单结a-Si太阳电池制备技术分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：单结a-Si太阳电池有两种，即P-I-N和N-I-P型。透明导电膜有两个作用：一是让光通过衬底进入太阳电池；二是提供收集电流的电极。在背反射膜上依次沉积N层、I层和P层a-Si或微晶硅材料，然后在P层上沉积透明导电膜。因为微晶硅对短波的吸收系数比a-Si小，使电池的短波响应好；微晶硅P层的掺杂效率比非晶硅高，相应的电导率高。

单结a-Si太阳电池有两种，即P-I-N和N-I-P型。

1.P-I-N单结非晶硅薄膜太阳电池

P-I-N单结结构的电池一般沉积在玻璃衬底上，以P、I、N的顺序连续沉积各层。光透过玻璃入射到太阳电池，玻璃叫衬底。制造时，先要在玻璃衬底上沉积一层透明导电（TCO）膜。透明导电膜有两个作用：一是让光通过衬底进入太阳电池；二是提供收集电流的电极（称为顶电极）。然后在透明导电膜上依次沉积P层、I层及N层，P层通常采用非晶碳化硅合金，非晶碳化硅合金的禁带宽度比非晶硅宽，光的透过率比通常的P型非晶硅高，所以P型非晶碳化硅合金也叫窗口材料（Window Material），P型非晶碳化硅合金可以有效地提高太阳电池的开路电压和短路电流。但是，P型非晶碳化硅合金和本征非晶硅在P-I界面存在带隙的不连续性，在界面处容易产生界面缺陷态，从而产生界面复合，降低电池的填充因子。为了克服这一不足，采用一个缓变的碳过渡层（Butter Layer），可以有效地降低界面缺陷态密度，提高填充因子。在此过渡层上面可以直接沉积本征非晶硅层，然后沉积N层。

背电极可以直接沉积在N层上。常用的背电极材料是蒸发银和铝。银的反射率比铝高，使用银电极可以提高电池的短路电流，但是银的成本比铝高，长期使用的可靠性有问题，所以在实验室中采用银作为背电极，大批量的工业生产中用铝作为背电极。为了提高光在背电极的有效散射，在沉积背电极之前可以在N层上沉积一层氧化锌（ZnO）。氧化锌有两个作用：一是它有一定的粗糙度，可以增加光漫射；其次它可以起到阻挡金属离子扩散到半导体中的作用，从而降低由于金属离子扩散所引起的电池短路。

2.N-I-P单结a-Si薄膜太阳电池

N-I-P单结结构是沉积在不透明的衬底上的，如不锈钢和塑料。首先在衬底上沉积背反射膜。常用的背反射膜有银／氧化锌（Ag／ZnO）和铝／氧化锌（Al／ZnO），银／氧化锌的成本较高，通常在实验室使用，大批量的工业生产用铝／氧化锌。在背反射膜上依次沉积N层、I层和P层a-Si或微晶硅材料，然后在P层上沉积透明导电膜。常用的透明导电膜是氧化铟锡（Indium-tin-oxide，ITO）膜。由于ITO膜的表面电导率通常不如在玻璃衬底上的透明导电膜的表面电导率高，加上为达到其减反作用，其厚度一般仅为70nm，厚度很薄，所以要在ITO膜面上添加金属栅线，以增加光电流的收集率。与P-I-N结构相比，N-I-P结构有以下几个特点：

1）制造时首先是在背反射膜上沉积N层，其材料是铝／氧化锌。氧化锌相对稳定，不易被等离子体中的氢离子刻蚀，所以N层可以是a-Si或微晶硅。

2）电子的迁移率比空穴的迁移率高得多，所以N层的沉积参数范围比较宽。

3）P层是沉积在本征层上，所以P层可以用微晶硅，可有效地提高电池的开路电压。因为微晶硅对短波的吸收系数比a-Si小，使电池的短波响应好；微晶硅P层的掺杂效率比非晶硅高，相应的电导率高。

4）由于要在顶电极ITO膜上添加金属栅线，以增加光电流的收集率，所以电池的有效受光面积会减小。

5）由于ITO膜的厚度很薄，ITO膜本身很难具有粗糙的绒面结构，电池的光漫射效应主要取决于背反射膜的绒面结构，因此对背反射膜的要求比较高。

单结a-Si太阳电池制备技术分析

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