10001597_埋栅叠层ITO薄膜在硅基异质结电池上的应用

埋栅叠层 ITO 在硅基异质结电池上的应用 王文贤 1，蔡伦 2，金磊 2，陈涛 1，俞健 1，沈辉 2，黄跃龙 1 1 西南石油大学，光伏产业技术研究院，成都 610500 2 中山大学太阳能系统研究所，广州 510006 摘要:在新型硅基异质结电池中，TCO 薄膜作为电池的窗口层，起着收集光生载流子和充当光 学减反膜的作用，其光电性能对电池具有重要影响，一方面较低电阻率的 TCO 有利于载流子的 输运，另一方面较高的透过率可以使更多光子进入电池，从而增加电池的光生电流。所以在不 减小光学透过率的基础上，尽可能降低 TCO 薄膜的方阻非常重要。本文采用的新型金属栅线 ITO/Ag grid/ITO 的结构在光学透过率保持在 85%左右的基础上，将 ITO 薄膜的体电阻率降低至 5.80×10-4Ω.cm，并将其应用在 n-CdS/p-Si 异质结电池上取得了 9.58%的效率。 通讯作者：黄跃龙 中组部千人计划特聘专家，专注于硅材料、硅电子器件、太阳电池技术研究，邮箱：huangyl@vip.163.com 关键词：硅基异质结电池，TCO 薄膜，ITO 1 研究背景与内容 高可见光透过率和低方阻的透明导电薄膜（TCO）在光电子器件中占有十分重要的地位。 为改善 TCO 薄膜的导电性，一种最简单的方法就是在 TCO 薄膜中插入超薄金属层，做成 TCO/Metal/TCO 三明治结构。韩国课题组 Daeil Kim 等研究了不同金属层 [1]，Au ，Ag 和 Cu 等 不同金属层及其厚度来降低 ITO 叠层薄膜的电阻率，取得不错的效果，能将电阻率降低至 10-4 量级。然而这一方法的缺点也是显而易见的，中间金属薄膜严重降低了 TCO 薄膜的透过率， 300~1200nm 波段透过率低于 70%，恶化了 TCO 薄膜的光学性能。本文对上述三明治结构提出 改进，提出了新型 TCO/Metal grid/TCO 的结构，实现了降低 TCO 薄膜方阻的同时保持其较高 的光学透过率。本文研究内容主要有： 1）制备了 ITO/Ag grid/ITO 结构的叠层 TCO 薄膜（记为埋栅叠层 ITO 薄膜） ，对三明治结 构的叠层薄膜的电学性质和光学特性进行了表征分析。 2）将埋栅叠层 ITO 薄膜应用在硅基异质结太阳电池前表面上，提高了电池效率。 2 研究结果与讨论 2.1 埋栅叠层 ITO 薄膜及 n-CdS/p-Si 异质结太阳电池的制备 本文采用直流磁控溅射制备的 ITO 薄膜作为 TCO 薄膜，其功函数未 4.2 eV, 有利于与 n- CdS 形成欧姆接触。ITO 采用国产的 In2O3:Sn (配比为 90:10)靶，在真空度 0.3-0.4 Pa, 氩气氛围 下采用 DC sputter 的方法制备，溅射功率小于 50W，溅射过程衬底无偏压和加热。薄膜厚度由 晶振检测，并采用椭偏仪校准。Ag grid 采用金属掩模板和溅射的方法制备。 n-CdS/p-Si 异质结 太阳电池采用 180 μm的 p 型（电阻率 1-3Ω㎝）Cz 硅片作为吸光层材料，溅射的 CdS 薄膜作 为发射极。电池背面采用高功函数的 MoO3 薄膜实现欧姆接触，前后电极均为银。电池具体结 构如图 1 所示。 图 1 n-CdS/P-Si 异质结太阳电池的截面示意图（未显示绒面） 实验过程：1）硅片进行正面制绒背面抛光，然后 RCA 清洗；2）硅片用浓度 10%的 HF 浸 泡 30s 去除其自然氧化层，氮气吹干后转移至磁控溅射仪中，在优于 8.0×10-4 Pa 真空环境下依 次沉积 CdS 和 ITO/Ag grid/ITO,其中 Ag-grid 层使用金属掩膜板生长；3）采用金属掩模板热蒸 发制备正面银电极；4）在电池背面采用热蒸发沉积 MoO3 和 Ag 完成电池制备。 在实验过程中生长正面银电极和 ITO 中 Ag grid 使用的是同一块金属掩膜版，以便成膜图 形基本重合，降低金属膜层的吸光/反射损失。 2.2 埋栅叠层 ITO 薄膜的光电特性及电池 I-V 测试 从表 3 可以看出，与单层 ITO 薄膜相比，引入 Ag grid 后的埋栅叠层 ITO 薄膜的载流子浓度 提高约一个数量级，电阻率显著降低，从 6.26×10-3 降低到 5.80×10-4Ω㎝，约降低了一个数量 级，改善效果显著；而光学透过率从平均 85.4%降低至 83.9%，降低幅度很小。 表 1 . 两种结构的 TCO 薄膜电学和光学性能对比 TCO 薄膜结构 Tavg(%) n (cm-3) ρ(Ω㎝) R (Ω/sq) ITO(64 nm) 85.4 1.68E20 6.26E-3 1.03E6 ITO (32 nm)/Ag-grid(70 nm)/ITO(32 nm) 83.9 6.06E21 5.80E-4 9.06E5 图 2 单层 ITO 薄膜与埋栅叠层 ITO 薄膜光学透过率对比 ITO 薄膜带隙在 3.5-4.3 eV 左右，在短波段具有较强吸收，在图 2 中发现，埋栅叠层 ITO 薄膜相对于单层 ITO 薄膜的光学透过特性整体向长波段平移，埋栅叠层 ITO 在 500-1000nm 透 过率增加，这更加有利于太阳电池吸收。 2.3 埋栅叠层 ITO 薄膜在 n-CdS/p-Si 电池上的应用 采用单层 ITO 薄膜和埋栅叠层 ITO 薄膜的 n-CdS/p-Si 电池的 J-V 曲线和性能参数如图 3 和表 2 所示。将埋栅叠层 ITO 薄膜应用在电池上后与单层 ITO 的电池对比，其开路电压基本无 变化，在 0.4 V 左右; 得益于 ITO 中金属 Ag 埋栅形状与电池顶层 Ag 电极栅线形状一样，上下 对位基本重合，两者电流密度均在 35.50 mA/cm2 左右，说明加入埋栅 Ag grid 后，薄膜透过率 的变化对电池可以忽略；得益于 TCO 薄膜方阻的降低，采用埋栅叠层 ITO 薄膜的电池 FF 提升 显著，最终电池转化效率提高了 0.5%。 图 3. 采用单层 ITO 薄膜和埋栅叠层 ITO 薄膜的 n-CdS/p-Si 异质结电池 J-V 特性 表 2. 采用单层 ITO 薄膜和埋栅叠层 ITO 薄膜的 n-CdS/p-Si 异质结电池 J-V 参数 Type Jsc (mA/cm2) Voc (V) FF (%) Eff (%) 单层 ITO 薄膜 35.40 0.41 62.78 9.11 埋栅叠层 ITO 薄膜 35.60 0.42 64.06 9.58 3 结论 本文提出了在 ITO 薄膜中埋入与电极形状一样的金属栅线来降低 TCO 薄膜的电阻率，同 时不显著降低 TCO 薄膜光学性能的方法。将埋栅叠层 ITO 薄膜应用于 n-CdS/p-Si 异质结电池 上，制备出效率的 9.58%的硫化镉硅异质结电池，显著提高了电池的填充因子，且电池电流密 度不发生明显降低，给制备高效硅基异质结电池提供了一种新的参考思路。 参考文献 [1] Dependence of intermediated noble metals on the optical and electrical J.Y. Lee, J.W. Yang, J.H. Chae, J.H. Park, J.I. Choi, H.J. Park, Daeil Kim*. properties of ITO/metal/ITO multilayers Optics Communications 282 (2009) 2362–2366