HIT太阳电池中ITO薄膜的结构和光电性能(20180813151739)

文章编号 : 025420096( 2007) 0520504204HIT 太阳电池中 ITO 薄膜的结构和光电性能收稿日期 : 2006206219基金项目 : 河北省自然科学基金项目 (F2005000073)任丙彦 1 , 刘晓平 1 ,2 , 许 颖 2 ,3 , 王敏花 1 ,2 , 廖显伯 3(11河北工业大学 (院部 ) 信息功能材料研究所 ,天津 300130;21 北京市太阳能研究所 ,北京 100083; 31 中科院半导体所表面物理室 ,北京 100083)摘 要 : 采用射频磁控溅射技术在不同射频功率下沉积了 ITO 薄膜 ,并将其应用于 HIT 太阳电池 。分析了薄膜的结构 、 光电特性 。 结果表明 ,在 120W 时制备的薄膜很好地兼顾了电阻率和光透过率 ,其电阻率为 3148 × 10 - 4 Ω ?cm 、 在 350～ 800 nm 波段的平均光透过率为 8711 % ,将其应用于 HIT 太阳电池上 ,电池的转换效率可达 13138 %。关键词 : 氧化铟锡薄膜 ; 射频磁控溅射 ; 陶瓷靶 ; HIT 太阳电池中图分类号 : 0472 ,0482 ,0484 文献标识码 : A0 引 言透明导电薄膜材料已广泛应用于太阳电池、 平面显示 、 特殊功能材料窗口涂层及其它光电器件领域 。 氧化铟锡薄膜 ( ITO) 是具有代表性地透明导电薄膜 ,其最低电阻率达 10- 4Ω ?cm 量级 ,可见光谱范围内透过率 90 %以上 ,其优异的光电性能使之成为具有实际应用价值的透明导电薄膜材料 。目前已形成了一定的商业生产规模 ,是平面液晶显示器件中不可或缺的透明电极材料 。 因此制备性能良好的氧化铟锡薄膜非常必要 。在氧化铟锡薄膜制备技术上常用直流磁控溅射法 [1 ～ 2 ] 、 射频磁控溅射法 [3～ 4] 、 化学气相沉积法 [5 ] 、 真空蒸发和电子束蒸发工艺 [6 ] 。 新近发展起来的制备技术 : 脉冲激光沉积法 [7 ] 、 溶胶 2凝胶法 [8 ] 和喷射高温热分解工艺 [9 ] 等也取得了较大进展 。 上述方法中研究和应用最广泛的是磁控溅射技术 。在溅射过程中 ,溅射离子的能量较高 ,高能离子沉积在衬底上进行能力转换 ,产生较高的热能 ,使得溅射薄膜与衬底具有良好的附着力 ,且溅射镀膜密度高 、 针孔少 、 薄膜性能良好 ;而且溅射技术成本低 ,适合沉积大面积薄膜 。采用射频磁控溅射技术 ,在低温时从溅射功率角度优化 ITO 薄膜并将其应用于 HIT 太阳电池的文章很少 。 本文采用射频磁控溅射方法在不同的溅射功率下制备了氧化铟锡薄膜 ,对其结构和光电性能进行研究 ,并将优化的 ITO 薄膜应用于 HIT 太阳电池 ,获得转换效率约为 13138 %的太阳电池 。1 实 验采用射频磁控溅射系统制备氧化铟锡薄膜。用规格为 110mm× 76mm× 26 mm 的载玻片作衬底 ,制备前用化学试剂对衬底进行清洗 ,然后用去离子水冲洗干净并用高纯氮气吹干 。 氧化铟锡陶瓷靶材的纯度为 991999% ,靶直径为 3 英寸 、 厚度为 5mm,靶材与样品间距为 12cm。 实验时本底真空度为 815 ×10- 4 Pa,并进行 5 min 的预溅射 (以清洁陶瓷靶材表面 ) ,其它工艺参数如表 1 所示 。表 1 溅射沉积氧化铟锡薄膜所用的工艺参数Table 1 The technological parametersof preparation ITOfilms by radio2frequency magnetron sputtering衬底温度/ ℃溅射功率Π W氩气流量Π sccm溅射气压Π Pa200 30～ 190 40 018薄膜的电阻采用数字式四探针测试仪进行测量 ,采用椭圆偏振仪测量样品的厚度 ,样品的可见光透过率用 Cary紫外 2可见光分光光度计来检测 ,采用X 射线衍射仪研究了薄膜的微观结构 。2 结果与讨论211 电学性能第 28 卷 第 5 期2007年 5 月太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol128 , No15May1 ,2007对于 HIT 太阳电池而言 ,窗口层 ITO 薄膜的电阻率是一个重要参数 ,对电池的填充因子影响很大 。图 1 所示为溅射功率对 ITO 薄膜电阻率的影响曲线 。 由图可见 ,电阻率随射频功率的增加而降低 ,当功率为 120W 时薄膜的电阻率降至 3148 × 10- 4Ω ?cm,当功率升至 190W 时 ,电阻率略有增加 。图 1 电阻率随射频功率的变化关系Fig11 Variation of film resistivity with sputtering power功率过高或过低都会影响薄膜的电阻率 ,射频功率从 30W 增加到 190W时 ,氩离子能量增加 ,溅射出的粒子具有较高的能量沉积到衬底上而形成 ITO薄膜 ,衬底表面的膜层与衬底的粘附能力及膜层的致密度都有所提高 ,晶体结构也有所改善 ,故功率增加薄膜的导电性得到改善 。另外溅射功率增加 ,氩气的电离度提高 ,从而提高了溅射速率 ,缩短了溅射时间 。 但功率并不是越高越好 ,主要从两方面考虑 :一是陶瓷靶脆性大 ,受到能量较高的氩离子轰击时容易开裂 ;二是薄膜在形成过程中不断受到粒子的轰击作用 ,在功率较高的情况下 ,溅射出的高能粒子易损坏生长的薄膜 ,从而使结构发生畸变 ,降低薄膜的导电性 [10 ] 。212 光学性能透过率是评价 ITO 薄膜光学性能的一个重要指标 ,在光电子器件 (如太阳电池 ) 中 ITO 薄膜被用作透明电极 ,因此在可见光波段 ITO 膜被要求是透明的 。 图 2 所示为沉积在载玻片衬底上的 ITO 薄膜的光透过率 。 从图中可以发现 ,随着溅射功率的增加 ,光透过性显著增加 ,在射频功率为 120W 时透过率最高点达到最大 ( > 95 %) ,继续增加射频功率 ,光透过率有所下降 。 射频功率在 30～ 120W 时 ,光透过率增加是因为薄膜结构的均匀性和结晶性得到了改善 ;功率为 120～ 190W 时光透过率下降 ,如前面所述 ,我们认为是溅射功率较高 ,溅射出的高能粒子在某种程度上损坏了生长的薄膜 。另外 ,光透过率最高点对应的波长有所不同 ,这是薄膜的厚度略有不同所致 。图 2 ITO 薄膜透光率与波长的关系Fig12 Dependenceof optical transmittanceof ITO films on wavelength213 光电性能的优化由图 1 和表 2 我们发现 ,ITO 薄膜的电阻率和光透过率随射频功率的变化趋势并不一致 ,电阻率在120W 时最小 ,而平均光透过率在 80W 时值最大 。为将良好的 ITO 薄膜应用于太阳电池 ,必须折中选取电阻率和光透过率都比较合适的样品制备条件 。为更准确地估计 ITO 薄膜性能的优劣 ,定义品质因子 Φ = T10avrΠ Rs[11 ] 。式中 , Tavr — — — 薄膜在波长范围350～ 800nm的平均透过率 ; Rs — — — ITO 薄膜的薄层电阻 。 从表 2 可以清楚地看到 ,在射频功率为 120W时 Φ 达到最大值为 61129 × 10- 3Ω - 1 ,很好地折中了电阻率和光透过率 ,适合应用于 HIT 太阳电池 。表 2 ITO 薄膜的品质因子Table 2 Figure of merit of ITO thin filmsP0 Π W RsΠ Ω TavrΠ % Φ Π × 10 - 3Ω - 130 141 8415 1131650 121 8419 1160880 100 8716 21661100 67 8619 31665120 41 8711 61129170 60 8017 11952190 59 7612 11119注 : Rs :薄层电阻 ; Tavr :350～ 800nm波段薄膜的平均透过率214 结构特性通过对所有样品的 X 射线衍射谱分析发现 ,薄膜的结晶状态与射频功率有关 。射频功率较低 ( 100W)时 ,膜的结构为多晶 。图 3 是射频功率分别为 80、100、 120W 条件下制备的薄膜的 X 射线衍射图 ,随着射频功率的增加 ,薄膜的结构由非晶转化为多晶 ,衍射峰强度都有不同程度的增加 , (222) 衍射峰择优趋势最为明显 。图 3 不同溅射功率下 ITO 薄膜的 X 射线衍射图Fig13 XRD of ITO thin films depositedat different sputtering powers215 ITO 薄膜对电池性能的影响为直接检验 ITO 对光电器件的影响 ,我们制备了仅 ITO 薄层不同的 HIT 太阳电池 。 器件的结构为AgΠ ITOΠ (n) a2Si :HΠ (i ) a2Si: HΠ (p) c2SiΠ Al 。实验发现 ,采用射频功率过高或过低条件下制备 ITO 的电池 ,填充因子都不理想 ,从而直接影响了电池效率 。采用功率适中 (电阻率和光透过率折中最好 ) 的 ITO 薄层的电池 ,填充因子提高到 017667 ,电池效率最高 。图 4 是 ITO 薄膜制备工艺优化前后的 HIT 太阳电池的 I2V 特性曲线比较 ,图 4a 为优化后电池的 I2V 特性 ,效率为 13138 % ,填充因子为 017667;而未优化ITO 工艺制备的 HIT 太阳电池 (图 4b) 转换效率为7191 % ,填充因子为 014844 ,由此可见具有明显的改善 ,同时也表明 ITO 薄膜对 HIT 电池起到至关重要的作用 。3 结 论利用 XRD、 电学和光学测试手段 ,分析了采用射频磁控溅射技术在载玻片上沉积的 ITO 薄膜的结构和光电特性 。 结果表明射频功率对 ITO 薄膜的性能有很大影响 :薄膜电阻率随功率增加先显著降低后又在最小值基础上略有增大 ; 光透过率随功率呈先增后减的趋势 ;随着射频功率的增加 ,薄膜的结晶度有所改善 ,由非晶变为多晶 ,衍射峰强度增强 。 应用图 4 ITO 薄膜制备工艺优化前后的HIT 太阳电池的 I2V 曲线Fig14 I2V curve of HIT solar cell before andafter optimization of ITO technology在 HIT 太阳电池上时要兼顾电阻率和光透过率 ,在射频功率为 120W 时制备的薄膜 ,较好地折中了电阻率 和 光 透 过 率 的 要 求 , 应 用 于 电 池 上 获 得 了13138 %的转换效率 。[ 参考文献 ][1 ] Uthanna S , Reddy P S, Naidu B S , et al. Physical investiga2tions of DC magnetron sputtered [ J ]. Vacuum , 1996 , 1(47) : 91 — 93.[2 ] Meng Lijian , Placido Frank. Annealing effect on ITO thinfilms prepared by microwave2enhanced dc reactive magnetronsputtering for telecommunication applications [J ]. Surface 2. Beijing Solar Energy ResearchInstitute , Beijing 100083, China ; 3. Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China )Abstract :ITO thin films were preparedby radio2frequency magnetronsputteringtechnique at different sputtering power,and appliedto HIT solar cells. Microstructures, electrical andoptical propertiesof thesefilms wereanalyzed. The resultsdisplayedthat the film depositedat sputteringpowerof 120W has a good compromisebetweenthe resistivity andopticaltransmittance, the resistivity of the sample was 3. 48 × 10- 4Ω ?cm , and the averagetransmittanceis 8711 % in the wave2length rangeof 350～ 380nm. 13. 38 % conversionefficiency could be obtainedon the HIT solar cell using the optimizedITO thin film.Keywords :indium tin oxide; radio2frequencymagnetronsputtering; ceramic target; HIT solar cells联系人 E2mail :cherishlxp @sohu. com5 期 任丙彦等 :HIT 太阳电池中 ITO 薄膜的结构和光电性能 507