本征層為InxGa1-xN 結(jié)構(gòu)柔性太陽(yáng)能電池研究

苗麗華 張 東 趙 琰 李昱材

1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)數(shù)理教研室；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院新能源學(xué)院

本文研究一種可調(diào)帶隙量子阱結(jié)構(gòu)的柔性襯底太陽(yáng)能電池及制備方法。本論文研究的太陽(yáng)能電池具體結(jié)構(gòu)是：Al 電極/GZO/P 型nc-Si：H/I 層本征InxGa1-xN/N 型nc-Si：H/GZO/Al 背電極/AlN/PI 柔性襯底；其制備方法是首先磁控濺射制備AlN 絕緣層和Al 背電極，然后采用ECR-PEMOCVD 依次沉積GZO 基透明導(dǎo)電薄膜、N 型nc-Si：H 薄膜、InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜、P 型nc-Si：H 薄膜、GZO 基透明導(dǎo)電薄膜，最后制備金屬Al 電極。由于本征層InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜具有可調(diào)禁帶寬度，對(duì)該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池起著巨大的作用，很大程度上提高了該結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池的效率。

柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池是指在柔性材料即聚酰亞胺（PI）或柔性不銹鋼上制作的薄膜太陽(yáng)能電池，由于其具有攜帶輕便、重量輕以及不易粉碎的優(yōu)勢(shì)，以及獨(dú)特的使用特性，從而具有廣闊的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的薄膜太陽(yáng)能電池以基于玻璃襯底的非晶硅薄膜為主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同時(shí)摻雜硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等氣體，在廉價(jià)的玻璃襯底上低溫制備而成，形成光伏PIN 單結(jié)或者多結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。

柔性襯底薄膜太陽(yáng)能電池是指在柔性材料即聚酰亞胺（PI）或柔性不銹鋼上制作的薄膜太陽(yáng)能電池，由于其具有攜帶輕便、重量輕以及不易粉碎的優(yōu)勢(shì)，以及獨(dú)特的使用特性，從而具有廣闊的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的薄膜太陽(yáng)能電池以基于玻璃襯底的非晶硅薄膜為主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同時(shí)摻雜硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等氣體，在廉價(jià)的玻璃襯底上低溫制備而成，形成光伏PIN 單結(jié)或者多結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。

目前，技術(shù)相對(duì)成熟的薄膜太陽(yáng)能電池大多都是硅基材料，其PIN 中的I 層一般都是非晶或者微晶硅（Si）薄膜。非晶或者微晶硅（Si）薄膜又稱無(wú)定型硅，就其微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，是短程有序但是長(zhǎng)程無(wú)序的不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包含大量的懸掛鍵和空位等缺陷。但是由于非晶或者微晶硅（Si）薄膜帶隙寬度在1.7eV 左右，對(duì)太陽(yáng)能輻射光譜的長(zhǎng)波很不敏感，使其光電轉(zhuǎn)化效率較低，而且還存在明顯的光致衰退效應(yīng)，使太陽(yáng)能電池的光致性能穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致薄膜太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較差。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本論文研究了一種可調(diào)帶隙量子阱結(jié)構(gòu)的柔性襯底太陽(yáng)能電池及制備方法，通過(guò)采用帶隙寬度可以調(diào)整到太陽(yáng)能電池最敏感的區(qū)域的InxGa1-xN 晶體薄膜作為柔性太陽(yáng)能電池的本征層（I 層），其量子阱結(jié)構(gòu)提高了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和光致性能的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究論文的可調(diào)帶隙量子阱結(jié)構(gòu)的柔性襯底太陽(yáng)能電池制備方法，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：將柔性襯底聚酰亞胺（PI）襯底基片先用用離子水超聲波清洗5min 后，用氮?dú)獯蹈伤腿氪趴貫R射反應(yīng)室，在9.0×10-4Pa 真空的條件下，沉積制備AlN 絕緣層。氬氣和氮?dú)庾鳛榛旌蠚怏w反應(yīng)源，其氬氣和氮?dú)饬髁勘?0：1，反應(yīng)濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為100℃沉積時(shí)間為30min。然后繼續(xù)在磁控濺射制備中繼續(xù)制備金屬Al 背電極，氬氣作為氣體反應(yīng)源，其氬氣流量為20sccm，反應(yīng)濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為50℃，沉積時(shí)間為5min。然后制備GZO 基透明導(dǎo)電薄膜；采用電子回旋共振等離子增強(qiáng)有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（ECR-PEMOCVD），向反應(yīng)室中通入氬氣（Ar）攜帶的三甲基鎵（TMGa）和二乙基鋅（DEZn）以及氧氣（O2），其流量比為1：2：80，沉積溫度為400℃，微波功率為650W，沉積氣壓為1.2Pa，沉積時(shí)間為20min。制備N 型氫化納米晶硅薄膜；其工藝參數(shù)條件是：采用電子回旋共振等離子增強(qiáng)有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（ECR-PEMOCVD），向反應(yīng)室中通入Ar 稀釋的SiH4以及H2稀釋的PH3，其流量分別為Ar稀釋的SiH4為8sccm，為H2稀釋的PH3為5sccm，H2流量40sccm，沉積溫度為350℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.8Pa，沉積時(shí)間為30min。繼續(xù)在采用ECRPEMOCVD 制備帶隙可調(diào)的InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜；其工藝參數(shù)條件是：向反應(yīng)室中通入H2稀釋的三甲基鎵（TMGa）和三甲基銦（TMIn），其TMGa 和TMIn流量比為2：1，氮?dú)猓∟2）流量為80sccm，沉積溫度為300℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.9Pa，沉積時(shí)間為400min。繼續(xù)在采用ECR-PEMOCVD 制備P 型氫化納米晶硅薄膜；向反應(yīng)室中通入Ar 稀釋的SiH4以及H2稀釋的B2H6，其流量分別為Ar 稀釋的SiH4為8sccm，為H2稀釋的B2H6 為8sccm，H2流量為25sccm，改變不同的沉積溫度為250℃，300℃，350℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.8Pa，沉積時(shí)間為30min。研究不同沉積溫度下，P型氫化納米晶硅薄膜的擇優(yōu)取向，結(jié)構(gòu)質(zhì)量。繼續(xù)在采用ECR-PEMOCVD 制備GZO 基透明導(dǎo)電薄膜；其工藝參數(shù)條件是：向反應(yīng)室中通入氬氣（Ar）攜帶的三甲基鎵（TMGa）和二乙基鋅（DEZn）以及氧氣（O2），其流量比為1：2：80，沉積溫度為400℃，微波功率為650W，沉積氣壓為1.2Pa，沉積時(shí)間為20min。最后制備金屬Al 電極，采用磁控濺射制備，其工藝參數(shù)條件是：氬氣作為氣體反應(yīng)源，其氬氣流量為20sccm，反應(yīng)濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為50℃，沉積時(shí)間為10min。

2 結(jié)果與討論

AFM 分析

圖1 為沉積溫度是300℃時(shí)沉積制備的P 型Si 薄膜的AFM 圖像。由圖可知，P 型Si 薄膜表面上的島狀團(tuán)簇非常均勻，沒(méi)有明顯的界面缺陷，呈現(xiàn)出一個(gè)光滑的表面且表面平整。此外，為了太陽(yáng)能電池對(duì)發(fā)電效率的要求，沉積溫度是300℃時(shí)沉積制備的P 型Si 薄膜的樣品進(jìn)行了其表面均方根平整度檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)其表面均方根平整度僅為3.8nm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明此時(shí)的沉積溫度是300℃時(shí)沉積制備的P 型Si 薄膜樣品的平整度在納米數(shù)量級(jí)，滿足要求。

Raman 分析

圖2 為P 型Si 薄膜的Raman 散射圖像。由圖可知，譜線在520cm-1 附近處為Si 相特征衍射峰，其他處幾乎沒(méi)有任何雜相衍射峰的存在，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明實(shí)驗(yàn)制備的Si薄膜，其質(zhì)量很好，滿足太陽(yáng)能電池發(fā)電效率對(duì)Si 質(zhì)量的要求。

圖1 P 型Si 薄膜的原子力顯微鏡圖片

圖2 P 型Si 薄膜的Raman 譜線

3 結(jié)語(yǔ)

本研究論文改變其本征層InxGa1-xN 結(jié)構(gòu)的可調(diào)帶隙量子阱結(jié)構(gòu)的柔性襯底太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中的P 型Si沉積溫度這一個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)沉積溫度的改變對(duì)其薄膜質(zhì)量的影響較大，這對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)室發(fā)展有著很大的啟發(fā)與進(jìn)展。該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池具有優(yōu)異的柔軟性，重量輕，攜帶方便，具有產(chǎn)業(yè)化潛力和市場(chǎng)空間。