非晶硅微晶硅叠层电池中P型微晶硅材料及前后界面的研究

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1、摘要摘要硅薄膜材料和电池研究已经成为热点，开发低价、稳定和高效率的太阳电池是光伏研究的目标。微晶硅薄膜电池克服了非品硅薄膜电池光致不稳定的缺点，而且与非晶硅电池组成叠层电池．既能进一步拓展光谱响应范围，提高电池效率和稳定性，又能更进一步降低成本。本文叙述了采用VHF—PEcvD技术，制备P型微晶硅(uc—si：H)薄膜材料及其在微品硅太阳电池上的应用，并就非晶硅／微晶硅叠层太阳电池进行了实验研究。主要做了以下几方面的工作：1．P型微晶硅材料特性和沉积工艺的研究随着氢稀释率的提高，材料从非品向微晶转变；提高VHF功率，也可使材料晶化率增加；适当的反应气压既可

2、提高薄膜的均匀性，又可改善薄膜的电学特眭；硼掺杂可以提高材料的电导率，另一方面，硼又有抑制材料品化作用。采用光发刳谱技术(opt{calemiss{0nspectra，0Es)研究p型微晶硅材料的生长动力学过程。提高氢稀释和等离子体功率都可以使等离子体中原子氢的含量增加，S州+的含量减小，siH+和原子氢的比值也减小，获得的材料品化率得到提高：提高反应气压，等离子体中原子氢、siH+的含量，以及siHl和原子氢的比值都减小，获得的材料电导率先增大后减小；硼掺杂对等离子体影响是，随着硼掺杂浓度的提高，等离子体中si旷和原予氢的比值减小，但是由丁硼抑制品化的作

3、用，材料品化率随硼掺杂浓度的提高而减小。采用双层结构的p—ucsi：H，首次系统研究了分别调控两层的晶化率、掺杂浓度与厚度，来达到品化和掺杂效果分别完成、最终合成～致达到高电导、适当晶化率同时得以满足的p—uc—si：H，为随后微晶硅有源层的生长提供良好晶化基础。通过这种方}上，在厚度小于30nm情况下，电导率大于10⋯s／cm，光学带隙大于2．OeV，激活能小于O．06eV，可见光区透过牢大于80％。pucsi：H的晶化率从～20％提高到～j0％，并H可以通过第一、二层的凋制，滴节薄膜晶化率。2．从器件的角度，进一步研究了P型微晶硅材料特性及其前后界面对

4、微晶硅太阳电池的影响微晶硅I层是在作为窗口层的P层上沉积的．p—uc—si：H的晶化率对微晶硅I层生长起始阶段非晶孵化层有很大影响。采用双层结构的p—ucsi：I{层，微品硅I层的非晶孵化层厚度减小，P／I界面得到改善。摘要采用Raman谱技术，首次观察到p—ucSi：H层的微结构对在其上沉积的微品硅I层结构没有影响，主要影响的是微晶硅电池的P／I界面结构和特性。首次提出对P／I界面进行20秒氢处理，可以改善界面特性，电池的短路电流密度和填充因子都可获得大幅提高。还研究了znO／P界面对微晶硅电池性能的影响，沉积p—uc—s：H层之前先对zno表面进行20

5、秒氢处理，可阻降低znO的方块电阻。氢等离子处理之后，保持辉光连续，加入硅烷、硼烷等反应气体沉积双层结构p—pc—s：H层，这样可以改善znO和D一Ⅱc—Si：H层之间的接触特性。首次采用光发射谱(0盼)技术，研究这个过程中等离子体发光峰的变化，经过30秒的不稳定期后，等离子体达到稳定，siH+和原了氢比值在o．75左右；同时发现绝缘衬底和导电衬底对等离子体状态有不同的影响，从而导致了在它们上面沉积的材料结构和特性不同。经过系列优化研究，采用MocvD技术制备的znO背反射层与Ag／Al金属背电板形成复合背反射电极，微晶硅薄膜太阳电池的转换效率进一步得到了

6、提高，达到了9．1996(voc—O．55v，Jsc=26．53mA／cm2，FF-06296)。3．非晶硅／微晶硅叠层电池中NP隧穿结特性的研究在非品硅／微晶硅叠层太阳电池中，实现欧姆接触的顶电池N层和底电池P层都是微晶硅，形成NP隧穿结。调整它们的厚度可以改善NP隧穿结特性。通过实验确定了，非晶硅顶电池的N层厚度约25nm，微晶硅底电池的P层厚度约27nm时，非晶硅／微晶硅叠层太阳电池的效率最大。对NP界面进行20秒的氢处理，氢等离子处理之后，保持辉光连续。加入硅烷等气体，沉积后续层，可以提高电池效率。4．非晶硅／微晶硅叠层太阳电池电流匹配的研究对于非

7、晶硅／微晶硅薄膜叠层电池来说，电流匹配丰要是电池吸收层厚度的匹配。通过研究，初步确定了非晶硅顶电池的厚度为250nm，微晶硅底电池的厚度2800nm，顶电池的N层采用非晶干¨微晶硅双层结构(改善NP结隧穿特性，同时小影响非晶硅顶电池)。采用znO背反射层，小面积非晶硅／微晶硅叠层太阳电池的效率为11．37％，(voc=1．38v，Jsc=1263IILA／cm2，FF=O．6502)；10xlOcm2非晶硅／微晶硅叠层组件的效率为9．72％(Voc=13．36v，Jsc=10．29iIlA／cm2，FF=0．7073)。关键词：VHF—PECVD，P型微晶

8、硅，微晶硅电池，界面，非晶硅／微晶硅叠层AbstractABSTR