直流磁控溅射制备优质ITO薄膜及其在异质结电池中的应用

摘要

薄膜硅/晶体硅异质结(HIT)电池以其制备工艺简单、低成本、高效率和高稳定性等优势迅速成为国际光伏领域的研究热点。截至目前，仍然是松下电器（原三洋）引领该电池记录，它在143.7cm2面积上制备出效率高达25.6％的HIT太阳能电池，且电池厚度仅为98μm。这几乎达到了目前晶硅电池效率的最高值。因此针对该电池的制备与研究，本论文开展了以下研究工作:
　　(1)系统研究了直流磁控溅射过程中Ar/O2流量比、溅射功率、溅射气压和衬底温度等工艺参数对ITO薄膜微结构、光电特性等的影响，主要得出以下结论:
　　1）随着氧流量的增加，薄膜沿(222)晶面择优取向生长，结晶度有所提升，透光率受散射机制影响呈先升高后缓慢降低趋势，电阻率则由于氧空位迅速减少呈先减小后显著增大趋势。
　　2）随着溅射功率的增加，薄膜从非晶态转化为结晶态，结晶度迅速升高，透光率较高且变化并不明显，电阻率因载流子迁移率增大则逐渐减小。
　　3）随着溅射压强增大，薄膜沿(400)晶面择优取向生长，结晶度先降低后基本无变化，透光率呈先迅速升高后缓慢降低趋势，电阻率先略微减小后增大。
　　4）随着衬底温度的升高，薄膜沿(222)、(400)晶面择优取向生长，薄膜结晶度上升，透光率整体呈上升趋势，电阻率先减小后增大。
　　(2)在制备该异质结电池过程中，当沉积ITO膜时，为减少对P层膜高功率离子轰击损伤，我们采用溅射功率梯度法制备优质ITO薄膜。研究了功率梯度50W不同厚度对ITO薄膜微结构和光电特性的影响;其次将该功率梯度法制备的ITO薄膜运用于异质结电池。结果表明:
　　1）随着50W条件下ITO薄膜厚度的增加，ITO膜结晶度基本保持不变，透光率先升高后降低，电阻率降低;在溅射功率梯度50W+110W，薄膜厚度10nm+195nm下制备出可见光范围内平均透光率高达88.9％，电阻率低达3.7*10-4Ωcm的优质ITO膜。
　　2）将该优质ITO薄膜运用于异质结电池，得出功率梯度法制备的ITO薄膜降低了异质结电池转化效率。
　　(3)为了提高薄膜硅/晶体硅异质结电池开路电压和转化效率，首先探究了SiH4浓度对P型硅薄膜晶化率、生长速率和暗电导率的影响;其次研究了SiH4浓度和退火对异质结电池性能的影响。
　　1）随着SiH4浓度增大，薄膜由微晶转变成非晶，晶化率下降，生长率线性增加，暗电导率迅速下降。
　　2）随着SiH4浓度增大，电池的开压、短路电流和光电转换效率都线性降低。
　　3）退火能够改善电池性能，提高电池效率。最终制备出开路电压598mV、短路电流35.2mA/cm2、效率9.6％的异质结电池。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 太阳能电池的发展及现状

1．1．1 硅基薄膜太阳能电池

1．1．2 晶体硅太阳能电池

1．2 HIT太阳能电池介绍

1．3 透明导电膜膜(TCO)介绍

1．4 论文主要内容及构架

2 实验设备与测试方法

2．1 实验设备

2．1．1 PECVD系统及原理

2．1．2 直流磁控溅射系统及原理

2．1．3 真空蒸发镀膜系统及原理

2．2 ITO薄膜测试方法

2．2．1 四探针法测电阻

2．2．2 紫外-可见-近红外分光光度计

2．2．3 X射线衍射(XRD)

2．3 薄膜硅材料测试方法

2．3．1 Keithley6517型高阻仪

2．3．2 椭圆偏振光谱

2．3．3 Raman散射谱

2．4 太阳能电池测试方法

2．4．1 暗I-V特性测量

2．5 本章小结

3 直流磁控溅射制备优质ITO薄膜

3．1 实验方法

3．2 ITO薄膜沉积参数优化

3．2．1 Ar／O2流量比对ITO薄膜性质影响

3．2．2 溅射功率对ITO薄膜性质影响

3．2．3 溅射气压对ITO薄膜性质影响

3．2．4 衬底温度对ITO薄膜性质影响

3．3 功率梯度法制备优质ITO薄膜

3．3．1 功率梯度下50W厚度对ITO薄膜性质影响

3．4 本章小结

4 ITO薄膜在异质结电池中的应用

4．1 不同功率ITO薄膜对异质结电池性能的影响

4．2 不同功率梯度ITO薄膜对异质结电池性能的影响

4．3 本章小结

5 异质结电池P型a-Si∶H薄膜沉积及退火

5．1 P型硅薄膜制备及工艺参数优化

5．1．1 实验方法

5．1．2 SiH4浓度对P型硅薄膜性质影响

5．2 异质结电池制备及工艺参数优化

5．2．1 实验方法

5．2．2 SiH4浓度对异质结电池性能影响

5．2．3 退火对异质结电池性能影响

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

个人简历与硕士期间发表论文

致谢