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非晶孵化层对高速生长微晶硅电池性能的影响本文由leepingpang贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第卷第期 年月 太阳能学报 ， 非晶孵化层对高速生长微晶硅电池性能的影响 韩晓艳，张晓丹，侯国付，郭群超，袁育杰，董 培，魏长春， 孙 建，薛俊明，赵 颖，耿新华 （南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，光电信息技术科学教育部重点实验室， 光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室，天津） 摘要：采用高压高功率的甚高频等离子体增强化学气相沉积（）技术，以不同的反应气体总流量制备 出沉积速率大于，、次带吸收系数（口。“）小于且具有相同晶化率的本征微晶硅薄膜，然而将其应用在微 晶硅电池中时，电池性能却有明显差异。通过对微晶硅电池的光、暗态乒，量子效率（伽）和微区拉曼（）测 试发现，微晶硅薄膜中非晶孵化层厚度的不同是引起电池性能差异的主要原因。反应气体总流量较低时沉积的微 晶硅薄膜具有较厚的非晶孵化层，阻碍了载流子的输运，使电池的长波光谱响应下降，从而降低了电池的短路电流 密度与填充因子；而增加总气体流量，有效减小了微晶硅薄膜中的非晶孵化层的厚度，从而使电池性能得到改善。 最后在总气体流量为￥锄时，制备得到沉积速率为哪，效率为的单结微晶硅太阳电池。 关键词：高速沉积；非晶孵化层；微晶硅太阳电池 中图分类号：删 引 言 文献标识码： 体总流量下，都能通过调节工艺参数获得沉积速率 高、缺陷态密度低的本征微晶硅薄膜，然而将其应用 在微晶硅电池中时，小流量制备的电池性能要比大 流量差得多。本文就此现象对微晶硅材料和电池进 微晶硅（鹏一：）薄膜太阳电池因具有高转换 效率和高稳定性而备受光伏产业界的青睐刮。由 于微晶硅是一种间接带隙半导体材料，为了充分吸 行了测试分析和讨论。 收太阳光就需要使薄膜厚度大于脚。因此提高生 长速率对降低微晶硅薄膜光伏电池生产的成本至关 重要圳。很多研究结果表明超高频等离子体增强 化学气相沉积（皿）结合高压是高速生长微 实 验 本文所有样品都是在等离子体增强化学气相沉 积系统（、，）中制备的。实验中材料和电池 晶硅薄膜的有效方法】，而高压下需要高功率分解 气体来提高生长速率，由此产生的高能离子对薄膜 表面的轰击作用会破坏薄膜质量，因此如何提高高 速沉积微晶硅薄膜的质量成为研究热点。太阳电池 层采用的频率。选用绒面玻 璃为材料衬底，复合膜和湿法腐蚀的 为电池的衬底。电池的结构为玻璃，肚一 ：即一：，：背反射电极。制备电池时采 用相同的，层。 性能由光生载流子的复合决定，对薄膜的缺陷态密 度非常敏感，那么薄膜的缺陷态密度就成为衡量薄 膜质量的重要标准。然而，有文献报道将高速沉积 拉曼测试采用胁 珈型拉曼测试仪，选用 波长为啪的激光器（探测深度为咖）与 波长为砌的缸离子激光器（探测深度约为 啪）对材料和电池的微结构进行分析，并由咖 材料的吸收谱采用恒定光电导谱法（）测试； 的具有低缺陷态密度的本征微晶硅薄膜应用到电池 中时，得不到较高性能的电池。 在本实验中也出现了类似现象：在不同反应气 收稿日期：加地 基金项目：国家重点基础研究发展（）计划项目日；）；国家自然科学基金（）；国家科技计划配套项目 通讯作者：韩晓艳（），女，博士研究生，主要从事光电子薄膜器件的研究。脚胂日幽锄 （） 万方数据 太 阳 能 学 报 卷 谱计算得到晶化率（。）；电池的乒特性是在 光谱、酬光强、室温条件下测试 的；由暗态乒曲线计算得到的暗态饱合电流密度厶 和二极管品质因子凡用于分析载流子在层内部的 传输与复合；量子效率（）可以得到电池的光谱响 应和载流子抽取的信息。 实验结果与讨论 分别在和咖制备了沉积速率约 为的本征微晶硅薄膜材料，采用波长为肿 的激光从膜面入射测试两个材料的谱（如图 ），可以看到小流量下制备的微晶硅薄膜的锄 光谱（）与大流量（）下制备的谱在晶体 图不同总流量下制备的微晶硅薄膜的吸收谱 硅的峰位咖。处都出现较强的峰，这说明材料 微晶化，由高斯三峰拟合得到的晶化率都约为。 卿埘响 伽叼啦山圯血咖 删址撼删训 电池的乒参数 表在不同流量下制备的微晶硅缸太阳 薯 号 捌 硼肋乒 瑁： 善 螽 瞩 炉 衄删训 粕频移 为了分析不同反应气体流量制备的微晶硅电池 图不同气体总流量（：；纪：） 下制备的微晶硅薄膜的咖光谱 性能存在差异的原因，测试了两个电池的暗态乒 飚 舢帅昀 血 蒯涮衄 划侧眦 曲线与量子效率（伽）。 微晶硅电池的暗态乒特性可以帮助了解 载流子在电池层内部与界面的传输与复合。从图 图给出了两个材料的吸收谱曲线，可以看到 它们的吸收谱也表现出微晶特性且次带吸收系数 可以看出，与咖的电池相比，的 电池的暗态乒曲线向低电流密度方向移动，根 据结二极管理论，并且假设这种理论适用于微 （口酬）都很低（小于咖。），即缺陷态密度低。 将这两个材料应用到微晶硅电池中，得到电池 的相关性能见表，电池采用的衬底为，复 合膜，背电极为金属铝。从表中可以看到这两个 电池的性能差异很大，小流量下制备的微晶硅电池 具有类似非晶硅电池的特性（短路电流密度（，。） 晶硅太阳电池，电流密度的下降量化解释了上升 的现象，即电池的本征微晶硅薄膜中存在较多非 晶相。除了电流密度的下降，暗态乒曲线的指数 区域的斜率也发生了变化，电池的二极管品质因子 与饱和电流密度矗可以通过对这段曲线的拟和得 到，图中给出了两个电池的和矗值。可以看到， 电池的而要比的高，而与的层厚度 几乎相同，说明中层的缺陷态密度要比的 高，这也与它具有较低的转换效率一致；另外，的 二极管品质因子也比的高，说明的体复合 只有删，而开路电压（）却有）， 这似乎与珈的测试结果矛盾。而大流量下制备 的微晶硅电池的短路电流有了很大改善，达到 刖，开路电压也减小了，呈现出明显的微 晶硅电池开压小、电流大的特征。 万方数据 期 韩晓艳等：非晶孵化层对高速生长微晶硅电池性能的影响 在总复合中所占的比率要比的高，这与它具有较 高的缺陷态密度一致。 童 飞 ； 瓣 凝 怫 嘲 逗 警 堰 脚 波长 图 唧电池（）和电池（） 的暗态乒曲线 【工 图 电池（）和 电池（）的量子效率（）曲线 帆锄 啦 助豳（叩） 删 然而这个结果与其层微晶硅材料（，）由 测得的吸收谱的结果（与都具有较低的缺 陷态密度）相矛盾，分析发现这可能是由于测试方法 度的误差在一砌之间。采用波长为砌 的缸激光（探测深度约为姗）从膜面入射，不同 层厚度上的谱如图所示，图中晶化率（。） 不同引起的。吸收谱测试的是载流子在薄膜中横向 输运的情况，影响其大小的主要是晶粒间界中存在的 杂质和缺陷所形成的势垒；而暗态乒测试的是薄膜 是由三峰高斯拟合计算得到。可以看到，随着厚度 的增加，层晶化率都不断提高，说明这两个层材 料都存在结构上的纵向不均匀性。然而仔细比较发 中载流子的纵向输运情况，影响其大小的除了晶粒间 界产生的势垒还有非晶孵化层的影响。比较这两个 现，应用在电池中的层厚度约为砌时薄膜 仍为非晶相，且不同厚度时晶化率的变化较大，说明 小流量（）下制备的本征微晶硅材料存在很 厚的非晶孵化层和严重的纵向不均匀性；应用在电 结果，不难发现中大量的非晶相应该主要存在于 非晶孵化层中，从而使脚结果与吸收谱结果没有 受其影响（即与的结果相同），但却阻碍了载流 子的纵向输运，使电池具有较高的矗和凡值，这 与电池具有较低的电流密度相一致。 图给出了两个电池的量子效率曲线，从图中 池中的层厚度约为砌时薄膜已经微晶化， 且不同厚度时晶化率的变化较小，说明咖下制备 的本征微晶硅材料的非晶孵化层薄且纵向不均匀性小。 这证明了上述对小流量电池的解释，小反应 气总流量情况下高压高速沉积微晶硅薄膜存在严重 的纵向不均匀性，层生长初期严重的非晶孵化层的 可以看到，小流量电池的量子效率在整个波段 都小于大流量，并且在啪时几乎没有响 应表现出非晶特性，这与暗态乒的结果相同，即 非晶孵化层的存在阻碍了载流子抽取，使得材料中 的微晶相吸收长波光所产生的载流子在输运过程中 被复合而不能产生电流，即对长波光的响应消失。 而非晶孵化层与标准非晶相比具有缺陷多、带隙小 和不同吸收曲线的特点【，因此在短波段的量子 存在是导致电池对长波响应消失的根本原因。小流 量下较厚非晶孵化层的产生是由于反应气体在腔室 内的滞留时间过长引起的，滞留时间过长会使腔室 内大量热等离子体不能被及时排出，从而导致薄膜 生长表面已成键氢原子解析，使层生长初期形成 较厚的非晶孵化层，降低了薄膜的纵向均匀性。而 当气体总流量增至较高时，反应气体滞留时间较适 宜，热的等离子体能够及时排出，减小了热效应，从 而减小了孵化层厚度，提高了薄膜的纵向均匀性。 因此选择适当的气体滞留时间来降低非晶孵化 效率也较低，并使电池的开路电压与非晶硅相比也 很低。 为了验证上述解释，我们采用拉曼结构深度探 测法来研究电池与在层生长方向上的结构 演变。不同厚度的层是在相同的层上沉积的， 层厚度和改善纵向结构特性是提高电池性能的重要 手段之一。 薄膜厚度是根据沉积速率控制沉积时间得到的，厚 万方数据 太 阳 能 学 报 卷 和的气体总流量下制备沉积速率大于 、次带吸收系数（口。纠）小于伽一的本征微晶硅 童 嚆 越 ；！黉 材料，将其作为微晶硅电池层时，电池的乒特性 却有明显差异。通过测试电池的暗态乒、量子效 率（叩）及微区发现，小流量的微晶硅薄膜存 在严重的纵向不均匀性，较厚的非晶孵化层阻碍载 流子输运使微晶硅电池对长波光的响应消失，电池 频移“ 表现为非晶特性。而增加反应气体总流量减小了薄 膜的纵向不均匀性，从而提高电池性能。最后在总 气体流量为，沉积速率为“时制备得到 效率为的单结微晶硅太阳电池。 重 噶 魁 鼎 。 因此，在高压高速沉积微晶硅薄膜过程中，优化 沉积参数来减小非晶孵化层改善薄膜的纵向均匀性 是提高电池性能的重要途径之一。 参考文献 唱锄，孙， 】， 晡面 频移 图 应用到两电池中本征材料的 结构深度探测（波长） 田娩咖 叩血 伍 蟛解鲥 衄，（）： 争 咖 加慨岫 捌 慨 眨 ，棚， 蚰删社岫 山圯咖 鹄鹤蝴 将时电池的工艺条件应用到湿法腐蚀 瑚，（）：口 的加衬底上，并加，背电极，制备得到效率 为的微晶硅电池，其乒曲线见图。 ，岫，咖唱岫“， 讪 删眦酬啦 凼噌 叩砖 岫幽埘 嘲舶姚蛳 ，（）： ！ 唧洫汕 棚呻删） 耶 既 ，刁娜骧，跏，日晚 血舶 “，（）：一 础咖珂砒 幻啦蛐 刁 ， ，曲 ， “ 矧】 吕，（）：铝卜 图湿法腐蚀的衬底上制备的 微晶硅电池的乒曲线 肌，啪曲叩眦姐瑚叫 叫如血咖甜璐 锄 “” 乒 船谢鲥 眦 ： 蛳训：咖） ，（妒 汕 惝 ，咖 埘科址池 删， ，（）：一 瑚砣 ， 出 【 结论 本文采用高压高功率的方法，分别在 竺 曲 ， ， 盯】优铲 盱 ， ， 、讪 驴 万方数据 期 韩晓艳等：非晶孵化层对高速生长微晶硅电池性能的影响 曲咖、吼 蚴嗍峨叭面鼬 砸，：卜 ） 咄出 ，：一 鹏 砒 ， ， 池曲 ，删崦地 睡 玎舶 ，卸盯 ， 曲印糊鹏 胡嵋 枷叽 帕 咖 科，： ，细 蛐叩帅咖 一 ，铝： ：岫）鲳 伽唧【地盐：盯出一 ，湎 咂 矾 ）【，肌）【龃， ， ，