CdTe 太陽電池前電極SnO2:F/SnO2復合薄膜性能分析*

曾廣根 黎兵鄭家貴 武莉莉 張靜全 雷智 李衛 馮良桓

(四川大學材料科學系，成都610064)

(2009年9月2日收到;2009年11月30日收到修改稿)

CdTe 太陽電池前電極SnO2:F/SnO2復合薄膜性能分析*

曾廣根 黎兵?鄭家貴 武莉莉 張靜全 雷智 李衛 馮良桓

(四川大學材料科學系，成都610064)

(2009年9月2日收到;2009年11月30日收到修改稿)

減薄CdS窗口層是提高CdS/CdTe太陽電池轉換效率的有效途徑之一，減薄窗口層會對器件造成不利的影響，因此在減薄了的窗口層與前電極之間引入過渡層非常必要.利用反應磁控濺射法在前電極SnO2:F薄膜襯底上制備未摻雜的SnO2薄膜形成過渡層，并將其在N2/O2=4∶1，550℃環境進行了30 min熱處理，利用原子力顯微鏡、X射線衍射儀、紫外分光光度計對復合薄膜熱處理前后的形貌、結構、光學性能進行了表征，同時分析了復合薄膜的電學特性.結果表明，未摻雜的SnO2薄膜沒有出現異相的譜線，并且(110)擇優取向，與襯底具有相同的結構，復合薄膜界面無晶格失配;退火后，復合膜更加均勻致密，表面更加規則，平整，光潔;薄膜電阻增大，滿足阻擋層的要求，具有良好的電學均勻性和大于80%的透過率.最終制備出適合用作CdS/CdTe太陽電池前電極的SnO2:F/SnO2復合薄膜.

未摻雜SnO2薄膜，透明導電薄膜，CdTe太陽電池

PACC:8160C，8160H，8610K

1. 引言

提高CdTe太陽電池效率的有效方法是改善電池的光譜響應，實現的途徑是優化太陽電池結構，減薄作為窗口層的CdS厚度［1］.但是當CdS厚度減薄后會帶來許多負面的影響［2］，因此有必要在導電薄膜與CdS之間引入一層具有高電阻透明的緩沖層.考慮到電池用的前電極材料是SnO2:F，為減少晶格失配，本文選用具有同樣化學配比的未摻雜SnO2作為緩沖層.SnO2薄膜是一種非常重要的寬禁帶氧化物半導體材料，未摻雜的SnO2禁帶寬度為3.6 eV［3—5］，由于存在晶格氧缺位，在禁帶內形成ED=－0.15 eV的施主能級，向導帶提供1015—1018cm－3濃度的電子，屬于n型半導體［6］.目前對單層SnO2薄膜的研究較多，對于沉積在透明導電薄膜上的未摻雜SnO2復合薄膜的研究未見報道［7—16］.

在諸多制備SnO2薄膜的方法中，反應磁控濺射具有成膜組分單一、靶材易于制備、所沉積薄膜表面光潔等優點，因而我們采用該方法制備SnO2薄膜［17—19］.利用薄膜材料表征手段研究了未摻雜層及復合層的形貌、結構、光學以及電學性能，最后得到適合用作CdS/CdTe太陽電池前電極的SnO2:F/ SnO2復合薄膜，為提高電池效率打好基礎.

2. 實驗

2.1. 樣品制備

所有樣品制備均采用JS500-6/D型直流磁控濺射鍍膜機，氣氛為Ar/O2=100/20.濺射靶材是純度為5 N，尺寸100mm×200mm的矩形Sn靶，樣品襯底為具有透明導電薄膜(SnO2:F)的玻璃片，襯底到靶材的距離10cm.本底真空度約3×10－3Pa，反應濺射陰極直流電壓290 V，靶電流0.45 A，濺射時間為10 min，濺射氣壓1.45 Pa.

2.2. 薄膜熱處理

為保證生成性能優良的多晶薄膜，需要將樣品進行退火處理.退火是在自行設計的退火爐中進行，退火條件為N2/O2=4∶1，550℃30 min.

2.3. 測試分析

用日本精工SPA400原子力顯微鏡(AFM)對薄膜進行分析;用丹東儀器廠生產的Y-4Q X射線衍射儀對薄膜進行X射線衍射(XRD)測試，用CuKα輻射，掃描范圍(2θ)10°—90°，掃描速度0.06°/s;用日本島津公司生產的UV-2100紫外分光光度計測量薄膜的紫外可見透過率光譜;用美國吉時利儀器公司生產的KEITHLEY2010型高精度萬用表采用共面電極法分析薄膜的電學性能.

3. 結果及分析

3.1. 形貌分析

對未摻雜的SnO2薄膜退火前后進行了AFM分析，如圖1，2所示.

圖1 剛沉積SnO2薄膜

圖2 退火后SnO2薄膜

表1列舉了樣品退火前后粗糙度比較.

由圖和表1可以看出，剛沉積的薄膜表面顆粒呈圓柱狀，顆粒較小，面粗糙度分別為7.69nm，9.65nm.退火后的薄膜，顆粒形狀接近球形，且相鄰顆粒之間有融合長大的趨勢;同樣面積的照片區域內，晶粒數減少，面粗糙度為6.91nm，8.63nm.由此可見，經過550℃30 min退火后，晶粒長大，樣品表面起伏變小，小于60nm;膜表面更加均勻致密，表面更加規則，平整.光潔的表面有利于后續CdTe多晶薄膜沉積，復合薄膜滿足太陽電池對插入層的要求.

表1 樣品退火前后面粗糙度

3.2. 結構分析

圖3給出了剛沉積的樣品和退火后樣品的XRD圖，同時給出襯底材料TCO(SnO2:F)的XRD圖譜以作對比.可以看出，剛沉積的SnO2薄膜為非晶，經550℃，N2/O2=4∶1退火30 min后，薄膜具有多晶結構，在2θ為26.2°，34.2°，52.36°的位置出現了多晶峰，分別對應SnO2四方金紅石結構的(110)，(101)，(211)衍射峰，沒有出現異相的譜線，并且(110)擇優取向.從圖中還可以看出退火后樣品各個衍射峰很尖銳，這是由于退火后晶粒有所長大，SnO2的晶化明顯，結晶性變好，晶體結構趨于完整.對比TCO與樣品的XRD圖譜發現:二者的衍射圖譜非常接近，具有幾乎完全一樣的晶格常數(SnO2:F為a=b=0.476nm，c=0.320nm;SnO2為a=b=0.475nm，c=0.320nm)，無晶格失配發生，有利于載流子輸運.

圖3 熱處理前后薄膜的XRD曲線

3.3. 光學分析

測量了TCO薄膜和經退火后未摻雜SnO2/ SnO2:F復合薄膜的紫外可見透過率光譜，如圖4所示.復合膜的透過率比單一的TCO膜有小幅度的降低，但仍高于80%的透過率，符合太陽電池前電極透過率的要求.

圖4 TCO與退火后TCO/SnO2薄膜透過譜

3.4. 電學性能分析

對于復合TCO/SnO2薄膜，其電學性能，尤其是電阻值及均勻性對于其在太陽電池中的應用非常重要.本實驗SnO2薄膜沉積在TCO上，經過退火，其電阻已有較大的變化.如果用四探針法測試將會在襯底TCO上形成電流通道，影響測試結果.本實驗采用共面電極法(圖5)對TCO/SnO2:F薄膜樣品退火前后進行電阻分析，得到樣品電阻分布曲線如圖6所示.

圖5 樣品測試電阻示意圖黑色處為金電極，間距10mm

圖6 TCO/SnO2電阻分布曲線

將TCO也按照同樣方法測試了電阻進行對比.由圖6可以看出，TCO電阻呈現很好的電導均勻性，隨距離正比例變化，對于TCO/SnO2復合薄膜退火前電阻顯示極不均勻，有較大的離散.退火后電阻隨距離變化基本為線型，數值上大于TCO電阻，可以起到阻擋層的作用，且呈現較好的電導均勻性，有利于光生電流傳輸.由此可見，TCO/SnO2薄膜滿足作為CdTe電池前電極電阻的要求.

4. 結論

在沉積未摻雜SnO2基礎上，制備出TCO/SnO2復合薄膜.發現剛沉積的SnO2薄膜顆粒細小，表面顆粒呈圓柱狀.退火后的薄膜顆粒形狀接近球形，且相鄰顆粒之間有融合長大的趨勢.退火后樣品表面粗糙度明顯小于退火前的樣品，膜表面均勻致密，表面更加規則、平整、光潔.制備的未摻雜SnO2與襯底TCO材料具有相同的晶格常數，晶格之間無失配現象出現，有利于載流子輸運.退火后SnO2:F/ SnO2復合薄膜在可見光區的透過率高于80%，作為過渡層不會對光的透過產生負面影響;電阻均勻性改善，有利于提高電池的電學性能.適合用作CdTe薄膜太陽電池前電極.

感謝四川大學材料學院朱居木所做的XRD分析和分析測試中心田云飛和孫英做的相關測試.

［1］Zeng G G，Zheng J G，Li B，Lei Z，Wu L L，Cai Y P，Li W，Zhang J Q，Cai W，Feng L H 2006 Acta Phys.Sin.55 4854(in Chinese)［曾廣根、鄭家貴、黎兵、雷智、武莉莉、蔡亞平、李衛、張靜全、蔡偉、馮良桓2006物理學報55 4854］

［2］Wu X，Keane J C，Dhere R G，DeHart C，Albin D S，Duda A，Gessert T A，Asher S，Levi D H，Sheldon P 2001 Proceedings of 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference Munich，Germany，October 22—26，2001 p995

［3］Spence W 1967 J.Appl.Phys.38 3767

［4］Philips H M，Li Y J，Bi Z Q 1996 Appl.Phys.A 63 347

［5］Shanthi S，Subramanian C，Ramasamy P 1999 Crystal Growth 197 858

［6］Jarzebski Z M，Martom J P 1976 Electrochem.Soc.123 299

［7］Tominagaa K，Takaoa T，Fukushima A 2002 Vacuum 66 505

［8］Yan Y F，Jones K M，Wu X 2003 Materials Research Society Symposium-Proceedings 763 119

［9］Alamri 2002 Jpn.J.Appl.Phys.41 1052

［10］Chung W Y，Lim J W 2003 Curr.Appl.Phys.3 413

［11］Ramirez M A，Cilense M，Bueno P R，Longo E，Varela J A 2009 J.Phys.D:Appl.Phys.42 015503

［12］Kilic C，Zunger A 2002 Phys.Rev.Lett.88 095501

［13］Veluchamy P，Tsuji M，Nishio T 2001 Solar Energy Mater. Solar Cells 67 179

［14］Dinh N N，Bernard M C，Goff A H L 2006 Comptes Rendus Chimie 9 676

［15］Li X N，Bai M，Pankow J，Asher S E，Moutinho H，Gessert T 2007 Materials ResearchSociety SymposiumProceedings San Francisco，California，USA，April 9—13，2007 p51

［16］Du J，Ji Z G 2007 Acta Phys.Sin.56 2388(in Chinese)［杜鵑、季振國2007物理學報56 2388］

［17］Zhao Z X，Zhu G Y 2008 Surf.Interfac.Anal.40 67

［18］Gorley P M，Khomyak V V 2005 Mater.Sci.Engng.B 118 160

［19］Nishimura E，Song P K，Shigesato Y，Utsumi K，Ligusa H 2005 J.Vacuum Sci.Technol.A 23 1167

PACC:8160C，8160H，8610K

*Project supported by the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2001AA513010)，the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60506004)and the Science Foundation for Young Scientist of Sichuan University，China(Grant No.2008003).

?Corresponding author.E-mail:libing70@126.com

Performance of SnO2:F/SnO2composite film as front-electrode for CdTe solar cells*

Zeng Guang-Gen Li Bing?Zheng Jia-Gui Wu Li-Li Zhang Jing-Quan Lei Zhi Li Wei Feng Liang-Huan
(Department of Materials Science，Sichuan University，Chengdu610064，China)
(Received 2 September 2009;revised manuscript received 30 November 2009)

Decreasing CdS thickness is one of the effective ways to improve the conversion efficiency of CdS/CdTe solar cells.In order to eliminate the adverse effects of the decrease in CdS thickness on the performances of the devices，it is necessary to introduce a buffer layer between CdS and front electrode layer.The un-doped SnO2thin films，as a buffer layer，were deposited on SnO2:F thin film by magnetic reactive sputtering.Then the composite film was annealed at 550℃in N2/O2=4∶1 ambience for 30 minutes.The morphology，structure and optical properties of the composite film before and after annealing were studied by AFM，XRD，UV-Vis and the electrical properties were analyzed，respectively.As a result，the crystal lattice parameters of un-doped SnO2films matched those of the substrate，so the un-doped SnO2films，which had an obvious preferred orientation along(110)plan，had the same structure as the substrate materials.This implied that there was no lattice mismatch.After annealing，the surface topography and electricity uniformity were improved，higher than 80%transparency was obtained，and resistance increased to meet the requirements of the buffer layers.Finally，continuous and homogeneous SnO2:F/SnO2composite thin films have been obtained，which were very suitable for CdS/ CdTe cells.

un-doped SnO2thin film，transparent conducting oxide，CdTe solar cells

book=630,ebook=630

*國家高技術研究與發展計劃(批準號:2001AA513010)、國家自然科學基金(批準號:60506004)和四川大學青年科學基金(批準號: 2008003)資助的課題.

?通訊聯系人.E-mail:libing70@126.com