快速汽相沉积法制备硅薄膜太阳电池.doc

快速汽相沉积法制备硅薄膜太阳电池文摘：对在重掺杂抛光单晶硅衬底上用RTCVD法形成硅薄膜太阳电池进行了研究。衬底为100晶向p型重掺硅片，电阻率为5103cm。主要工艺过程为：在衬底上生长一层硅薄膜同时掺硼，膜厚38m，扩磷制备p-n结，背面蒸Al及TiPdAg制背电极，正表面在扩散后生长一层SiO2，前面用光刻剥离法制备TiPdAg电极，制成的1cm2太阳电池，开路电压VOC612.8mV，短路电流ISC29.3mA，填充因子FF0.7579，效率13.61。对一些影响电池特性的因素进行了研究，发现硅薄膜的掺杂浓度、发射层的掺杂浓度以及减反射层都对太阳电池的特性有较大影响。关键词：太阳电池，单晶硅，薄膜SILICON THIN FILM SOLAR CELL FABRICATED BY RTCVDWang Wenjing Xu Ying Luo Xinlian Yu Min Yu Yuan Zhao Yuwen（Beijing Solar Energy Research Institute，Beijing 100083）（Beijing Normal University，Beijing 100875）Abstract：Results of silicon thin film solar cell fabricated by RTCVD are reportedThe substrate is 100oriented p-type single crystalline silicon wafers whose resistivity is about 5103cm.The crystalline silicon thin film was fabricated by RTCVD on polished p-type single crystalline silicon waferThe thickness of the silicon film is about 38mBoron was introduced into the film during depositionThe p-n junction was formed by phosphorous diffusionThe back AlTiPdAg electrode was deposited by vacuum evaporationAbout 105nm SiO2 film was grown on the front surface of cell as antireflection coatingThe front TiPdAg contact electrode was made by vacuum evaporation and photolithography processThe best conversion efficiency of the solar cell was 1361 with VOC6128mV，ISC293mA，and FF07579The area is 1cm2Some properties of this cell were discussedWe fond that many properties such as boron concentration in the film，phosphorous concentration in emitter layer and antireflection coating have significant influence on the solar cell characterizationKeywords：solar cell，crystalline silicon，thin film0引言自从TLChu在1979年首次报道多晶硅薄膜太阳电池以来，已开展大量的研究工作14。目前多晶硅薄膜太阳电池制备方法主要有三种：一是以日本三菱重工为主发展起来的化学气相沉积区熔晶化方法（CVDZMR）5；二是以日本三洋公司为主的等离子化学气相沉积固相晶化方法（PECVDSPC）6，三是液相外延方法7。在这三种方法中，CVDZMR法制备太阳电池的转换效率最高，达16.45%。其大尺寸电池的转换效率也达到14.22%，但目前其制备成本很高，现阶段的主要目标是降低成本。PECVDSPC法制备太阳电池，成本较低，但光电转换效率也较低，目前最好的结果达9.2%，当前主要目标是改进工艺及原理，提高效率。液相外延的主要问题是产业化较困难。我们以CVDZMR法为基础，开展多晶硅薄膜太阳电池的研究工作，主要目的是提高太阳电池效率，降低制作成本，并进一步实现该电池的产业化。作为第一步，我们首先研究在重掺杂的抛光单晶硅衬底上用CVD法形成单晶硅薄膜太阳电池，这种做法的目的在于研究薄膜太阳电池与体单晶硅太阳电池的区别。目前德国Fraunhaufer研究所得到的外延单晶硅薄膜太阳电池的最高效率达到19.2%8。我们用常规方法制备的单晶硅薄膜太阳电池的效率达到13.61%。1实验在抛光的100单晶硅表面上用CVD法生长一层硅薄膜。为保证衬底没有光伏特性，采用重掺杂衬底，其电阻率为5103cm。在薄膜的生长过程中掺硼，薄膜电阻率为0.71.1cm。成膜温度为1130，膜厚38m，工作气体为SiH2Cl2，通过扩磷工艺制备p-n结，扩散温度为850，扩散之后的方块电阻为80。在背面蒸发一层SiO2，其外蒸铝，然后在950烧结5h，再在其上蒸TiPdAg作为背电极。在制备p-n结之后在正表面生成一层SiO2，使用光刻剥离的方法制备指状前电极，前电极也是TiPdAg结构，采用脉冲电镀法镀银以加厚前电极。最后使用氩氢混合气体烧结，以钝化电池表面，并形成良好的欧姆接触。电池的结构如图1所示。IV测量使用进口标准太阳模拟器，光谱为1.5M。图1硅薄膜太阳电池的结构2结果和讨论图2所示为在上述条件下制备的太阳电池IV曲线。由该图可见，太阳电池的开路电压VOC612.8mV，短路电流ISC29.3mA，填充因子FF0.7579，效率13.61。图2硅薄膜太阳电池的IV特性(24)2.1磷扩散条件对薄膜电池特性的影响由于薄膜电池的p-n结做在很薄的一层膜上，如果扩散浓度过高会使杂质穿透薄膜而发生短路现象。比较了在同样的VCD生长条件下用不同扩磷条件得到电池的IV特性，如图3所示。曲线1扩磷浓度较低，扩磷后表面方块电阻为45；曲线2扩磷浓度较高，扩磷后方块电阻为23。由图3可见，扩磷浓度较低，电池的IV特性较好，而扩磷浓度较高，电池的IV特性较差，两者的主要差别在于短路电流，后者比前者的短路电流低，开路电压相差无几。图4所示为两个样品的暗电流特性比较，其中曲线1表面电阻为45而曲线2表面电阻为23。从该图可见，扩散电阻较小的样品，复合电流明显比较大，从而导致电池的短路电流较小。图3不同扩磷条件下的薄膜太阳电池的IV暗特性(24)1.表面方块电阻45，2.表面方块电阻23图4不同扩磷条件下的薄膜太阳电池的电流特性1.表面方块电阻452.表面方块电阻为232.2硼浓度对薄膜电池特性的影响研究了薄膜中掺硼浓度对电池特性的影响。图5所示为两种不同掺硼浓度太阳电池的IV特性。图中，样品1的掺硼浓度为1016cm3（1.1.cm），样品2的掺硼浓度为41017cm3（07.cm）。由该图可见，具有较高掺硼浓度的样品电池，填充因子较大，但短路电流较低。对于较低掺硼浓度的电池具有较高的短路电流。我们认为，当样品掺硼浓度较高时，并联电阻较小，接触电阻也较小，因而填充因子较高。掺硼浓度较高，也使得少数载流子的复合较严重，从而降低了样品的短路电流。图5掺硼浓度对样品电池IV特性的影响(24)1.薄膜电阻率1.10cm，2.薄膜电阻率0.07cm为了研究掺硼浓度对电池特性的影响，研究了不同掺硼浓度样品电池的霍尔迁移率与掺杂量的关系，对四种不同掺硼浓度的样品电池进行了霍尔测量，结果列于表1。从表1可见，掺杂浓度高的样品，霍尔迁移率低，电阻率也低。表明掺杂浓度增高虽增加了载流子的浓度，使得薄膜的电阻率降低，但同时也增加了载流子的碰撞复合机会，从而降低了载流子的迁移率，也部分抵销了载流子增加所带来的好处。问题的关键是要找到最佳结合点。表1薄膜中掺硼浓度对电阻率和霍尔迁移率的影响 B2H6SiH2Cl2（103）电阻率（cm）霍尔迁移率（cm2Vs）10058150717128125467005392533300021932.3减反射膜对薄膜电池特性的影响减反射膜可利用全反射使光线折回到薄膜内部，提高薄膜电池的效率。图4所示为制备减射膜前后电池的IV曲线。由该图可见，减反射膜对于提高开压，增大短路电流，提高填充因子都有利。在制备减反射膜时将衬底加热至250，使表面钝化，减少载流子复合，这可能对提高电池开压也有利。 3结论在重掺杂硅衬底上用CVD法生长出硅薄膜并制备太阳电池，其效率达13.51%。结扩散条件和减反射膜对提高硅薄膜电池的效率有重要影响。作者单位：王文静许颖罗欣莲于元赵玉文北京市太阳能研究所,北京100083于民北京师范大学低能物理所,北京100875参考文献1Tom Tiedje，Eli Yablonovitch，George D Cody，et al.IEEE Transactions on Electron Devices ED-31，1984：7117162Zhengrong Shi，Trevor L Young，Guang Fu Zheng，et al.Solar Energy Materials and Solar Cells，1993，31：51603Deguchi M，Morikawa H，Itagaki T，et al.22th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，1991，9869914Fumitaka Tamura，Yoshinobu Okayasu and Keiji Kumagai.Solar Energy Materials and Solar Cells，1994 34：2632705Ishiara T，Arimoto S，Morikawa H，et al.，Appl.Phys.Lett.，1993，63：360436066Takao Mateuysms，Makoto Tanaka，Shinya