磁控溅射技术生长氢化Ga掺杂ZnO-TCO薄膜及其太阳电池应用研究

摘要

为了进一步提高太阳光的利用效率，获得高效率的宽光谱太阳电池，这就要求作为陷光结构的ZnO-TCO前电极在宽光谱区域内具有较高的透过率，低电阻率和合适的绒面结构。本论文采用直流磁控溅射技术在超白玻璃衬底上生长高质量的H化Ga掺杂ZnO薄膜(HGZO)并应用于硅基薄膜电池，主要的研究内容如下：
　　 采用ZnO:Ga2O3陶瓷靶材，通过降低靶材中Ga掺杂浓度以降低薄膜中载流子浓度，从而提高薄膜透过率。同时，借助H在ZnO薄膜中施主作用以改善薄膜电学性能，期望在Ga、H共掺杂作用下生长宽谱域高透过率、绒面结构和合适电学性能的HGZO-TCO薄膜。系统地研究了H2流量、Ga掺杂浓度、衬底温度、溅射气压、溅射功率及薄膜厚度等沉积参数对薄膜性能的影响。获得的HGZO薄膜具有较低的电阻率～8.0×10-4Ωcm，较高的电子迁移率～30cm2/Vs；在可见光区域透过率大于85％，近红外谱域(～1100nm)，其透过率仍大于80%。通过优化工艺参数，利用磁控溅射技术直接生长出具有绒面陷光作用的弹坑状及类金字塔状表面形貌的HGZO薄膜。
　　 考虑硅基薄膜电池的沉积温度和电池实际应用环境，对HGZO及HZO薄膜的稳定性问题进行了研究。实验发现，H化ZnO薄膜经过200℃真空退火和100℃空气退火，其光电性能变化较小，具有较好的实际应用的稳定性，可以满足硅基薄膜电池的应用要求。
　　 在调节工艺参数制备出优良光电性能的基础上，针对宽谱域太阳电池的需要，采用梯度H2生长技术、缓冲层技术及溅射后腐蚀工艺对HGZO薄膜进行进一步的优化，以提高薄膜性能。采用梯度H2生长技术进一步提高了薄膜长波区域透过率，薄膜表面弹坑状形貌更加均匀且特征尺寸增大，薄膜散射透过率增大，波长为550nm处的绒度由5.7%提高至8.7%。加入10nm厚度IWO(In2O3：W，IWO)缓冲层生长获得的IWO/HGZO复合膜具有良好光电性能，方块电阻为3.6Ω，电阻率为6.2×10-4Ωcm，可见光及近红外区域透过率(400-1100nm)为82.2%，其薄膜绒度(550nm波长处)提升为18.4%。在溅射过程中引入H2可以增大腐蚀后薄膜表面粗糙度。通过后腐蚀工艺，可以使薄膜具有明显的弹坑状形貌，能够有效改善直接制备的绒面HGZO薄膜类金字塔形貌边缘尖锐的问题。
　　 研究了HGZO薄膜与非晶硅P层和微晶硅P层的界面接触特性，并将制备的绒面结构HGZO薄膜应用于硅基薄膜电池前电极。直接制备的绒面HGZO薄膜应用于非晶硅电池获得6.0%的转换效率，绒面HGZO薄膜经过腐蚀优化并应用于微晶硅电池获得6.2%的转换效率。
　　 综上，本论文利用直流磁控溅射工艺，采用低Ga掺杂浓度靶材，在Ga、H共掺杂下直接制备出了光电性能优异的绒面结构HGZO-TCO薄膜。研究了工艺参数对薄膜的影响，并初步研究了H对ZnO薄膜的作用机理；针对宽谱域电池对TCO薄膜的要求，提出了梯度H2生长技术等对薄膜进行了进一步的优化；最终将制备的HGZO薄膜应用于硅基薄膜电池，为H化ZnO薄膜的进一步研究提供实验基础。