MOCVD-ZnO中间层对非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的影响

摘要

非晶硅/微晶硅叠层太阳电池由于可以充分的吸收利用太阳光，比非晶硅基电池有更高的稳定效率，因而成为新一代低成本硅基薄膜电池。但是，非晶硅/微晶硅叠层电池电流受非晶硅顶电池限制，若通过增加顶电池厚度的方法来增大电流，又会使电池的稳定性降低。将中间层应用于非晶硅/微晶硅叠层电池中，可以增大顶电池的光生电流，在不增加顶电池厚度的情况下实现顶、底电池电流匹配，从而提高叠层电池的稳定效率。本文将采用MOCVD法制备的ZnO应用于p-i-n/p-i-n型的非晶硅/微晶硅叠层电池中作为中间层，研究了ZnO中间层对叠层电池性能的影响。
　　 首先，研究了40～1500nm不同厚度的本征ZnO中间层对叠层电池性能的影响。研究结果表明，不同厚度的ZnO中间层的加入都能提高顶电池600～750nm波段的QE，但是对350～600nm波段QE的影响不同：ZnO厚度大于100nm时，该波段QE随厚度增大而大幅降低，并均低于不加中间层的顶电池QE;小于100nm时，加入ZnO中间层的顶电池QE均高于不加中间层的QE，而且随厚度增大QE有小幅度提高，并且对顶电池电流密度的提高都大于1mA/cm2。对于底电池的QE均随ZnO厚度增大而降低。进一步研究发现，叠层电池的Voc和FF随ZnO厚度增大而减小。其原因在于ZnO中间层厚度越大，表面粗糙度越大，表面的“V”形谷越深越明显，这导致了在ZnO中间层上生长的微晶硅底电池中出现裂缝和空洞，使材料结构变得疏松，底电池性能劣化，因此使得整个叠层电池的Voc和FF减小。而当ZnO厚度较小时，表面粗糙度小，相对更加“平坦”，对微晶硅的生长影响不大，不影响叠层电池Voc和FF。因此，考虑到中间层对叠层电池Voc和FF的影响以及对顶电池QE的提高、底电池QE不能有太大损失，ZnO中间层厚度在40～60nm为宜。
　　 其次，在上述研究基础上选取了对叠层电池性能影响相差较大的三种厚度(40nm、100nm和500nm)，研究了不同厚度下掺杂水平不同(B2H6流量为1-5sccm)的ZnO中间层对叠层电池性能的影响。结果发现，ZnO厚度不同时，不同掺杂水平ZnO中间层对顶电池在600～750nm波段的QE都有提高，但是对顶电池在350～600nm波段QE的影响是不同的：dZnO=40nm时，掺杂不产生影响；dZnO=100nm时，掺杂有害；dZnO=500nm时，掺杂有利。当ZnO厚度为100nm和500nm时，底电池QE随掺杂水平提高而降低；而ZnO厚度为40nm时，变化趋势相反。因此，在ZnO厚度较小时，应提高其掺杂水平来对底电池产生有利影响。进一步研究发现，ZnO中间层较厚时，掺杂使叠层电池的Voc减小、FF增大；较薄时，掺杂对叠层电池Voc和FF没有影响。因此，综合考虑以上情况，在实验范围内选取B2H6流量5sccm掺杂水平的ZnO中间层以提高叠层电池性能。
　　 再次，选择40nm厚度、B2H6流量为5sccm的B掺杂ZnO中间层应用于非晶硅/微晶硅叠层电池中，优化了微晶硅底电池p层的晶化率，减小了底电池i层孵化层厚度，使底电池光吸收增强。然后通过沉积背反射电极的方法，使叠层电池的电流达到匹配。在顶、底电池厚度不变的情况下，加入中间层使叠层电池顶电池电流密度Jsctop提高为11.18mA/cm2，提高了12.9％；优化后的底电池电流密度Jscbot为11.10mA/cm2。最后，在AM1.5、100mW/cm2的标准光强下测得的叠层电池效率为11.19％（Voc=1.29V，Jsc=12.57mA/cm2，FF=0.69）。