MOCVD制备非晶硅薄膜太阳电池的氧化锌背电极的研究.docVIP

MOCVD制备非晶硅薄膜太阳电池的氧化锌背电极的研究 徐步衡，薛俊明，刘金彪，赵颖，耿新华 （南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，天津，300071） （南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室） (光电信息技术科学教育部重点实验室（南开大学，天津大学）1]。其中ZnO/Metal复合背反射电极不但可以使I层的光吸收增强，从而增大短路电流，提高电池的转化效率，而且可以进一步减薄I层，改善电池的稳定性并降低成本；此外，ZnO可以阻挡金属背电极元素如Ag或Al向n+层的扩散，改善界面及电池性能[2]。 氧化锌薄膜可以利用多种方法制备，溅射、原子层积淀和金属有机物化学气相沉淀（MOCVD）等等。其中金属有机物化学气相沉淀（MOCVD）技术已经被广泛研究。MOCVD技术的低温、对电池无轰击的特点使其特别适用于非晶硅太阳电池中。为此，本文首次在国内利用MOCVD技术进行大面积（10cm×10cm）氧化锌薄膜的研究，并在非晶硅电池上进行了背反射电极的制备试验，取得了比较令人满意的效果。 1 实验 本实验中采用二乙基锌和水作为反应气源。二乙基锌的流量为342μmol/min，水流量为500μmol/min。反应气压为5Torr。采用氢稀释浓度为1%的硼烷做掺杂气体。 由AMBIOS-XP2台阶仪测量氧化锌薄膜样品膜厚，XRD数据由PAN algtical X’PertPRO测量。霍尔系数、载流子浓度、迁移率等由ACCENT HL5550LN2进行测量。 本系列实验中主要关注衬底温度和掺杂流量两个参数对氧化锌薄膜光电特性的影响。其中，硼烷流量从2.5sccm到9.9sccm；衬底温度从140℃到200℃。制备薄膜时间为45分钟，样品膜厚度为5500-7000?。在制备出光电性能合格的氧化锌薄膜后，在非晶硅薄膜电池上进行了背电极的制备试验。 2 结果与讨论 2.1 衬底温度对薄膜表面形貌与透过率的影响 图一为衬底温度对未掺杂氧化锌样品XRD测试结果的影响。氧化锌的晶格结构为纤锌矿结构，当002峰比较显著时，氧化锌的生长晶向为C轴择优取向，即C轴垂直于衬底，从而其表面形貌为平坦的镜面。当110峰比较显著时，氧化锌的表面形成类金字塔形的绒面。当100峰比较明显时，薄膜的表面形貌还是为绒面，但是表面结构并不是规则的类金字塔形，而变得比较无序[3]。 从图中曲线可以看出，在衬底温度为140℃时，002峰比较明显，表明薄膜的表面形貌是由小晶粒组成的像镜面一样的表面。在衬底温度为160℃时，氧化锌薄膜样品的002峰显著变小，110峰比较明显，表明薄膜表面为类金字塔形的绒面。当衬底温度超过160℃时，氧化锌薄膜的各个XRD峰明显降低。在衬底温度为175℃至更高时，各个峰的幅度都有明显的下降，表明薄膜的类金字塔形的绒面表面形貌被破坏，其表面形貌随着温度的增高而趋于无序。东京工业大学的Akira Yamada和Wilson W. Wenas认为[3]，这种表面形貌随衬底温度变化的现象是由于氧化锌晶体生长时各种取向的表面能不同而引起的。 对于应用于硅基薄膜太阳电池的电极应用来说，当氧化锌薄膜的表面形貌为平坦的镜面时，不利于增加入射光的折射，从而不利于增加薄膜太阳电池中的光程。氧化锌薄膜的表面形成类金字塔形的绒面时，有利于增加薄膜太阳电池内的光程，进而满足形成薄膜太阳电池陷光结构材料的要求。 图二显示了衬底温度与未掺杂氧化锌薄膜透过率的关系。由图可见，随着波长的增长，从波长750nm开始，衬底温度较高的氧化锌薄膜透过率较低。这种变化的原因是：当衬底温度为140℃时，薄膜的表面形貌为镜面，所以透过率最高。当衬底温度为160℃时，薄膜的表面形貌变为类金字塔形的绒面，对入射光的散射增加，所以垂直透射的光线比例减小，从而造成了透过率有所下降。当衬底温度继续增加时，薄膜的表面形貌变得无序，进而散射增强，透过率进一步降低。另一方面，从图中曲线也可看出，衬底温度越低的样品其透过率曲线由于干涉引起的波动越明显，从而从另一方面印证了随着衬底温度的增大，表面形貌从镜面变化为类金字塔型绒面进而趋于无序的变化趋势。 2.2 参杂流量对表面形貌、透过率和电特性的影响 图三为掺杂后的氧化锌薄膜XRD测量结果和未掺杂的氧化锌的XRD数据的比较。图四为110峰与002峰、100峰与002峰以及110峰与100峰的峰高比值与掺杂量的关系曲线。通过图三中曲线可以看出，随着掺硼量的增大，薄膜的002峰有所增加。而通过图四可以看出，当硼烷流量为5sccm时，110峰与002峰、100峰与002峰的峰高比值达到最大，同时110峰与100峰的比值随着掺杂量的增大而减小。表明在硼烷流量为5sccm时，表面绒度最为明显。从图三和图四中的曲线可以说明掺杂后的表面形貌还是保持了绒面的特征。但是随着掺杂