純微晶硅太陽能電池——晶硅還是非晶硅電池特性.doc

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1、純微晶硅太陽能電池——晶硅還是非晶硅電池特性？J.Meier,R.Fluchiger,H.Keppner,andA.Shah瑞士紐沙特大學(xué)微技術(shù)研究院，1994發(fā)表通過高頻輝光放電方式制備出純uc-Si:Hp-i-n太陽能電池。直到現(xiàn)在，本征uc-Si:H還沒有得到很多關(guān)注而被認(rèn)為是一種光電活性材料。然而，通過加強(qiáng)近紅外區(qū)域的吸收，可以得到4.6%轉(zhuǎn)換效率和高達(dá)21.9mA/cm2的短路電流密度。第一次光衰減實(shí)驗(yàn)就表明純uc-Si:H電池沒有衰減。電壓依賴的光譜響應(yīng)測(cè)試意表明在純uc-Si:Hp-i-n電池

2、中載流子輸運(yùn)也許是通過擴(kuò)散方式聯(lián)合完成（還有漂移作用）。微晶硅由非晶硅體中微小單晶晶粒（10-500A）組成。通常采用200-300C高功率密度的RS-MS方式，通入大量氫稀釋的硅烷氣體。取決于沉積條件，晶化率可以達(dá)到80%-90%。摻雜實(shí)驗(yàn)顯示，在半導(dǎo)體器件比如太陽能電池中作為和

型接觸以及阻擋層uc-Si:H都是一種非常優(yōu)秀的材料。對(duì)比摻雜的非晶硅或者非晶硅合金，uc-Si:H可以實(shí)現(xiàn)更高的電導(dǎo)率，這要?dú)w功于晶體相更有效率的摻雜效果。當(dāng)前研究的目標(biāo)是揭示非摻雜或者輕微補(bǔ)償?shù)膗c-Si:H具有成

3、為非常令人感興趣的新型光電薄膜材料的潛力，以和已有的通常觀點(diǎn)做對(duì)比。不同的特性描述方式比如ESR、場(chǎng)效應(yīng)測(cè)量、以及其它方式表明，在uc-Si:H晶界或者非晶硅帶的缺陷富集帶，缺陷密度約1017-5×1018cm-3,Energy-wise分布在整個(gè)能隙上。高缺陷密度也許阻礙了到現(xiàn)在為止非摻雜uc-Si:H材料在太陽能電池應(yīng)用上的使用。關(guān)于在p-i-n電池中非摻雜uc-Si:H的工作做的很少。然而，薄膜研究帶來事實(shí)的大致認(rèn)識(shí)，非摻雜或補(bǔ)償uc-Si:H在光衰減下比a-Si:H更穩(wěn)定。對(duì)所有類型uc-Si:H(

4、,

和層)的生長(zhǎng)，我們使用一個(gè)電容耦合甚高頻輝光放電(VHF-GD)電漿發(fā)生器，處于70MHz磁場(chǎng)中（將在別處表述）。對(duì)比通常的13.56MHz電漿磁場(chǎng)，VHF技術(shù)容許a-Si:H和uc-Si:H更高的沉積速率。于是，在60mW/cm2電漿功率密度中，uc-Si:H層得到特有的1A/S沉積速率。生成的非摻雜uc-Si:H顯示一定程度的-型特性，也許是因?yàn)檠跞毕莺推渌s質(zhì)，以及也可能是結(jié)構(gòu)效應(yīng)。在之前的研究中，我們已經(jīng)介紹了通過在氣相中加入ppm濃度范圍的微量硼得到的補(bǔ)償uc-Si

5、:H材料的性質(zhì)。另一個(gè)研究小組公布了相似的結(jié)果。這些結(jié)果被用到電池的層生長(zhǎng)上。最近發(fā)展出的

型窗口層，低晶化型uc-Si:H背接觸電極，一起和補(bǔ)償層被應(yīng)用到電池中。對(duì)透明導(dǎo)電氧化物（TCO）鍍膜的玻璃基板，我們使用了SnO2和ZnO。各層沉積溫度，

層是170C，和層是220C。

層厚度是150A，層是1.7um，是400A。眾所周知，對(duì)短波長(zhǎng)微晶硅顯示出比非晶硅較弱的吸收，然而在近紅外區(qū)卻有增強(qiáng)吸收，如同圖1光熱偏振光譜(PDS)曲線中顯示的。其他小組

6、已經(jīng)報(bào)道了uc-Si:H類似的吸收光譜。對(duì)比其它小組的研究發(fā)現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)（圖1）我們制備的材料有重要的低次能隙吸收。低次能隙吸收達(dá)到了良好的非晶硅在退火狀態(tài)的吸收水平。對(duì)比a-Si:H，uc-Si:H的吸收打開了額外利用近紅外太陽光譜到更寬范圍的潛能，從而提高短路電流（Jsc）；然而，為了達(dá)到此目的，層厚度必須提高或者如通常一樣使用更多摻雜光陷阱。確實(shí)，在圖2中我們的uc-Si:Hp-i-n電池的光譜響應(yīng)測(cè)量清楚地確認(rèn)有更高的紅外吸收。作為驚奇的事實(shí)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)厚度高到1.7um，實(shí)際上光生載流子全部

7、被收集，對(duì)于近似厚度的非晶p-i-n電池卻是相反的事例。對(duì)AM1.5條件，我們得到21.9mA/cm2的短路電流密度，比曾經(jīng)報(bào)道的非晶硅電池最高值還要高的多，實(shí)現(xiàn)了吸收光譜的預(yù)測(cè)（圖1）。對(duì)1.7um厚度電池在0偏壓下良好的收集飽和使我們得出結(jié)論，短路電流可以通過增加層厚度進(jìn)一步提升。最好的電池(1.7um)顯示了4.6%的效率（實(shí)際面積5mm2），但是得到的開路電壓是在340-389mV間，F(xiàn)F是在40%到60%之間。進(jìn)一步提高效率的潛力是在于優(yōu)化p-i界面以得到更高的Voc值。我們之前在不同的研究

8、中有說明，通過插入a-Si:H緩沖層可以使高到600mV的Voc值成為可能。在后續(xù)內(nèi)容中，對(duì)我們的新電池長(zhǎng)期光衰減條件下穩(wěn)定性的重要問題被測(cè)試。對(duì)非晶硅電池衰減過程按照美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)引進(jìn)的進(jìn)行（100mW/cm2AM1.5,1000h,50C）。微晶硅電池在AM1.590mW/cm2光源（5個(gè)一排飛利浦，PL-L24W/95/4P燈）下照射超過640h。溫度保持在常數(shù)47±2C。圖3中給出了