er e s e a r c h e d i i i b yt h em e a s u r e m e mo fq ea n ds u n s v o co fh i ts o l a rc e l l s f o rt h et y p eo f12 5p o l i s h e d w a f e r s ，t h ev o co fa l lt h eh i ts o l a rc e l l sa r ea b o v e7 0 0 m v 、7 眭t ht h eb e s td e p o s i t i o n p a r a m e t e r s f o rt h e12 5t e x t u r e dw a f e r s ，t h em e a s u r e m e n to fq ea n ds u n s v o ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq eo fh i ts o l a rc e l l sa r es e n s i t i v eo nt h et h i c k n e s so fi n t r i n s i c a n de m i t t e rl a y e r sb e c a u s eo ft h es t r o n ga b s o r p t i o no ft h ea m o r p h o u sf o rs h o r t - w a v e l e n g t h p h o t o n s t h et h i c k n e s so fa m o r p h o u sl a y e rs h o u l dn o tb et o ot h i c k w i t ht h ei n t r o d u c t i o n o fb a c kz n o ，t h ew h o l ep e r f o r m a n c e so fh i ts o l a rc e l l sa r ee n h a n c e d t h a ti n d i c a t e st h a t t h er o l lo ft h eb a c kz n oi sp o s i t i v ef u n c t i o n i nc o n c l u s i o n t h ep s e u d oe 衔c i e n c yo fo u rb e s th i ts o l a rc e l l i s1 2 7 9 k e y w o r d s ： h i ts o l a rc e l l s ，a s i ：h c - s i ，h e t e r o j u n c t i o n ，p a s s i v a t i o n ，t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d e i v 本论文缩略词注释表 本论文缩略词注释表 缩略词 英文全称中文全称 a s i a m o r p h o u ss i l i c o n 非晶硅 c s i c r y s t a l l i n es i l i c o n 单晶硅 p l a s m a e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o r p e c v d 等离子增强化学气相沉积 d e p o s i t i o n h o t w i r ec h e m i c a lv a p o r h w c v d 热丝化学气相沉积 d e p o s i t i o n c zc z o c h r a l s k i 直拉单晶制造法 f zf l o a t z o n e 区熔单晶制造法 t c o t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d e透明导电膜 i t oi n d i u mt i no x i d e 氧化铟硒 z n oz i n co x i d e 氧化锌 e g f o r b i d d e nb a n d w i d t h 禁带宽度 i v c u r r e n t - v o l t a g e 电流电压 j vc u r r e n td e n s i t y - v o l t a g e 电流密度电压 v o co p e nc i r c u i tv o l t a g e 开路电压 i s c s h o r tc i r c u i tc u r r e n t 短路电流 j s c t h ed e n s i t yo fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t 短路电流密度 f ff i l lf a c t o r 填充因子 s i h 4 s i l a n e 硅烷 h eh y d r o g e n 氢气 f t - i rf o u r i e rt r a n s m i s s i o ni n f r a r e d 傅立叶红外变换 r c ar a d i oc o r p o r a t i o no f a m e r i c a 美国无线电公司 d i 琵旺e rd e i o n i z e dw r a t e r 去离子水 i q e i n t e r n a lq u a n t u me f f i c e n c y 内量子效率 b s fb a c ks u r f a c ef i e l d 背场 n a t i o n a li n s t i t u t eo f a d v a n c e d a i s t 日本产业技术综合研究所 i n d u s t r i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y v i i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获 得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 怿名：憾煎角气 日 期： w 。尸q - 、f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文 签名： 傀角张 导师签名： 彳j ) ， v 日 期： 厶。尸一j 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 第一章绪论 随着能源危机和环境污染等问题日益加剧，人类需要寻找新的可再生能源代替 煤、石油、天然气等非可再生能源。太阳能作为清洁能源而备受青睐，太阳电池的研 究也受到全世界广泛的重视。世界太阳能光伏产业和市场在严峻的能源形势和生态环 境形势压力下、在技术进步促进下以及在法规政策强力推动下，自9 0 年代后半期起 进入了快速发展的时期。最近1 0 年( 1 9 9 7 2 0 0 7 ) 太阳电池的年平均增长率为4 1 3 ， 最近5 年( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 的年平均增长率为4 9 5 嘣1 1 。特别是自2 0 0 4 年德国实施了经过 修订的“上网电价法”以来，市场需求急剧扩大，光伏产品供不应求。 自光伏行业诞生以来，晶体硅电池一直占据市场的主导地位。但硅材料的短缺和 价格持续不降等瓶颈打破了光伏行业这种一元化的模式，而朝向多元化发展。薄膜电 池以其成本低、工艺简单等优点异军突起。表1 1 为2 0 0 1 2 0 0 7 年世界各类太阳电池 产量，可以看出薄膜电池的发展速度已经超过了晶体硅电池的发展速度。 表1 12 0 0 1 2 0 0 7 年世界各类太阳电池产型1 1 单位：m w p t a b l e1 1t l eo u t p u to f w o r l dp vc e l lf r o m2 0 01t o2 0 0 7 t 1 1 u n i t ：m w p 午份2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 单晶硅电池1 3 3 1 8 32 3 7 4 0 96 7 21 1 4 1 1 6 5 1 多晶硅电池 2 0 5 13 2 3 84 6 77 2 71 0 1 3 91 2 2 9 71 9 9 9 薄膜电池 3 63 04 36 51 0 71 9 13 5 0 合计3 7 4 15 3 6 87 4 71 2 0 11 7 9 2 92 5 6 1 74 0 0 0 晶体硅电池具有转换效率高、技术成熟等优点。但传统的高温扩散工艺又限制了 转换效率的提高和成本的进一步降低。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。但是，a - s i ：h 薄膜太阳光致衰退问题始终没有 得到很好的解决，同时其光电转换效率还有待进一步提高。一条可行的途径是用宽带 隙的a - s i ：h 作为窗口层或发射层，单晶硅、多晶硅作衬底，形成所谓的异质结太阳 电池。这种电池既利用了薄膜电池的制造工艺优势，又发挥了晶体硅和非晶硅的材料 性能特点，具有实现高效、低成本太阳电池的发展前景。 a - s i ：h c s i 异质结电池已经成为最有市场前景的太阳电池之一，受到国际上许多 国家的广泛关注，目前许多研究机构和企业正在开展a s i ：i - i c s i 异质结电池的研究。 s a n y o 的h i t ( h e t e r o j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i nl a y e r ) 电池( 结构如图1 1 所示) 实验室 转换效率己达到2 2 3 口j ，且r m s w a n s o n 通过理论分析，预言这种结构电池的转换 效率可以超过2 5 4 1 。除了高转换效率，h i t 电池还有以下优点： 1 简单的低温工艺。全部工艺在2 0 0 下完成，能量消耗少，同时还能避免热应 力以及由此造成的对硅片的损伤，对硅片机械质量的要求也相应变低【5 】。 江南大学硕士学位论文 2 完美的钝化效果。利用高质量本征薄层钝化，创造了表面复合速率最低的世界 纪录3 c m a 嗍。 e 口g 型0 0 1 , u r n 图l 一1s a n y o 奁司h i t 电地结构示意圈 f i g i is c h e m a t i cd i a g r a mo f a h i t e e l lb ys a n y o 3 高稳定性【”。由于h i t 电池中本征非晶硅层的厚度很薄，对光电转换的贡献很 小，因此不存在非晶硅薄膜电池中由于本征层引起的s - w ( s t e a b l e r - w r o n s k i ) 效应。 4 优秀的温度特性l g l 。h i t 电池的温度系数较传统由扩散工艺形成的电池低，即 便在户外高温度的工作条件下，仍能表现出很好的输出特性。 5 对称结构。可以减少生产过程中的热应力和机械应力，有利于衬底厚度减薄j 。 前后表面同时对光线的吸收使得发电量更多 s i 。 6 产量较高。由于h i t 电池p - n 结的形成和表面钝化同时发生，工艺时间缩短， 因此提高了产量。 在研究舢s i ：h c s i 异质结电池的众多机构和企业中，只有s m a y o 公司的h i t 电 池成功实现了产业化，这说明h i t 电池具有本身结构上的优势。尽管h i t 电池取得 如此高的转换效率，但是有关p e c v d 的沉积参数及详细制备过程却没有一点报道。 世界各国的实验组至今还没有一个能达到或重复s a n y o 公司如此好的实验结果。人们 普遍认为，s a n y o 公司之所以能取得这样高的光电转换效率是由于在太阳电池的p - n 结中插入一个本征缓冲层( b u f f e r l a y e r ) ，这个本征缓冲层由于对s i 片表面有钝化作用 而导致了界面特性的改善。因此，后来人们把丈量的研究都集中在如何改进p - n 异质 结太阳电池的本征缓冲层的钝化作用& t 9 1 。本文也将研究重心放在本征层的表面钝化 作用及z n o 透明导电膜上面。该研究对高效、低成本、高稳定性电池技术的发展具 有一定的参考意义。 1 2h i t 电池发展及研究现状 早在1 9 7 4 年，a - s i ：h c s i 异质结电池的概念就被提出 i o l 。直到1 9 8 3 年， yh a m a k a w a 等人才制作了第一块a s i ：h c s i 异质结电池，当时的转换效率为 1 23 7 n u 。后来在这些研究的基础上，发展出了转换效率2 1 的“h o n e y m o o n ”叠层电 池i 。 第一章绪论 s a n y o 公司于上世纪9 0 年代开始进行具有p 型a s i ：h 本征a s i ：h n 型c s i 结构 的h i t 太阳电池的研究【1 3 】。1 9 9 4 年他们的研究工作取得了突破性进展，在1 c n l 2 面积 上制备出转换效率为2 0 0 的h i t 太阳电池【7j 。以此工作为基础，s a n y o 公司很快展 开了h i t t m 太阳电池的产业化研究，并于1 9 9 7 年迅速实现了h i p 太阳电池的大规 模工业化生产。所生产的面积超过1 0 0 c m 2 的h i t 太阳电池的转换效率高达1 7 3 ， 所推出的商业化h i t 太阳电池组件被命名为h i tp o w e r 2 1 ，它由9 6 片h i t 太阳电池 组成，输出功率为1 8 0 w 2 1 。随着研发水平上h i t 太阳电池转换效率的不断提升，大 规模工业化生产的h i t 组件的性能也在不断提高。随即推出了单个电池转换效率为 1 9 5 ，输出功率为2 0 0 w 的h i t 组件桫j 。根据2 0 0 7 年的报道，s a n y o 公司创造了 h i t 电池最新世界纪录【3 】：10 0 5 c m 2 面积上实现2 2 3 的转换效率( a i s t 测试) 。目前， s a n y o 公司的短期目标是在2 0 1 0 年将h i t 电池转换效率提高到2 3 。为了进一步降 低生产成本，还会开展衬底厚度在l o o p m 以下的h i t 电池的研究工作【1 4 】。 s a n y o 公司的h i t 电池是采用p e c v d 技术，在n 型c z 单晶硅片上制得的结构 为e l e c t r o d e f l t o ( p ) a - s i ：h ( i ) a - s i ：h ( n ) c s i ( i ) a s i ：h ( n ) a s i ：h i t o m e t a l e l e c t r o d 的太阳 电池。区别于s a n y o 公司，其他一些研究机构利用不同材料、不同沉积技术以及不同 的结构开展对a - s i ：h c s i 异质结电池的研究。表1 2 列出了一些国家研究机构的h i t 电池研究现状。 表1 2 一些国家h i t 电池的研究现状 f i g 1 2s e v e r a lc o u n t r e sr e s e a r c ha c t u a l i t yo fh i ts o l a rc e l l s 研究机构国家沉积方式转化效率 h m i德国p e c v d18 5 ( f z p ) ，19 8 ( f z n ) t 1 5 】 n r e l 美国h w c v d 18 2 ( f z n ) t 1 6 】 i m t瑞士v h f p e c v d 1 7 6 ( f z n ) ，1 6 3 ( f z p ) 【1 7 1 e n e a意大利p e c v d10 2 ( f z p ) 【1 8 1 g u c a s中国h w c v d17 2 7 ( c z p ) t 1 9 1 s e m i c a s中国p e c v d 1 4 i ( c z p ) 【2 叫 s a n y o 日本 p e c v d 2 2 3 ( c z n ) t 1 4 1 从表1 2 可以看出，在h i t 电池中，非晶硅薄膜的主要沉积方式是p e c v d 和 h w c v d 。这两种沉积方式都有各自的优点：p e c v d 技术是一种是低温、大面积沉 积技术，有利于降低生产成本；与p e c v d 技术相比，h w c v d 的沉积过程不需要等 离子体，衬底可以悬浮在腔体中。而且，从热丝发射出来的电子通常具有相当低的能 量而不能对气体分子与基团进行离化，因而，p e c v d 中常见的离子轰击效应在 h w c v d 中很弱，这是h w c v d 一个非常重要的优势。 无论是p 型还是n 型单晶硅都有其各自的优缺点。对于掺硼的p 型材料来说，由 于硼和间隙氧的存在，使得以p 型单晶硅为衬底的太阳电池有较严重的光照衰减问题 【2 1 1 。如果使用1 1 型衬底材料，这个问题将得到解决。m t u c c i 等人认为【2 2 】：以n 型单 晶硅为衬底比以p 型单晶硅为衬底具有更大的优势。从能带结构( 图1 2 ) 来看，以n 3 江南大学硕士学位论文 型单晶硅为衬底的异质结太阳电池由于价带的弯曲可以通过较高的p 型激活能补偿， 在结区空穴的准费米能级没有多少变化，因此，这种结构的电池能产生较高的圪。值， 但它对界面清洁度要求较高。而以p 型单晶硅为衬底的异质结太阳电池由于圪。主要 被前面结的内建电场控制，因此对1 1 型发射极需要一个较低的激活能值，而0 2 e v 的 1 1 型a - s i ：h 激活能显然会导致在结区一个较大能带偏移。所以，这种结构的电池有较 低的值，但由于有较高的内建电场形成，增加了对电子的收集，将导致在结区对 缺陷态不是十分敏感。虽然如此，目前多数研究者还是着重研究结构为 ( n ) a - s i ：h ( p ) c s i 的异质结电池。主要因为以p 型单晶硅材料为衬底的电池接触电阻较 低【2 3 1 。除此之外，p 型衬底材料的优势还在于电子具有更高的体扩散长度，而p 型材 料的少子正是电子。p 型材料的价格相对于n 型材料较低也是以这种材料为衬底的一 个重要原因。 a ) 丘 毒 毛 毒， b ) ( n ) a - s i ：h( p ) ( 3 - s i ( p ) a - s i ：h( n ) c - s i 图1 - 2 异质结能带结构示意图【2 3 1 a ) n 型非晶硅印型单晶硅b ) p 型非晶脚n 单晶硅 f i g 1 2s c h e m a t i cb a n dd i a g r a mo fh e t e r o j u n c t i o n 2 3 】 ( a ) a n ( n ) a - s i ：h ( p ) c - s i ( b ) a ( p ) a - s i ：h ( n ) c - s i 1 3h i t 电池的基础知识 乞 e f 1 3 1h i t 电池的工作原理 h i t 的英文全称为h e t e r o j u n c t i o nw i t hi n t r i n s i ct h i nl a y e r ，顾名思义，该结构中含 有本征薄层。图1 3 为h i t 电池结构示意图。对照示意图解释其工作原理如下：当p 型的非晶硅和n 型的单晶硅接触后，由于两边电子和空穴的浓度不同，在交界处存在 浓度差，n 区中的多数载流子( 电子) 向p 区扩散，在n 区留下带正电的电离施主，形 成带正电的区域。同时，p 区中的多数载流子( 空穴) 向n 区扩散，留下带负电的电离 受主，形成带负电的区域。此时，在异质结交界面两侧形成正负电荷区，即p - n 结； 同时也建立起一个方向由n 区指向p 区的内建电场。 4 第一章绪论 异蜃耸齐面 电枉 首场 图l 一3h i t 电池结构示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co fh i ts o l a rc e l l 当h i t 电池受到光照时，光透过减反膜t c o ( 透明导电膜) 后，光谱中h v e g ( 非 晶硅禁带宽度) 的光子首先被非晶硅薄膜吸收，激发出载流子。因为硅薄膜和晶体硅 的耗尽区都在异质结界面勒附近，所以，l 区中的少数载流子( 光生电子) 向下运动， 到达耗尽区边界x j 时，被内建电场扫进2 区；2 区中的少数载流子( 空穴) 向上运动到 达耗尽区边界功时，被内建电场扫进l 区。在x - x 2 之间产生的光生载流子，立即被 电场分离，电子被扫进2 区，空穴被扫进1 区。于是异质结两侧出现光生电荷的积累， 产生了光电压，形成了异质结的光生伏特效应。当上电极和下电极间接有负载时，从 上电极流出的光生电流在负载上建立电压并输出功率。由此可见，h i t 太阳电池的工 作原理几乎和同质结太阳电池一样。 1 3 2h i t 电池的基本表征参量 h i t 电池作为一种新结构的太阳电池，在对外输出性能的表征上目前仍然采用常 规电池的表征方法。太阳电池作为一种半导体器件，其功能是将太阳光的光子能量转 换为电能。因此太阳电池在标准光照条件下的伏安输出特性( 即- v 或乒y 特性) 就 成为判定太阳电池器件性能的唯一依据。光照下的太阳电池即可以作为功率输出电 源，同时也可能是耗能器件，这取决于给太阳电池外加的偏置电压的大小和方向。因 此全面反映电池输出特性的应该是图1 4 所示的j - v 曲线。 j 无 ， l 、f 一，一，v m p h |。 i j l 有光熙 j 忡 ， j k 图1 4 典型晶体硅电池光照j - v 特性曲线【2 4 1 f i g 1 - 4j - vc h a r a c t e r i s t i c so fat y p i c a lc r y s t a l l i n es i l i c o ns o l a rc e l l 2 4 1 江南大学硕士学位论文 根据上图所示的正y 曲线，可定义h i t 太阳电池的基本参数2 5 】【2 6 1 。 ( 1 ) 开路电压( 圪c ) 。所谓开路电压就是太阳电池在光照下，外电路断开时电池两 端的电位差。太阳电池的开路电压受到半导体材料禁带宽度的限制。 当电池处于开路状态时，负载电阻毗趋于无穷，i = 0 ，所以 k ：坚l n ( 李+ 1 ) 0 - 1 ) qj s 式中，k 为波尔兹曼常数、丁为温度、g 为电子电量、以为光生电流密度、由为饱和 电流密度。由于五与入射光强成正比，因此也随入射光强增大而增大；圪。还与 由的对数成反比，而以与电池基体材料的禁带宽度有关，禁带越宽，以越小，越 大；还随温度的升高而降低。 ( 2 ) 短路电流密度c ) 。所谓短路电流是太阳电池在光照下，外电路短路时太阳 电池所能输出的电流。短路电流通常正比于太阳电池面积，因此常用短路电流密度厶 ( 单位面积的短路电流) 表示。 当电池处于短路状态时 i 。= i = i ( 1 - 2 ) 即短路电流等于光生电流，与入射光强成正比。 ( 3 ) 填充因子旷d 。填充因子是指太阳电池所能输出的最大功率同短路电流与开 路电压的乘积之比，即 阿= 萼予 ( 1 3 ) rt ， _ js c o c 即是衡量太阳电池输出特性的重要指标之一。在一定的光照条件下，胛越大， 输出功率越高。电池的转换效率也可表示为： 刁= 竽川。 ( 1 - 4 ) 其中，尸拥为入射光功率。 以上参数不仅取决于太阳电池的制造材料和工艺，同时还依赖于光照条件。特别 是光照强度和光谱分布。太阳电池的真正用途是在太阳光照下实现光电能量转换，因 此太阳电池的测试光源多以模拟地面太阳光的光谱和光强为主。经常采用的所谓 a m l 5 光谱是指太阳光穿过1 5 倍大气层厚度的光谱。标准的测试条件是：2 5 c 的测 试温度、a m l 5 的光谱、1 0 0 m w c m 2 的光强。 实验室用于测试的是模拟太阳光源，这种模拟器一般由氙灯可见光谱域和卤素灯 红外谱域混合而成。氙灯的可见光部分与a m l 5 光谱重合较好，而卤素灯则主要产 生红外光谱。 1 3 3 影响h i t 电池效率的因素 光电转换效率，7 是表征电池性能的综合指标，它受到很多因素的制约。h i t 电 6 第一章绪论 池作为硅基电池的一种，影响其转换效率的因素既有与其他硅基电池影响因素相同的 地方，也有h i t 电池独特的面。其中，相同的因素有以下几点【2 8 】【2 9 1 ： ( 1 ) 光损失：对于任何结构的电池，因为反射或透射的影响，照射到电池表面上 的太阳光都不能全部进入电池，一些因反射而损失，一些因光子未被吸收而透过。 ( 2 ) 热转换损失：h v e g 的光子，当其能量大于能产生载流子的最小能量时，h v e g 部分的能量在极短的时间内以热的形式传给了半导体晶格。由于太阳光直射强度无法 使光生载流子的浓度接近多数载流子的浓度，因此，开路电压总是小于接触电势。 e g q v o v 的能量以热的形式损失掉。q v o e e g 称为电压因子，是填充因子的决定因素 之一。 ( 3 ) 收集损失( 复合损失) ：光激发产生的载流子大部分不在p n 结空间电荷区， 基本上只有距p - n 结一个扩散长度内的光生载流子才会被收集，在离结较远的区域产 生的光生载流子大部分将被复合。主要包括表面及表面层内的复合和背面及衬底内的 复合。 h i t 电池特有的影响转换效率的因素在于： ( 1 ) 硅片表面的清洗。许多数值模拟结果表明h i t 电池的开路电压和转换效率很 大程度上受表面态密度的影响【3 0 】【3 ，而表面态密度又与表面的清洗程度直接相关， 故硅片表面清洗是制备h i t 电池的一个重要环节。 ( 2 ) 非晶硅薄膜的沉积。薄膜沉积的均一性很重要，尤其在制绒硅片上，如果薄 膜沉积不均匀就会导致有些地方p n 结的消失，影响电池效率；薄膜的质量也至关重 要，如果所沉积的薄膜缺陷态过多会增加载流子的复合几率。 ( 3 ) 各层厚度。尤其是本征层和窗口层厚度对电池的光谱响应有直接影响。此外， 非晶硅材料的导电性差，它的引入会增大h i t 电池的串联电阻，串联电阻不仅分去 一部分光生电压，而且会造成电池的升温，使输出功率减小。所以为了形成完整的 p n 结同时又不至于过分增大电池的串联电阻，必须优化各层的沉积厚度。 ( 4 ) 透明导电膜( t c o ) 的光电特性。非晶硅较差的横向导电性，要求在非晶硅和 电极之间插入一层t c o 薄膜来保证电流的输出。作为传导层和减反层的t c o 必须具 有较高的光透过性和较低的薄层电阻。 ( 5 ) 电极材料。h i t 电池没有高温烧结工艺，所以电极没有与硅形成铝硅合金， 只是简单的接触导电。如果找不到导电性好的电极材料，会增大极接触电阻，直接影 响电池的填充因子和转换效率。 1 4 本论文的组织结构 本论文主要分六个章节。 第一章绪论，概述了本论文的研究背景及研究意义、h i t 电池的发展及研究现状， 介绍了h i t 电池的工作原理、基本表征参数及影响h i t 电池转换效率的因素。 第二章介绍了h i t 电池的基本工艺流程，着重研究了沉积气压、射频功率、氢稀 7 江南大学硕士学位论文 释度以及电极进气方式对本征层沉积速率的影响。 第三章研究h i t 电池表面钝化技术。通过少子寿命表征电池的钝化效果，总结少 子寿命随本征层沉积时间、沉积气压、射频功率、氢稀释度、氢气处理时间以及硅片 清洗工艺的变化规律，优化h i t 电池的钝化参数。 第四章开展z n o 透明导电膜的研究。主要研究氩气压强和射频溅射功率对z n o 光电性能的影响。 第五章对h i t 电池的整体性能进行简单的分析，利用s u n s v o c 得到h i