太阳能电池论文-余礼杰(2)

《 太 阳 能 电 池 ： 原 理 、 材 料 、制 造 与 检 测 技 术 》 课 程 论 文2015-2016学年第 2 学期学 院： 理学院学生姓名： 余礼杰专业班级： 光信科 1402 学 号： 0121414680411 授课老师： 夏冬林二 O 一六年五月透明导电氧化物薄膜摘要： 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题， 照射到地球上的太阳能非常巨大，大约 40 min 照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。 因此， 制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景， 而且也是时代所需。 透明导电氧化物薄膜被广泛应用于太阳能电池、 平板显示器以及透明视窗等制备中 ,成为不可或缺的一类薄膜。综述透明导电氧化物薄膜的发展现状和发展趋势 ,阐述透明导电氧化物薄膜的导电机理和载流子散射机制 ,系统概括出材料体系选择原则。关键词： 太阳能电池、透明导电氧化物薄膜1 引言鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加， 世界上许多国家掀起了开发和利用新能源的热潮。 在新能源中， 特别引人瞩目的是不断地倾注于地球的永久性能源 — 太阳能。太阳能是一种干净、清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源， 将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础， 世界各国都很重视。2 太阳能电池简介太阳能光伏电池 (简称光伏电池 )用于把太阳的光能直接转化为电能。太阳能电池根据制备材料的不同， 可分为晶体硅太阳能电池、 薄膜太阳能电池。 目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池。太阳能电池又称为 “ 太阳能芯片 ” 或 “ 光电池 ” ，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到， 瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。 在物理学上称为太阳能光伏（ Photovoltaic， photo 光， voltaics 伏特，缩写为 PV），简称光伏。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流， 而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段 [2]。3 早期太阳能电池的研究最早的太阳能电池是在 1954 年由贝尔实验室制造出来的，当时研究的动机是希望能替偏远地区有通讯系统提供电源，不过由于效率太低 (只有 6%)，造价太高 (357 美元 /瓦 )，缺乏商业价值。与此同时，世界超级大国美国、苏联正如火如茶在实施着太空计划， 因为太阳能电池具有不可取代的重要性， 使得太阳能 电池找到了的发展领域。 从 1957 年苏联发射第一颗人造卫星开始至 1969 年美国人登陆月球， 太阳能电池在太空飞行任务中肩负着重要的角色， 其发展也达到了一个颠峰的境界。但因为太阳能电池造价昂贵，制约了其应用范围。1970 年代初期，由于中东战争爆发，石油禁运，工业化国家必需的石油供应中断， 出现能源危机， 迫使人们不得不再度重视将太阳能电池应用于电力系统的可行性。1990 年代以后，人们开始将太阳能电池发电与居民生活用电相结合，在美国、日本德国等发达国家开始推广与城市发电系统相并联的太阳能电池发电系统。此一发电系统的建立大大地缓解了筹建大型发电厂的压力 ,节约了用地，也减少了对环境的破坏 [3]。近年来， 太阳能电池生产技术不断得到研究开发， 生产成本不断降低， 电池转换效率不断提高， 太阳能电池的应用日益普及并拓展， 已日渐成为电力供应的重要来源。4 p 型透明导电氧化物薄膜的研究进展透明导电膜 ,既具有可见光范围光学透明性 ,又具有良好的导电性 ,因此已被广泛地应用于光电子器件中。例如 ,用作太阳电池、平板显示屏、触摸屏和 LED等器件的透明电极。在光电子产业中 ,它占了重要的地位 ,给社会带来了巨大的经济效益 ,据估计透明导电膜的相关产品年销售量达 3 亿美元。迄今为止 ,投入实际应用的透明导电膜都是 n 型半导体薄膜。在微电子和光电子器件以及电路的应用中 ,它只能作为无源器件 ,因而限制了透明导电膜的利用空间。如果能制备出 p 型的透明导电膜 ,则可以拓宽它的应用领域使之从无源器件 ,拓展到有源器件。 例如可以制作透明 pn 结、 FET 等有源器件 ,甚至可使整个电路实现透明。更为重要的是 :p 型透明导电膜的发现 ,还可以开拓一个崭新的研究领域 ,产生新的光电子器件及相关产业的发展。与传统常规半导体相比 ,尽管 p 型透明导电膜具有许多独特的优点和广泛的应用前景 ,但是理论表明要构成 p 型透明导电材料 ,要求其价带顶具有较小的有效质量以形成浅受主能级。在实践中这一要求却很难实现 ,因此设计和制备既具有可见光透明性 ,又具有良好导电性的 p 型膜具有很大的难度 ,一直都没有大的进展。直到 1997 年， Kawazoe 等通过新的材料设计概念 ,首次制备出了铜铁矿结构的 CuAlO 2透明薄膜在室温下呈现了较好的 p 型导电性。在此激励下， p 型透明导电膜的研究如火如荼 ,相继发现了多种类型的 p 型透明导电材料。还出现了相关的透明器件研究 ,例如透明的 pn 结、 UV-LED 、 FET 和智能窗等。按照材料及其结构归纳起来， p 型透明导电膜材料主要有铜铁矿系的含 Cu化合物、 层状结构的氧硫族化合物、 掺杂的主族化合物等。 本文主要从这个角度综述 p 型透明导电膜的制备方法、研究现状及其发展 [6]。5 透明导电氧化物薄膜及其制备方法透明导电氧化物薄膜的制备方法很多 ,发展也很快。像磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶 -凝胶、热喷涂、化学气相沉积、反应热蒸发、原子层外延等薄膜制备的常见方法均被用于制备透明导电氧化物薄膜。 透明导电氧化物薄膜的不同用途对薄膜的结晶取向、 表面平整度、 导电性、 光学性能及气敏性等有不同的要求 ,而薄膜的这些特性是由制备过程的工艺参数决定的。因此 ,改进制备工艺的努力方向应体现完善薄膜性能、 降低反应温度、 提高控制精度、 降低制备成本和适应集成化等趋势 ,而制备方法的选择则应根据薄膜的性能要求和不同的应用目的而不同。(1）磁控溅射法 TCO 薄膜的制备磁控溅射技术是 20 世纪 70 年代开始用于实践 ,特点是薄膜在低温下沉积获得优良的光学和电学性能。另外 ,还具有沉积速率高、基片温度低、成膜黏附性好、易控制、成本低、能实现大面积制膜的优点 ,与 IC 平面器件工艺有兼容性 ,因而成为当今工业化生产中研究最多、最成熟、应用最广的一项成膜技术 ,也是透明导电氧化物薄膜制备技术的研究热点 [5]。透明导电薄膜的主要特性是透明和导电。影响这两个指标的因素很多 ,如溅射电压、沉积速率、基片温度、溅射压力、氧分压以及靶材的组分比等等。磁控溅射技术制备透明导电薄膜要求尽可能低电压溅射 ,因为磁控溅射等离子体中的负离子主要是氧离子 ,被阴极 (靶 )电压加速并与加速电压成正比 ,入射到基片表面能量很高 ,可使透明导电薄膜因受离子轰击而损伤 ,使薄膜电阻增大。 Wendt 和Ellmer 等研究了氧分压、溅射电压等工艺参数和离子能量对 ZAO 薄膜成膜质量的影响。他们发现氧分压的工艺窗口较窄 ,是制备过程中较难控制的参数 ,对薄膜的光电性能影响较大。 Minami 发现 ,采用射频磁控溅射技术制备的 ZAO 薄膜 ,其在基片垂直方向上的薄膜电阻率要低于基片平行方向 ,而且薄膜结晶性能与靶和基片的放置状况有密切的依赖关系。姜健等 [16]采用磁控溅射方法制备 ZAO 薄膜的电阻率最小可达 (2～ 5) × 10-4Ω ? cm,可见光透射率大于 85%。同时还发现 ,基片温度影响着薄膜的厚度 ,也影响着 ZnO:Al 的电学特性 ,但随着基片温度的增加 ,这种影响逐渐减弱 ,在 300℃以下 ,相对靶刻蚀处膜厚较小 ,而在 350℃时基片上所形成的膜厚较为一致。尽管磁控溅射法在透明导电薄膜的制备中使用最为广泛 ,然而溅射过程中产生的高能溅射粒子可能损坏基片和开始生成的薄膜 ,对成膜质量有一定负面影响 [7]。(2)脉冲激光沉积工艺 TCO 薄膜的制备脉冲激光沉积 (PLD)工艺是在高真空系统中 ,通过激光器发出脉冲激光汇聚在靶表面使其表面融化汽化沉积到基片上成膜。 PLD 工艺沉积薄膜有很多优点 :工艺可重复性好 ;化学计量比精确 ;沉积速率可控 ,操作简单 ,特别是可避免沉积过程中对基片和已形成薄膜的损害 ;其基片温度要求也不高 ,而且薄膜成分与靶材保持一致。所以很多研究者采用 PLD 法来进行透明导电薄膜的沉积。在以往进行的透明导电薄膜的 PLD 沉积中 ,所使用的激光器多种多样 ,不仅有准分子紫外激光 ,还有固体激光以及 CO2激光等。波长为 248nm 的紫外准分子激光应用最为广泛。 AdurodijaFO 等采用 PLD 工艺在室温下制备出电阻率为 1.2 × 10-4Ω ? cm,可见光的透过率达 90%的 ITO 薄膜。 KimH 等则采用 PLD 方法在 200℃的玻璃衬底上获得了电阻率为 3.7 × 10-4Ω ? cm,透光率为 90%的 AZO 薄膜 [8]。根据使用靶材的不同 ,透明导电薄膜的 PLD 法可分为两类 :一种是使用氧化物陶瓷靶材 ;另一种则是在氧气的反应气氛中利用多靶来沉积。 如 AZO 薄膜的制备 ,一般采用掺杂有少量氧化铝 (其掺杂比一般约为 1.5%)的氧化锌靶材。但是考虑到制备掺有氧化铝的氧化锌陶瓷靶材比较复杂 ,也可使用双靶 (锌靶和铝靶 )在反应性氧气气氛中进行 PLD 沉积的方法来制备 AZO 薄膜 ,该方法是通过控制分别作用在铝靶和锌靶上的激光脉冲作用数来实现在氧化锌薄膜中一定比例的铝的掺杂。与使用掺铝氧化锌靶材进行 PLD 沉积的方法相比 ,该方法可非常方便地在实验中得到不同铝掺杂浓度的 AZO 透明导电薄膜。采用该种方法在 K9 玻璃上制备的 AZO 薄膜在可见光区的透过率可达到 85%左右。 AZO 薄膜中的铝掺杂使得薄膜的禁带能量宽度增加 ,材料的吸收边向短波长的方向移动。值得注意的是 ,通过在 PLD 薄膜沉积过程中引入辅助放电可以提高薄膜铝掺杂的质量 ,但同时该手段不利于薄膜沉积速率的增加。采用 PLD 工艺虽然可以方便地通过调整脉冲频率与功率来控制薄膜的厚度，但不易获得大面积均匀薄膜 ,这也是该工艺大规模工业化制备透明导电薄膜的一个不利因素 [9]。6 透明导电薄膜的应用及前景随着全球对可再生、 清洁和安全能源需求的日益提升， 薄膜等新技术的创新和成本的逐步降低， 各类薄膜太阳能电池正成为全球新型太阳能电池研究的重点和热点， 并且越来越广泛地在各个领域应用， 我国很多企业也加入到了薄膜太阳能电池行业中。 随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高， 高分辨率， 大尺寸平面显示器，太阳能电池，节能红外反射膜，电致变色窗等广泛应用，对透明导电薄膜的需求愈来愈大。 透明导电薄膜一定会在未来的发展中拥有自己的一片天空，更召唤着无数青年才俊现身其中 [10]。参考文献[1] 董振利 .基于 DSP 与 dsPIC 的数字式太阳能电池阵列模拟器研究 [D]. 合肥： 合肥工业大学，2007 [2] 赵玉文 .太阳能光伏技术的发展概况 .第五届全国光伏技术学术研讨会论文集 .1998 [3] 周德佳 .太阳能光伏发电技术现状及其发展 ,电气应用 . 2007 [4] 吴忠军 ,刘国海 ,廖志凌 .硅太阳电池工程用数学模型参数的优化设计 .电源技术 . 2007. [5] 杜柯 .基于 DSP 的光伏电池数字模拟系统研究 [D]. 武汉：华中科技大学， 2006. [6] 谢文涛 .新型光伏阵列模拟器的研究与设计 [D]. 杭州：浙江大学， 2007. [7] 孙孝金 .太阳能电池阵列模拟器的研究与设计 [D]. 济南：山东大学， 2009. [8] 韩珏 .太阳能电池阵列模拟器的研究和设计 [D]. 杭州：浙江大学， 2006. [9] 林安中 ,王斯成 .国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景 .太阳能学报 ,增刊 . 1999： 68-74 [10] 苏建徽 ,余世杰 ,赵为 .硅太阳电池工程用数学模型 .太阳能学报 . 2001： 56-60.