硅异质结太阳能电池用透明导...物薄膜的研究现状及发展趋势_夏鹏.pdf

，.，.基金项目：企业合作项目 ：.硅异质结太阳能电池用透明导电氧化物薄膜的研究现状及发展趋势夏 鹏，傅 萍，黄金华，李 佳，宋伟杰 宁波大学材料科学与化学工程学院，浙江 宁波 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 硅异质结（）太阳能电池是目前光伏产业中的重要组成部分，其由于具有高开路电压（）等优点而引起了广泛的关注。在硅异质结太阳能电池中，透明导电氧化物（）薄膜层的光学性能和电学性能分别影响着电池的短路电流（）、填充因子（），进而影响电池的转换效率。近年来，电池中 层的研究主要集中于掺杂的 和 体系。本文从硅异质结太阳能电池的不同结构出发，概述了 薄膜的光电性能（透过率、禁带宽度、方块电阻、载流子浓度、迁移率和功函数）以及与相邻层的接触对电池性能的影响，介绍了不同体系的透明导电氧化物薄膜在硅异质结太阳能电池中的应用及研究现状，并展望其未来的发展趋势。关键词 硅异质结太阳能电池 背发射极结构 透明导电氧化物薄膜 迁移率中图分类号：文献标识码：，（），（）（）（）（），引言透明导电氧化物（）薄膜是一种导电且在一定波段透明的光电材料，优异的导电性和高透过率使其能够应用在硅异质结（）太阳能电池中。随着光伏产业的日益发展，太阳能电池的装机量和产量逐年增加，预计 年光伏产业会有超过 的市场需求，而 层的光电性能及成本对 电池未来的发展具有重要的影响。针对现有市场和未来发展需求，改进现有 薄膜的性能以及开发新型高性能无铟 薄膜材料成为当下的热门话题和研究热点。本文概述了传统 电池的基本结构，重点介绍了 层光电性能对 电池器件的影响以及 电池所用的各类 薄膜的研究现状，讨论了 可用的透明导电氧化物薄膜的发展趋势以及未来展望。电池结构概述硅异质结（）太阳能电池是通过在晶体硅（）正反表面先沉积本征的氢化非晶体硅（：（）层和掺杂的氢化非晶体硅（：（）层，然后沉积 层和金属电极而形成的。：（）层的类型决定了能与其接触到的载流子种类（电子 空穴），从而决定了电流的方向，而直接沉积到 表面的：（）层能够减少表面悬挂键，降低界面载流子复合，起到表面钝化效果。目前硅基太阳能电池市场主要由钝化发射极背面接触电池（）主导，而 太阳能电池相比于 电池而言具有诸多方面的优势。首先，其转换效率高、生产步骤简单且表现出更高的开路电压（），值高达 （：层起到良好的表面钝化效果）。太阳能电池实现了单结电池 的转换效率的世界纪录，并在大规模生产中实现了超过 的效率。电池的另一个优势是有着较低的温度系数，这意味着在高温条件下运行的 电池的功率损耗低于其他硅基太阳能电池。其次，由于低温制造工艺和对称结构，其可以避免应力所引起的弯曲和开裂，意味着可以使用更薄的硅片，从而达到节省材料成本的目的。同时，层的存在提高了 电池横向传输载流子的能力，这使得金属栅电极间距更大，从而使得 电池有着高的双面性（）。因此，在电池正常运行条件下，电池的实际输出功率高于 电池，这也就意味着 的工业化前景将会更好。电池的对称结构以及其中 型晶体硅（）具有非常高的载流子寿命的特点使得研究人员可以自由选择哪一接触面（）作为电池的正面。图 为传统正发射极（）和背发射极（）单面硅异质结太阳电池的示意图。在传统的正发射极硅异质结（）太阳能电池中，少数光生载流子空穴被横向运输至电池顶端的金属栅电极上，电池顶端的 ：（）与：（）是水平的两个 结，这意味着顶端 层与 层是串联在一起的。在（：（）结中，空穴在内建电场作用下离开 层，且顶端的 层：（）层形成的 结的势垒也将阻止空穴的反向扩散。因此，载流子（空穴）向金属栅电极的横向运输主要发生在顶端的 层上。而在背发射极硅异质结（）太阳能电池结构中顶端 层与 层通过高低结（）水平耦合，使得 层与 吸收层并联，这意味着 层也会向金属栅电极横向运输载流子（电子），也就意味着金属栅电极的载流子（电子）的收集变得更加容易。由于 的辅助电子运输，在不显著增加 电池串联电阻的情况下电池顶端的金属栅电极间距可以更宽。同时，根据理论研究，由于 层本身可以承担其大部分电子运输的作用，电池顶端的 的导电性要求比 电池小，这也就意味着 电池顶端 层的方块电阻可以更高。光生电子在 上有着高的横向导电性也使得电池的电流能够更高效地引出，这也使得传统的 电池相比于 电池而言会获得更高的填充因子（）。由于上述诸多优势，本文中所讨论的 电池采用双面背发射极的结构（金属栅电极 ：（）：（）（）：（）：（）金属栅电极）。图 正发射极和背发射极 电池的结构示意图，箭头表示电子 空穴载流子的传输路径 ，太阳能电池的性能取决于掺杂非晶体硅（：（）层的载流子收集、本征非晶体硅（：（）层的钝化质量以及透明导电氧化物（）层的光电性能。尤其是在 方面，在优化载流子传输的同时必须考虑其光学特性。然而，层的电学和光学性质是紧密相连的。例如，高载流子浓度导致较高的横向电导率和较低的接触电阻率，但同时会降低透明度。因此，必须平衡 层的光学和电学性能。近年来，面对 电池未来太瓦级光伏产业的发展需求，也对其中的 层提出了优化光电性能和降本的要求。层对电池性能的影响非晶体硅（：）横向导电性较差，难以直接与金属栅电极形成良好的接触，故引进 层来充当载流子横向运输层，使载流子运输至金属栅电极，对 电池而言，其对 的电导率的依赖性很强。这使得用于 电池中的 层需要较低的电阻率，且 层作为最外层入光层也需要具有较高的光学透过率。这也意味着 层的电学参数（如载流子迁移率、载流子浓度和功函数）以及光学参数（如折射率和厚度）将直接影响着 太阳电池的性能。此外，良好的 层还会起到一定的减反射效果，从而达到提升整体电池效率的作用。层光学性能对电池性能的影响晶体硅（）能够吸收直到 的近红外光，因此，当 薄膜用作 电池载流子传输层时，不仅要求其在可见光区，也需要在近红外区有着较高的光学透过率。目前，层的吸收损失主要来自于自由载流子所引起的红外寄生吸收。当 层载流子浓度过大时，自由载流子的近红外寄生吸收峰向短波移动，使得薄膜近红外区透过率降低，从而导致 电池的 降低。故对应用于 电池中的 层，应限制其载流子浓度，拓宽光学透过窗口，从而提高 电池的光谱响应和短路电流密度。薄膜的禁带宽度（）也会影响 电池的光学窗口，层 越大，在短波处的吸收越小，从而增大 电池光吸收窗口；反之，层 小会导致 电池光透过窗口变小，使得其 降低。因此，运用于 电池中的 层应具有更大的 值。层电学性能对电池性能的影响双面 电池的结构决定了顶 底端 层都需要承担额外的横向载流子运输，意味着 层自身的方块电阻（）需尽可能低，而 结构中晶体硅自身的横向运输电子的优势也使得顶端 层自身的 对 电池串联电阻（）的影响相对较小。在 电池中，的大小影响着电池填充因子（），越小，电池 才会越高。因此，从提高 电池 的角度来看，层应具备更低的方块电阻。由图 可知，层方块电阻越低，对 电池产生的 越小，但对于不同的 电池结构，层方块电阻对电池总 的影响也会有所不同。电池结构中由于晶体硅辅助电子运输，对顶端 层的方块电阻容忍度相较于 电池更高，且高方块电阻通常具有更高的透过率，这也为高方块电阻 应用于双面 电池顶端提供了可能性。目前将 应用为顶端 的 太阳能电池的转换效率已经超过。在 电池中，：（）（）之间的功函数失配也会导致：（）（）的界面接触变差，从而对整体电池的填充因子 以及转换效率起到负面的影响。这是由于 层与（）层之间的功函数不匹配且在界面处形成隧道结，再加上（）层较低的掺杂效率 和薄的厚度，以及两层接触势必会形成势垒区而造成：层的损 耗，上述多种因素导致其在电池中的载流子运输能力材料导报，（）：图 （）模拟背发射极（绿线）和正发射极（橙线）电池的串联电阻 对顶端 方块电阻 的依赖关系，光生载流子寿命分别为（虚线）和 （实线）；（）（）：（）：（）（）能带结构示意图，型：和 型 之间所需的隧道传输由箭头表示（电子版为彩图）（）（）（）（）（）；（）（）：（）：（）（），：降低。（）：（）：（）层在热平衡条件下的能带结构如图 所示，其中（）：（）层能带界面势垒类型为肖特基势垒，其空穴运输需通过界面处形成的隧道结，而势垒区的存在对载流子的收集和电池的 有负面的影响。若 层与：（）层的功函数失配，会导致能带不连续，严重阻碍带间隧道效应的空穴运输，从而导致高接触电阻。因此，在：（）层中，功函数的差异决定了界面接触 的 好 坏。故 此 层 与：（）层的功函数也需匹配，从而达到优化能带、降低势垒的效果。一般来说，掺杂：层的功函数比 层高，故与：（）层接触的底端 层应保持较高的功函数，从而达到降低 层的功函数对其界面接触和 电池转换效率的负面影响。同理，与：（）层接触的顶端 层应保持较低的功函数来降低势垒，从而优化能带结构和界面接触性能。层与相邻层接触对电池性能的影响若 ：（）层中产生了高的接触电阻（），这会导致 电池产生显著的电阻损耗，从而降低电池填充因子。近期 等分析了一种高效双面 电池的串联电阻（），从分析中可以得知：（）接触占据了电池总串联电阻（）的 左右，其次是：（）接触占据了电池总串联电阻的 左右。：（）处的接触电阻是整体 电池串联电阻（）的主要组成部分。电阻损耗是 电池中：结和 ：（）结的运输势垒引起的。如果其势垒高度足够低，跨越 ：（）层势垒仅靠热激发就可以，而跨越 ：（）层势垒的运输通过直接隧穿或陷阱辅助隧穿来完成。通过改变 层掺杂种类和掺杂量可以改变其费米能级的位置，以改善 ：（）结的势垒高度，从而使得载流子运输更加高效。因此，选择更佳的 层以及优化 层与：（）层的接触对降低电池串联电阻、提高电池填充因子从而提高电池转换效率起着极为关键的作用。电池对前、后 电极层的要求 层的光电性能及其与各层的接触都极大地影响着 太阳能电池的短路电流和填充因子，进而决定着 太阳能电池转换效率上限的高低。因此，并非所有类型的 都可以应用于 太阳能电池中。能够适用于 电池的 层应满足以下几点要求：（）导电性能好，能够起到载流子的收集及向金属电极传递的作用。（）功函数匹配，能够对：（）和：（）的能带弯曲进行优化，降低势垒对载流子运输的影响。（）与金属栅电极：（）层的接触电阻低，从而减少载流子运输过程中的损耗。（）透过率高（），减少在近红外区的寄生吸收，并能起到一定的减反射效果。（）对：（）层的损伤少，使用柔和的沉积条件并能阻止金属杂质扩散至：（）层。（）稳定性高，不会因空气 水汽而退化。（）沉积温度低于 ，避免高温使得：（）的氢渗漏从而导致其钝化性能降低。（）能够共形覆盖在具有绒面的电池表面上。对 电池而言，顶端 层与底端 层的光电性能要求并非完全相同。就光学性能而论：对 电池的顶端 而言，因为 层较高的自由载流子吸收导致 电池的短路电流较低，所以为了使 电池能够得到一个较宽的光透过窗口，顶端 薄膜应在可见光到近红外范围内具有较高的光透过率。同时，因为顶端 层为入光的第一层，所以也要求其有一定的减反射的功能，能够保证更多的光透过 层且被 层吸收（对磁控溅射沉积的 体系和 体系薄膜而言，其折射率较为接近，故应用于 电池中的 在厚度为 左右时具有较好的减反射效果）。而对底端 层而言，其光学性能要求更倾向于有足够的反射率。这是因为高反射率底端 层能够将更多的吸收层未完全吸收的光再次反射回吸收层，使吸收层多次吸收光，这同时也能减少底部 层 栅极界面处的等离子吸收，使其能够达到提升 电池效率的作用。就电学性能而论：晶体硅（）的辅助电子运输使得 电池对顶端 层的方块电阻要求更低，这也为高方块电阻 运用于 电池顶端提供了可能性。而底端 与：（）吸收层更近且没有 的辅助运输，这使得其必硅异质结太阳能电池用透明导电氧化物薄膜的研究现状及发展趋势 夏 鹏等 须具备优异的横向导电性才能使载流子能够更快地运输至金属栅电极上。表 列出了不同材料 的方块电阻范围及迁移率，为了实现较低的寄生吸收（）值、良好的导电性和与相邻层形成良好的接触，薄膜的载流子浓度的考虑范围为且厚度控制在 左右以实现减反射的性能。其中电学性能