P型微晶硅在柔性太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究

靳 果，袁 鑄，胡居濤

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院，河南南陽(yáng)473000；2.江蘇武進(jìn)漢能薄膜太陽(yáng)能有限公司，江蘇常州213100)

P型微晶硅在柔性太陽(yáng)電池中的應(yīng)用研究

靳 果1，袁 鑄1，胡居濤2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院，河南南陽(yáng)473000；2.江蘇武進(jìn)漢能薄膜太陽(yáng)能有限公司，江蘇常州213100)

以B(CH3)3為摻雜劑，采用正交實(shí)驗(yàn)法，以硅烷濃度、B(CH3)3摻雜比、反應(yīng)壓強(qiáng)及氣體總流量等主要沉積參數(shù)為實(shí)驗(yàn)組變量，對(duì)P型微晶硅薄膜進(jìn)行初步優(yōu)化。在玻璃襯底上沉積厚度為80 nm左右的P型微晶硅(μc-Si:H)薄膜，通過(guò)測(cè)試材料暗態(tài)電導(dǎo)率、XRD、Raman等，研究了上述沉積參數(shù)對(duì)材料電學(xué)和微結(jié)構(gòu)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化，得到更高電導(dǎo)的微晶硅薄膜;將其應(yīng)用于PEN襯底的非晶硅薄膜太陽(yáng)電池中，得到6%的初始效率。

P型微晶硅薄膜;B(CH3)3;柔性襯底;非晶硅太陽(yáng)電池

P型微晶硅(μc-Si:H)用作P-I-N結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)電池的窗口層，具有摻雜效率高、電導(dǎo)率高，光吸收系數(shù)低和激活能低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可以在一定程度上提高太陽(yáng)電池效率。B2H6作為傳統(tǒng)的摻雜劑制備P型微晶硅材料已經(jīng)暴露出一系列的問(wèn)題[4]，包括：(1)B2H6氣體的化學(xué)穩(wěn)定性差，容易對(duì)薄膜表面和反應(yīng)腔造成污染[5-6]；(2)B2H6氣體分解后阻塞流量計(jì)；(3)B2H6含有B-B和B-H鍵，可導(dǎo)致材料缺陷態(tài)密度較高[7-8]；(4)B2H6氣體極易分解，難以控制[9]。

B(CH3)3(TMB)熱穩(wěn)定性好，分子結(jié)構(gòu)中含有CHn基團(tuán)，不含B-B鍵和B-H鍵，能有效減弱對(duì)薄膜的污染和缺陷態(tài)密度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用TMB作為摻雜劑，替代B2H6，制備出的P型微晶硅材料和太陽(yáng)電池，其性能有所改善。

本文以TMB為摻雜劑，采用正交實(shí)驗(yàn)法，對(duì)P型微晶硅材料進(jìn)行暗電導(dǎo)、XRD、Raman測(cè)試，分析硅烷濃度、TMB摻雜率、反應(yīng)壓強(qiáng)、氣體流量等參數(shù)對(duì)材料性能的影響。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到高性能的P型微晶硅材料，應(yīng)用于太陽(yáng)電池中，得到較高效率的柔性太陽(yáng)電池。

1 實(shí)驗(yàn)

本論文采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)技術(shù)，反應(yīng)氣體采用SiH4、TMB和H2，以玻璃為沉積襯底，功率密度固定為347 mW/cm2，襯底溫度固定在200℃，電極間距固定為2 cm，P型材料的厚度固定在80 nm左右。

實(shí)驗(yàn)安排采用正交實(shí)驗(yàn)法，表1為正交實(shí)驗(yàn)因素水平表(SC指硅烷濃度、D指TMB摻雜率、P指反應(yīng)壓強(qiáng)、F指反應(yīng)氣體總流量)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

電導(dǎo)率測(cè)量采用共面Al電極法，使用KEITHLEY-6430測(cè)試暗電流。Raman測(cè)量使用的激光波長(zhǎng)為533 nm，采用高斯三峰擬合方法計(jì)算材料的晶化率。XRD測(cè)量采用RigakuD/max-2500 X射線衍射儀。將P型材料應(yīng)用于PEN襯底的柔性太陽(yáng)電池上，采用光強(qiáng)為AM1.5(1 000 mW/cm2)的太陽(yáng)模擬器測(cè)試電池J-V特性，得到電池效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)因素對(duì)材料微結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能的影響

圖1為按正交實(shí)驗(yàn)安排所得各組材料的Raman譜圖。由圖1可以看出除8、9號(hào)材料外，其他材料都有較高的晶化。圖2顯示各材料的XRD譜，各樣品均表現(xiàn)出Si(111)、Si(220)、Si(311)晶向，而8號(hào)和9號(hào)樣品三衍射峰均較弱，與Raman光譜的結(jié)果一致，表明所有樣品均有一定的晶化，只是8號(hào)和9號(hào)樣品晶化較弱。表2為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為暗電導(dǎo)率與晶化率。

圖1 正交實(shí)驗(yàn)表各樣品對(duì)應(yīng)的Raman光譜

圖2 正交實(shí)驗(yàn)各樣品的XRD譜

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖3、圖4、圖5、圖6顯示暗電導(dǎo)率和晶化率隨各因素的變化結(jié)果?？梢钥闯?，保持反應(yīng)功率與溫度不變的情況下，暗電導(dǎo)隨硅烷濃度的增加而降低、隨B摻雜的提高而降低、隨反應(yīng)壓強(qiáng)的增加而增加、隨氣體總流量的提高先增加再減小，晶化率與暗電導(dǎo)隨各因素的變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖3 硅烷濃度對(duì)暗電導(dǎo)和晶化率的影響

圖4 B摻雜對(duì)暗電導(dǎo)和晶化率的影響

圖5 反應(yīng)壓強(qiáng)對(duì)暗電導(dǎo)和晶化率的影響

圖6 氣體流量對(duì)暗電導(dǎo)和晶化率的影響

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

由圖3知隨硅烷濃度的增加(氫稀釋降低)，晶化率與暗電導(dǎo)率均單調(diào)降低，且它的變化對(duì)晶化率與電導(dǎo)的影響較大，原因主要是隨氫稀釋的增加(硅烷濃度降低)，提供了足夠的原子覆蓋以實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)的擴(kuò)散幫助微晶成核，提高了材料的晶化率；在材料晶化率提高的同時(shí)，材料的有序度得到改善，且氫原子打斷弱的Si-Si鍵，缺陷態(tài)減少，使得材料的摻雜效率增加。在實(shí)驗(yàn)所選擇的硅烷濃度范圍內(nèi)，隨氫稀釋的增加，載流子濃度的增加速率大于霍爾遷移率的降低速率，電導(dǎo)率隨之增加[10]。

由圖4知隨B摻雜的增加，材料的晶化率與暗電導(dǎo)均降低，首先，B摻雜有抑制晶化的作用，故隨摻雜的提高，材料的晶化降低；而隨晶化的降低，材料的非晶成分增加，從而使暗電導(dǎo)降低。而且，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，摻雜對(duì)材料晶化和電導(dǎo)率影響相對(duì)較小，易于控制，也驗(yàn)證了用TMB作摻雜劑的優(yōu)越性。

由圖5知隨反應(yīng)壓強(qiáng)的增加，材料的晶化與暗電導(dǎo)均有所提高，且變化不大；實(shí)驗(yàn)中選擇的反應(yīng)壓強(qiáng)不太高，隨壓強(qiáng)的增加，分子的平均自由程度增加，粒子對(duì)表面的轟擊降低，材料的晶化提高，但氣壓的變化對(duì)晶化的影響不大；暗電導(dǎo)率的變化受氣壓的影響不大。

由圖6知隨反應(yīng)氣體總流量的增加，材料的晶化率與暗電導(dǎo)均表現(xiàn)出先增加再降低的特征，且對(duì)它們的影響較大。主要原因是氣體流量主要影響氣體在反應(yīng)腔中的滯留時(shí)間，從而決定反應(yīng)氣體的耗盡程度，最終決定了沉積材料性能的優(yōu)劣；由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知中間的流量值(120×10－6)對(duì)形成優(yōu)質(zhì)的材料有利。

最后，由正交實(shí)驗(yàn)得到的因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖可得出最優(yōu)暗電導(dǎo)和晶化率的反應(yīng)條件組合為：硅烷濃度為6‰，B摻雜率為 5‰，反應(yīng)氣壓為 220 Pa，氣體流量為 120×10－6，此條件制備出的P型微晶硅的暗電導(dǎo)為0.25 S/cm、晶化率64%，比正交實(shí)驗(yàn)各組合都高；材料的最優(yōu)電導(dǎo)值對(duì)應(yīng)最低的激活能[11]，這樣，用在電池中對(duì)電池的串聯(lián)電阻的降低和內(nèi)建電場(chǎng)的提高均有利。

2.3 P型微晶硅材料在太陽(yáng)電池中的應(yīng)用

將上述得到的P型微晶硅薄膜應(yīng)用到絨面結(jié)構(gòu)PEN柔性襯底非晶硅薄膜電池中。電池結(jié)構(gòu)為PEN/ZnO/P-μc-Si:H/buffer(a-SiC:H)/i-a-Si:H/N-μc-Si:H/Al，P 層厚 30 nm，為減小微晶P與非晶I之間的能帶失配，P層與I層之間加入一層不摻B的a-SiC:H緩沖層，得到效率為6.05%的柔性襯底非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，如圖7所示。

圖7 電池的J-V曲線

3 結(jié)論

P型微晶硅薄膜材料在硅薄膜太陽(yáng)電池中起著關(guān)鍵性的作用。本文以TMB作摻雜劑通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)微晶P薄膜研究結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)取值范圍內(nèi)，暗電導(dǎo)、晶化率隨反應(yīng)條件有相同的變化趨勢(shì)。隨硅烷濃度(SC)的增加，材料的暗電導(dǎo)、晶化率都有所降低；隨B摻雜濃度(D)的增加，材料暗電導(dǎo)、晶化率均有所降低；隨反應(yīng)壓強(qiáng)(P)的增加，材料的暗電導(dǎo)、晶化率均有所增加；隨氣體總流量(F)的增加，材料的暗電導(dǎo)、晶化率先增加后減小。

在正交實(shí)驗(yàn)所取實(shí)驗(yàn)水平下，得到最高暗電導(dǎo)、晶化率的反應(yīng)條件為硅烷濃度6‰，B摻雜率5‰，反應(yīng)氣壓220 Pa，氣體流量120×10－6，并且在此條件下得到的材料暗電導(dǎo)為0.25 S/cm、晶化率為64%的P型材料。

最后，將上述得到的P型微晶硅薄膜應(yīng)用到PEN柔性襯底非晶硅薄膜電池中，得到效率為6.05%的柔性襯底非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。

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Application of P-μc-Si:H thin film material to thin film solar cells on flexible substrate

JIN Guo1,YUAN Zhu1,HU Ju-tao2
(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang Henan 473000,China;2.Jiangsu Wujin Hanergy Thin-film Solar Energy Co.,Ltd,Changzhou Jiangsu 213100,China)

B(CH3)3was used as dopant to deposit the P-type microcrystalline(P-μc-Si:H)films.To investigate these materials,the major processing parameters of silane concentration,B(CH3)3doping ratio,reaction pressure and gas flow rate were primarily optimized by the method of orthogonal experiment.These materials were deposited on glass with the thickness of about 80 nm and the influences of above parameters on the materials'electrical and microstructure character were investigated by tested dark conductivity,XRD and Raman.The higher quality materials were further investigated on the base of former study.Finally,the beneficial effect of our electrical findings was used to fabricate a-Si:H solar cell on PEN flexible substrate with an initial efficiency of 6%.

P-μc-Si;H,B(CH3)3;flexible substrate;a-Si:H solar cell

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1025-03

2016-12-06

靳果（1985—），男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)和太陽(yáng)能利用研究。