MOCVD制備非晶硅薄膜太陽電池的氧化鋅背電極的研究教學(xué)資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。MOCVD制備非晶硅薄膜太陽電池的氧化鋅背電極的研究-MOCVD制備非晶硅薄膜太陽電池的氧化鋅背電極的研究徐步衡，薛俊明，劉金彪，趙穎，耿新華（南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所，天津，300071）（南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)天津市重點實驗室）(光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室（南開大學(xué)，天津大學(xué)）)摘要：利用LP-MOCVD生長技術(shù),采用Zn(C2H5)2作Zn源和H2O作氧源,使用硼烷為摻雜氣體，制備出了光電特性穩(wěn)定的較低電阻率、高透過率的氧化鋅薄膜。在薄膜面積10cm10cm范圍內(nèi)，厚度為55

2、00時，方塊電阻為40/，透過率85%，遷移率為8.56cm2/Vs。應(yīng)用于非晶硅電池背反射電極后，顯著提高了電池的短路電流，從而提高了電池效率。關(guān)鍵詞：MOCVD氧化鋅硼烷摻雜背電極0引言薄膜太陽電池的優(yōu)勢是制備工藝簡單、節(jié)省源材料，便于大面積連續(xù)化生產(chǎn)，具有大幅度降低成本的潛力。然而，目前薄膜太陽電池的效率較低，阻礙了其成本的降低。提高薄膜太陽電池性能的一種重要的技術(shù)途徑就是采用陷光結(jié)構(gòu)1。其中ZnO/Metal復(fù)合背反射電極不但可以使I層的光吸收增強，從而增大短路電流，提高電池的轉(zhuǎn)化效率，而且可以進一步減薄I層，改善電池的穩(wěn)定性并降低成本；此外，ZnO可以阻擋金屬背電極元素如Ag或Al向

3、n+層的擴散，改善界面及電池性能2。氧化鋅薄膜可以利用多種方法制備，濺射、原子層積淀和金屬有機物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）等等。其中金屬有機物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）技術(shù)已經(jīng)被廣泛研究。MOCVD技術(shù)的低溫、對電池?zé)o轟擊的特點使其特別適用于非晶硅太陽電池中。為此，本文首次在國內(nèi)利用MOCVD技術(shù)進行大面積（10cm10cm）氧化鋅薄膜的研究，并在非晶硅電池上進行了背反射電極的制備試驗，取得了比較令人滿意的效果。1實驗本實驗中采用二乙基鋅和水作為反應(yīng)氣源。二乙基鋅的流量為342mol/min，水流量為500mol/min。反應(yīng)氣壓為5Torr。采用氫稀釋濃度為1%的硼烷做摻雜氣體。由AMBIO

4、S-XP2臺階儀測量氧化鋅薄膜樣品膜厚，XRD數(shù)據(jù)由PANalgticalXPertPRO測量。霍爾系數(shù)、載流子濃度、遷移率等由ACCENTHL5550LN2進行測量。本系列實驗中主要關(guān)注襯底溫度和摻雜流量兩個參數(shù)對氧化鋅薄膜光電特性的影響。其中，硼烷流量從2.5sccm到9.9sccm；襯底溫度從140到200。制備薄膜時間為45分鐘，樣品膜厚度為5500-7000。在制備出光電性能合格的氧化鋅薄膜后，在非晶硅薄膜電池上進行了背電極的制備試驗。2結(jié)果與討論2.1襯底溫度對薄膜表面形貌與透過率的影響圖一為襯底溫度對未摻雜氧化鋅樣品XRD測試結(jié)果的影響。氧化鋅的晶格結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，當(dāng)002峰比

5、較顯著時，氧化鋅的生長晶向為C軸擇優(yōu)取向，即C軸垂直于襯底，從而其表面形貌為平坦的鏡面。當(dāng)110峰比較顯著時，氧化鋅的表面形成類金字塔形的絨面。當(dāng)100峰比較明顯時，薄膜的表面形貌還是為絨面，但是表面結(jié)構(gòu)并不是規(guī)則的類金字塔形，而變得比較無序3。從圖中曲線可以看出，在襯底溫度為140時，002峰比較明顯，表明薄膜的表面形貌是由小晶粒組成的像鏡面一樣的表面。在襯底溫度為160時，氧化鋅薄膜樣品的002峰顯著變小，110峰比較明顯，表明薄膜表面為類金字塔形的絨面。當(dāng)襯底溫度超過160時，氧化鋅薄膜的各個XRD峰明顯降低。在襯底溫度為175至更高時，各個峰的幅度都有明顯的下降，表明薄膜的類金字塔形的

6、絨面表面形貌被破壞，其表面形貌隨著溫度的增高而趨于無序。東京工業(yè)大學(xué)的AkiraYamada和WilsonW.Wenas認為3，這種表面形貌隨襯底溫度變化的現(xiàn)象是由于氧化鋅晶體生長時各種取向的表面能不同而引起的。圖二襯底溫度對未摻雜氧化鋅薄膜透過率影響FIG.2.Transmittanceasafunctionofthesubstratetemperature圖三摻雜量對XRD數(shù)據(jù)的影響FIG.3.XRDdataasafunctionoftheB2H6flowrate圖四摻雜量對XRD各峰之間比例關(guān)系的影響FIG.4.RatiosofXRDdiffractionintensitiesofZnO

7、filmsasafunctionoftheB2H6flowrate圖一襯底溫度對XRD測試結(jié)果的影響FIG.1.XRDdataasafunctionofthesubstratetemperature對于應(yīng)用于硅基薄膜太陽電池的電極應(yīng)用來說，當(dāng)氧化鋅薄膜的表面形貌為平坦的鏡面時，不利于增加入射光的折射，從而不利于增加薄膜太陽電池中的光程。氧化鋅薄膜的表面形成類金字塔形的絨面時，有利于增加薄膜太陽電池內(nèi)的光程，進而滿足形成薄膜太陽電池陷光結(jié)構(gòu)材料的要求。圖二顯示了襯底溫度與未摻雜氧化鋅薄膜透過率的關(guān)系。由圖可見，隨著波長的增長，從波長750nm開始，襯底溫度較高的氧化鋅薄膜透過率較低。這種變化的原

8、因是：當(dāng)襯底溫度為140時，薄膜的表面形貌為鏡面，所以透過率最高。當(dāng)襯底溫度為160時，薄膜的表面形貌變?yōu)轭惤鹱炙蔚慕q面，對入射光的散射增加，所以垂直透射的光線比例減小，從而造成了透過率有所下降。當(dāng)襯底溫度繼續(xù)增加時，薄膜的表面形貌變得無序，進而散射增強，透過率進一步降低。另一方面，從圖中曲線也可看出，襯底溫度越低的樣品其透過率曲線由于干涉引起的波動越明顯，從而從另一方面印證了隨著襯底溫度的增大，表面形貌從鏡面變化為類金字塔型絨面進而趨于無序的變化趨勢。2.2參雜流量對表面形貌、透過率和電特性的影響圖三為摻雜后的氧化鋅薄膜XRD測量結(jié)果和未摻雜的氧化鋅的XRD數(shù)據(jù)的比較。圖四為110峰與00

9、2峰、100峰與002峰以及110峰與100峰的峰高比值與摻雜量的關(guān)系曲線。通過圖三中曲線可以看出，隨著摻硼量的增大，薄膜的002峰有所增加。而通過圖四可以看出，當(dāng)硼烷流量為5sccm時，110峰與002峰、100峰與002峰的峰高比值達到最大，同時110峰與100峰的比值隨著摻雜量的增大而減小。表明在硼烷流量為5sccm時，表面絨度最為明顯。從圖三和圖四中的曲線可以說明摻雜后的表面形貌還是保持了絨面的特征。但是隨著摻雜量的增大，110峰與100峰相比，110峰所占的比例減小，從而表明薄膜的表面形貌還是有所改變。隨著摻雜量的圖五摻雜量對透過率影響FIG.6.Transmittanceasafu

10、nctionoftheB2H6flowrate增大，類金字塔形的表面略微變得不明顯并且逐漸趨于無序4。從薄膜太陽電池的電極應(yīng)用來說，無序的表面形貌不利于增大薄膜太陽電池內(nèi)的光程，從而對于薄膜太陽電池陷光效應(yīng)的產(chǎn)生有不利的影響。圖五為不同摻雜流量的氧化鋅薄膜和未摻雜氧化鋅薄膜的透過率比較。從圖中可知，摻雜后的氧化鋅薄膜的透過率在長波波段有一定的下降。摻雜量越大，下降越多。其原因一方面為摻雜后載流子吸收增強，另一方面，隨著摻雜的硼原子量的增大，由其引起的薄膜結(jié)構(gòu)中的缺陷態(tài)也相應(yīng)增多，從而增大了摻雜氧化鋅薄膜對長波波段光的吸收。圖六摻雜量對氧化鋅薄膜電特性的影響FIG.6.Electricalpro

11、pertiesofboron-dopedZnOasafunctionofB2H6flowrate圖六為摻雜后的氧化鋅薄膜電阻率、遷移率和載流子濃度與硼烷流量的關(guān)系。如圖所示，隨著硼烷流量的增大，電阻率開始下降，載流子濃度開始上升，遷移率也開始上升，并且在5SCCM處到達頂點；載流子濃度增大的原因是硼替代鋅的位置，即替位硼原子的增加或硼在氧化鋅晶格中間隙摻雜的增加所引起的。隨著載流子的增加，電阻率相應(yīng)的下降。在硼烷流量超過5SCCM后，遷移率和載流子濃度都隨著硼烷流量的繼續(xù)增大而減小。減小的原因是隨著摻雜原子的增加，缺陷態(tài)相應(yīng)增多，從而限制了載流子的自由流動，遷移率有所下降，進而電阻率也相應(yīng)上升

12、。2.3在非晶硅薄膜太陽能電池上制備背電極的效果通過以上試驗，為進一步利用MOCVD工藝制備用于薄膜太陽電池的透明導(dǎo)電膜打下了基礎(chǔ)，從而開始在非晶硅電池上制備氧化鋅背電極的實驗。實驗中選用10cm10cm的非晶硅薄膜電池，沒有氧化鋅薄膜的電池結(jié)構(gòu)為SnO2/P/I/N/Al，有氧化鋅薄膜的電池結(jié)構(gòu)為SnO2/P/I/N/ZnO/Al。制備的氧化鋅工藝參數(shù)選用如上摻雜流量為5sccm的工藝參數(shù)，在制備氧化鋅薄膜厚度約為100nm，折射率約為2.2時，兩種電池的性能參數(shù)如下：沒有ZnO的電池：Jsc=11.6mA/cm2,Voc=0.888，F(xiàn)F=0.693，Efficiency=7.14%。有Z

13、nO背電極的電池：Jsc=14.5mA/cm2,，Voc=0.914，F(xiàn)F=0.699，Efficiency=9.26%。由以上數(shù)據(jù)可以得知，有氧化鋅背電極的電池短路電流明顯增大，從而增大了電池的效率。圖七為有無ZnO背電極的QE測試比較，從圖中可以看出短路電流的增大是由于氧化鋅背電極增加了電池在紅光方向的吸收效率。3結(jié)論圖七有無ZnO背電極的QE測試比較Fig.7TheQEdataofsolarcellswithandwithoutZnObackcontact本文通過系列實驗，初步研究了在MOCVD沉積工藝積淀氧化鋅薄膜中，襯底溫度和硼摻雜量對薄膜特性的影響；制備出了10cm10cm光電性能

14、穩(wěn)定的絨面低阻氧化鋅薄膜。成功地使用硼烷作為摻雜氣體對氧化鋅薄膜進行了N型摻雜，達到了降低電阻率的目的。制備出的摻雜氧化鋅薄膜在5500時，透過率在85%以上，方塊電阻為40/，遷移率為8.56cm2/Vs。進一步利用MOCVD工藝制備用于薄膜太陽電池背電極的透明導(dǎo)電膜。使短路電流密度增大了將近3mA/cm2,效率增大了兩個百分點，取得了令人滿意的效果。參考文獻1H.Tasaki,W.Y.Kim,M.Hallerdt.“Computersimulationmodeloftheeffectsofinterfacestatesonhigh-performanceamorphoussiliconso

15、larcells”，J.Non-Cryst,Solids8-10(1972),P940.2AkiraYamadaandMakotoKonagai;“ApplicationofTransparentConductingZnOFilmtoa-SiSolarCells”，TechnicalDifestoftheInternationalPVSEC-7，Nagoya,Japan,19933WilsonW.Wenas,AkiranYamada,etc.“TexturedZnOThinFilmsforSolarCellsGrownbyMetalorganicChemicalVaporDeposition”

16、，F(xiàn)irstWCPEC;Dec.5-9,1994;Hawaii4WilsonW.Wenas,AkiranYamada,andKiyoshiTakahashi，“Electricalandopticalpropertiesofboron-dopedZnOthinfilmsforsolarcellsgrownbymetalorganicchemicalvapordeposition”，J.Appl.Phys70(11),1December1991ResearchonZnOThinFilmsfora-SiSolarcellsbackcontactPreparedbyMetalorganicChemi

17、calVaporDepositionXUBuheng,XUEJunming,LiuJinbiao,ZhaoYing,GENGXinhua(Instituteofphoto-electronicsthinfilmdevicesandtechniqueofNankaiUniversity,Tianjin,300071,China)(KeyLaboratoryofphoto-electronicsthinfilmdevicesandtechniqueofTianjin,Tianjin,300071,China,)（KeyLaboratoryofOpto-electronicInformationSc

18、ienceandTechnology(NankaiUniversity,TianjinUniversity),MinistryofEducation，Tianjin,300071,China）Abstract:ThetexturedZnOfilmswithhighconductivityandhightransparencyhavebeengrownbymetal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD).Thereactivegasdiethylzinc(DEZ)isusedaszincfountain.AndH2Oisusedasoxygenfountain.TheB2H6gashasbeensuccessfullyusedasann-typedopant.Thelowsheetresistanceas40/andthehightransparencyas85%upwardsattherangeofvisiblelightandinfraredhavebeenobtainedfor5500thickZnOfilmatlowte