薄膜太陽能光伏器件工藝制備及測試實驗教學平臺

鐘 建，顧可可，于軍勝，吳援明，黃 江

(電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054)

光伏產業(太陽能電池產業)是全球新能源產業的重要支柱性產業，我國將投入巨資打造新能源的相關產業并全面布局相關技術的研究與攻關[1-2]。光伏系統是指產生光伏效應的半導體器件[3],因此，太陽能電池又稱為光伏電池。

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，并首先應用于空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為8%。1973年世界爆發石油危機，此后，太陽能電池受到普遍關注。近10多年來，隨著世界能源短缺和環境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命、免維護以及資源可再生性等優點更加顯現[4-5]。一些發達國家制定了一系列光伏發電的優惠政策，并實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產業創造了良好的發展機遇和巨大的市場空間。太陽能電池產業進入了高速發展時期，并帶動了上游多晶硅材料業和下游太陽能電池設備業的發展[6-7]。在1999-2008年的10年中，世界光伏產業擴大了20倍，今后10年，世界光伏產業仍將以每年30%以上的增長速度發展。

1 主要實驗工藝教學設計

本實驗室的建設目標是力爭建成一個集“光伏系統材料合成與表征、器件制備、光電性能測試及系統集成”的完整的本科教學綜合實驗平臺。該實驗平臺能夠創造性地完成該專業方向所涉及的本科各階段的教學任務，爭取在新能源領域處于國內領先水平，改變實驗教學的從屬地位，使理論教學與實驗教學并駕齊驅，為高素質人才的培養打下堅實的基礎。實驗平臺是實施素質教育、創新教育、培養高科技人才的搖籃，實驗教學是學生理論聯系實際、鞏固和延伸課堂知識不可缺少的重要一環，是培養學生實踐能力和創新能力的基地[8]。

1.1 磁控濺射工藝教學設計

濺射法制備薄膜主要是利用直流 (direct current，DC)或射頻 (radio frequency，RF)電源在Ar或Ar和N2混合氣體中產生等離子體，對靶進行轟擊，通過控制工藝參數可在各種襯底上獲得大面積均勻薄膜[9]。濺射鍍膜主要有以下優點：

(1) 任何物質都可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓的元素和化合物。

(2) 利用反應濺射鍍膜法可以方便地獲得各種與靶材不同的化合物膜，如氧化物、氮化物、碳化物、硅化物等。

(3) 薄膜與襯底之間的附著性好。

(4) 濺射鍍膜法獲得的薄膜的密度高、針孔少，而且薄膜的純度較高。

(5) 膜厚可控和重復性好。由于濺射鍍膜時放電電流和靶電流可控制，通過控制濺射功率則可有效控制濺射速率，所以濺射鍍膜的膜厚可控性和多次濺射的膜厚再現性好，能夠有效地鍍制預定厚度的薄膜。此外，濺射鍍膜還可以在較大面積上獲得厚度均勻的薄膜。

現在濺射已廣泛地應用于科學研究和工業生產中。已發展的濺射技術有直流濺射、射頻濺射、磁控濺射等[10]。

1.2 磁控濺射原理

磁控濺射原理1所示。真空中，在兩電極之間加上電壓，導電靶材加負壓的一端為陰極 (cathode) ，而基片架或底座接地作為陽極 (anode) 。在兩極間充以工作氣體，氣體在電場作用下發生電離產生正離子，正離子被電場加速，快速飛向陰極，將靶材上的一些原子或原子團撞擊出來，成為氣態物質。這些原子或原子團經過傳遞到達基片，并在基片表面附著，形成固態薄膜。這種裝置結構簡單，操作方便，可獲得大面積膜厚均勻的薄膜。但是還存在著以下缺點[11]：

(1) 在濺射過程中，正離子被電場加速飛向陰極，而在陰極附近會產生負離子，在電場作用下，這些負離子會被加速飛向陽極。如果這些負離子能以較快的速度沖擊在基片表面，則有可能將沉積的薄膜中的粒子轟擊出來，即負離子反濺射作用，會損壞到基片以及已經沉積的薄膜。

(2) 直流輝光中氣體的離化率低，放電電流密度很小，因此沉積速率不高，制成的薄膜中往往還有較多的空隙。

(3) 直流濺射只能濺射導電性能良好的物質，通常僅限于使用金屬靶或電阻率在0.1 Ω·m以下的非金屬靶，制備的應用范圍受到很大的限制。

(4) 對化合物靶材和薄膜來說，正離子在轟擊陰極時，靶材中的出射粒子也具有不同的濺射產率，從而使得靶的成分和出射粒子的比例偏離理想比例，而且在不同方向上，各種元素所占比例也有差別，這也會造成薄膜成分的不均勻分布。

圖1 磁控濺射原理

本實驗制備的導電薄膜主要包括金屬薄膜和氧化物導電薄膜兩大類，采用的制備方法是直流磁控濺射法，用氬氣作為反應氣體，通過調節工藝參數并測試薄膜的光電性能，分析工藝參數對薄膜光電性能產生影響的原因。

2 器件的電學性能教學設計

在導電薄膜中，常用方塊電阻[12-13]來代替電阻率表示其導電能力。圖2是電流平行經過導電薄膜的情形，其中d為薄膜厚度，I為電流，L1為在電流方向上的膜層長度，L2為在垂直于電流方向上的膜層長度。

圖2 方塊電阻示意圖

當電流流過方形導電膜層時，該層的電阻為

式中，ρ為導電膜的電阻率。對于給定的薄膜，ρ和d可以看成是定值。當L1=L2時，即為正方形的薄膜時，無論其邊長大小如何，其電阻值均為定值ρ/d。這就是方塊(square,S)電阻RS的定義，即

式中，RS的單位為Ω，由此可以看出方塊電阻與膜層的電阻率ρ和ITO膜厚d有關。

測量電阻率的方法有很多，如二探針法、四探針法、擴散電阻法等。而四探針法是目前檢測半導體材料電阻率的一種廣泛采用的標準方法[14-15]。但四探針法只能給出薄膜樣品的方塊電阻，需測定薄膜的厚度計算出薄膜的電阻率。實驗用SX1934型數字式四探針測試儀測量方塊電阻。四探針法具有設備簡單、操作方便、精度高、對樣品的幾何形狀無嚴格要求等優點。一般的儀器均采用直線等距四探針，如圖3所示。

圖3 四探針法測量原理圖

4個探針平行，彼此距離相同，都為1mm，測量時在探針1、4間通過電流I，則在2、3探針間產生電位差V。當半導體薄層尺寸滿足于半無窮大平面條件時：

方塊電阻：

電阻率：

若對尺寸有限的半導體平面，需要對系數進行修正，在實驗系統中取修正系數為4.44。

3 器件的光學性能測量教學設計

透過率[16]定義為透過材料的光通量與入射的光通量之比，通常是指標準的“C”光源一束平行光垂直照射薄膜、片狀、板狀透明或半透明材料，透過材料的光通量T2與照射材料入射光通量T1之比的百分率：

實驗利用相對原理，測試中T1和T2都是測量的相對值。無入射光時，接受光通量為0，當無樣品時，入射光全部通過，接受光通量為100，即為T1，若放置樣品儀器接受投射的光通量為T2，因此根據T1和T2的值可計算透過率的值。實驗采用光柵光譜儀測量所制備的透明導電薄膜的光學性質。其測量原理為：測量波長范圍為400～750nm，樣品的透射譜是以溴鎢燈作光源，光源發射的光從樣品的背面入射，透射光經光柵色散元件分光，再由光電倍增管接收后，通過計算機采集數據，處理而得到透射譜。光源發出的光經聚光鏡匯聚后照在單色儀的入射狹縫上，入射的光經光柵色散后，單色光由出射狹縫射出并照在光電器件(光電倍增管)上，它所產生的光電壓經一個高精度電壓放大器放大后，再經過A/D轉換送入微機進行數據采集(自動測量)。

對一束波長為λ的平行光，先測得其入射光能流E0(λ) =AI0(λ)，其中A為光束截面，I0(λ)為入射光束光強。然后，在這光束中插入測試樣品，測得透過光能流Et(λ) =AIt(λ)和反射光能流Er(λ) = AIr(λ)，It(λ)和Ir(λ)分別為測試樣品的透射光強與反射光強。如果入射光強是穩定的，且測試樣品插入后不改變光束截面，則測試樣品的透射率T(λ)和反射率R(λ)分別為：

這個方法需要測量插入樣品前后的光能，然后利用上面2個公式進行計算。波長的改變，利用單色儀的衍射光柵角度的改變而實現。

4 結束語

通過本實驗室的實驗教學，可使學生理解基于光伏系統器件的基本結構和基本工作原理以及掌握其特性參數的測量原理與測量方法，熟悉有關的新能源薄膜器件制作工藝技術、驅動技術，學習常用半導體特性測試儀器設備的基本原理和操作、維護方法。該實驗室建設的完成，將可進行與太陽能電池相關的,包括器件制備、光電性能測試及系統集成的完整制作工藝教學，從而滿足學生校內生產實習、畢業設計、日常開放實驗學習的需要。

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