320云南师范大学胡志华-1

非晶硅 / 晶体硅异质结 HIT 太阳电池研究胡志华 1,3 王文静 2许 颖 2 赵秀玲 2夏朝凤 3 刘祖明 3刁宏伟 1 郝会颖 1廖显伯 11 中国科学院半导体研究所 北京 100083 2 北京市太阳能研究所 北京 100083 3 云南师范大学能源与环境科学学院，教育部可再生能源新材料重点实验室 昆明 650092 Email: huzhihua@public.km.yn.cn & huzhihua@ynnu.edu.cn 摘 要： 本文报道了具有低温薄膜工艺特点的非晶硅 /晶体硅异质结 HIT 太阳电池的实验研究结果。电池结构采用 TCO/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/Al 。 选用 ITO 作减反射膜时，电池的开路电压较高，短路电流较小；而选用 ZnO:Al 作减反射膜时，电池的短路电流较大，开路电压较低。以 ITO 作减反射膜的太阳电池最高光电转换效率达到 8.26%(AM1.5 ， 100mWcm -1)。1. 引 言晶体硅太阳电池具有转换效率高，生产技术成熟的优点，一直以来占据太阳电池世界总产量的绝大部分。 但传统晶体硅太阳电池生产中的高温 （ 9000C以上） 扩散制结工艺又限制了生产效率的提高和产品成本的进一步降低 [1] 。多年来各国科学家一直在努力研究探索低成本高产量的高效薄膜太阳电池制造技术。氢化非晶硅（ a-Si:H ）太阳电池生产工艺温度较低（ 4000C 以下） ，便于大规模生产，因此受到各国科学家的普遍重视并得到迅速发展 [ 2] 。但是，氢化非晶硅（ a-Si:H ）太阳电池的光致退化（ Staebler-Wronski 效应） [3] 问题始终没有得到很好的解决，同时其光电转换效率还有待进一步提高 [4] 。一条可行的途径是用宽带隙的 a-Si 作为窗口层或发射极，单晶硅 [5] 、多晶硅片作衬底 [6,7] ，形成所谓的异质结太阳电池。这种电池既利用了薄膜制造工艺优势同时又发挥了晶体硅和非晶硅的材料性能特点，具有实现高效低成本硅太阳电池的发展前景。 Hamakawa[ 8] 等率先报道了采用这种结构获得的 12%（ nip-a-S i :H/np-c-S i 叠层结构）的光电转换效率， Tanaka[9 ] 等还创下 p- a-Si:H/i-a-Si:H/n -c-Si 结构太阳电池光电转换效率 18.1%的最高记录。并将这种带有本征薄层的结构称之为 HIT（ Heterojunction with Intrinsic Thin layer ）结构。三洋 (Sanyo) 公司于 1990年开始进行具有 p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-c-Si 结构的 HIT 太阳电池的研究 [10] 。 1994 年他们的研究工作取得了突破性进展， 在 1cm2 面积上制备出转换效率为 20.0%的 HIT 太阳电池 [11] 。 以此工作为基础，日本三洋 (Sanyo) 公司很快展开了 HITTM 太阳电池的产业化研究，并于 1997 年迅速实现了 HITTM 太阳电池的工业化生产。所生产的面积超过 100cm2 的 HIT 太阳电池的转换效率高达 17.3%。所推出的商业化 HIT 太阳电池组件被命名为 HIT Power21 ，它由 96 片 HIT 太阳电池组成，输出功率为 180W[12] 。创下了面积为 100cm2 的太阳电池转换效率最高的世界纪录。根据最近的报道 [13] ， HIT TM 太阳电池又把面积为 100cm2 的太阳电池转换效率的最高世界纪录改写为 21.2%。 同时， 工业化生产已获得 18.5%的世界最高电池转换效率和 16.1%的组件效率。新的“ 190W HIT 组件”已于 2002 年 10 月投放市场。我们前期已经就 HIT 太阳电池进行过数值模拟研究 [14] ，本文报道了近期的实验研究结果。2. 实 验我们选用的硅片是 Φ 100mm的 p 型单晶硅， 硅片电阻率为 2Ω cm。 20％ NaOH减薄到 300μ m左右并进行 RCA清洗。将清洗后的硅片烘干，真空蒸发铝。蒸铝后在 800° C条件下烧结 Al 背场，自然冷却后，王水漂去铝，然后蒸银电极。将做好背电极的晶体硅片载入 PECVD系统，系统极限真空度5x10-4 Pa。本研究工作得到了国家重大基础研究计划（ 973）项目（合同号： G2000028201）和北京市自然科学基金重点项目资助。图 -1 HIT 太阳电池结构示意图Fig.1 Illustration of HIT solar cell structure 本征层沉积条件 ： n 型掺杂层沉积条件 ：SiH4 流量： 2scc SiH 4 流量： 2scc H4 流量： 20～ 40scc H 2 流量： 40～ 100scc 气压： 90Pa 气压： 90Pa RF 功率： 5W RF 功率： 20W 温度： 200° C 温度： 200° C 1％ PH3 流量： 10～ 15 scc 时间： 0～ 5min 时间： 5min 完成非晶硅层的沉积之后，需要立即制作透明导电减反射膜和银电极。我们使用的是一台新近研制的 RF 磁控溅射仪。靶材尺寸为直径 3 英寸， 5mm 厚，由 90％ In2O3 和 10％ SnO 2高温烧结压制而成。靶材用铟（ In）箔作背衬，安装在水冷不锈钢磁控溅射靶盘上。高纯 Ar（ 99.99％）作为溅射气体，流量由质量流量计控制。溅射电源是带匹配器的 13.56MHz 射频源。已沉积非晶硅的硅片平行放置在距离靶面 7－ 10cm 的可旋转的不锈钢衬底架上。衬底温度为 200° C，溅射功率 50-100W，时间 10 分钟。 ITO 薄膜厚度约 60nm。为了比较，我们还以掺铝氧化锌（ ZnO:Al ）作透明导电减反射膜。靶材是 ZnO（ wt 98％） : Al2O3 (wt2 ％ )陶瓷靶材。 ZnO 的工艺条件是：气压 15～ 25Pa， Ar2流量 80～ 100scc，衬底温度 50～ 100° C， RF 功率 300～ 500W。3. 结果与讨论表 -1 和图 -2 是首批试制的 n-a-Si:H/i-aSi:H/p-c-SiHIT 太阳电池的测试结果。光电测试在北京市太阳能研究所进行，光照条件为 AM1.5， 100mW/cm2，测试温度 25° C。从 J-V 曲线来看，这批次的太阳电池的 ITO（或 ZnO:Al ）透明导电膜不好，导致串连电阻增大，影响了填充因子和开路电压。另外，此批次的太阳电池 i-a-Si:H 层厚度同 n-a-Si:H 相当 （沉积时间相同） ， i 层相对厚了一些，因而影响了填充因子。从短路电流来看已经接近同等结构的国际最好水平（ Area ＝ 1cm2，Isc=29.78mA ， Voc=590.4mV， FF=74.31%， η ＝ 13.1%） 。 [15] 下一步工作的重点是优化各层工艺条件，特别是 i-a-Si:H 的厚度和 ITO 的电导率的控制，以期提高电池的填充因子和开路电压。表 -1 HIT 太阳电池的光电测试结果Table 1 Measured photovoltaic characteristics of HIT solar cells (AM1.5,100mW/cm 2) 样品 VOC(mv) I SC(mA) FF η (%) ITO-3 529.5 23.7 0.6245 7.84 ITO-4 556.3 26.35 0.5622 8.24 ITO-5 537.3 25.1 0.5399 7.28 ZnO-1 443.6 29.75 0.5874 7.75 ZnO-3 442.1 27.9 0.6232 7.69 ZnO-4 372.6 28.13 0.6067 6.36 我们还注意到，不同的 TCO（ ITO 和 ZnO： Al ）对 HIT 太阳电池的光电特性也有很明显的影响（如表 -1 和图 -2 所示） 。 ZnO:Al 作前电极时短路电流比 ITO 作前电极时的短路电流要大，而开路电压却要低一些。短路电流的区别可能是由于 ZnO:Al 相对 ITO 更容易形成织构的原因， ZnO:Al 的表面织构增加了光吸收。至于 ZnO:Al 作前电极时开路电压的下降的原因，目前尚不十分清楚，估计是由于 ZnO:Al 和 ITO 间的功函数差异造成。0 100 200 300 400 500 600-35-30-25-20-15-10-505ZnO:Al/n +-a-Si/p-c-Si/AlITO/n +-a-Si/p-c-Si/AlAM1.5,100mW/cm 2Cell size: 1cm 2J(mA/cm2)V（ mV)图 -2 HIT 太阳电池的实测 J-V 特性曲线Fig.2 Measured light J-V curves of HIT solar cells 4. 结 论本文报道了具有低温薄膜工艺特点的非晶硅 /晶体硅异质结 HIT 太阳电池的实验研究结果。 电池结构采用 TCO/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/Al 。不同的 TCO（ ITO 和 ZnO： Al ）对 HIT 太阳电池的光电特性也有很明显的影响（如表 -1 和图 -2 所示） 。 ZnO:Al 作前电极时短路电流比 ITO 作前电极时的短路电流要大，而开路电压却要低一些。短路电流的区别可能是由于 ZnO:Al 相对 ITO 更容易形成织构的原因， ZnO:Al 的表面织构增加了光吸收。 ITO/n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-Si/Al 结构的太阳电池最高光电转换效率达到 8.26%(AM1.5 ， 100mWcm -1)。参考文献[1] Rannels J E 1998 Proc. of the 2 nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, V ienna 3296 [2] Song Y J, Anderson W A 2000 Solar Energy Material & Solar Cells, 64 241~249 [3] Yamamoto K et al. 2001 Solar Energy Material & Solar Cells , 66 117~125 [4] Yang J et al. 1997 Appl. Phys. Lett. 70 2975 [5] Tucci M 1999 Solar Energy Material & Solar Cells, 57 249~257 [6] Matsumoto Y 1990 J. Appl. Phys . 67 6538 [7] Ma W et al 1996 Japanese Journal of Applied Physics, 35 640~643 [8] Hamakawa Y 1983 Japanese Journal of Applied Physics,. 22 L605~L607 [9] Tanaka M 1992 Japanese Journal of Applied Physics, 31 3518~3522 [10] M. Taguchi, M. Tanaka, T. Matsuyama et al. Technical Digest of the International PVSEC-5, Kyoto, 1990: 689. [11] T. Sawada, N. Terada, S. Tsuge et al. High efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell. Conference Record the first WCPEC , Hawaii, 1994:1219. [12] Hitoshi Sakata, Takuo Nakai, Toshiaki Baba et al. 20.7% highest efficiency large area (100.5cm 2) HIT TM cell. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference , 2000: 7. [13] Makoto Tanaka, Shingo Okamoto, Sadaji Tsuge et al. Development of HIT solar cells with more than 21% conversion efficiency and commercialization of highest performance HIT modules. WCPEC-3 abstracts for the technical program . May 2003, Osaka, Japan. [14] 胡志华，廖显伯，曾湘波，徐艳月，张世斌，刁宏伟，孔光临，非晶硅 / 晶体硅异质结太阳电池计算机模拟，太阳能学报， 23 卷， 2003（增刊） ， 9－ 13 [15] Borchert, D., et al., Preparation of (n) a-Si:H/(p) c-Si Heterojunction Solar Cells, 9th Photovoltaic Solar Energy Conf. PVSEC-9, Myazaki/Japan (1996)