太陽能電池片上生長ZnO/Al薄膜電極的研究

張 東, 鞠振河, 王曉文, 趙 琰, 宋世巍, 李昱材,王 剛, 丁艷波, 王 晗, 王 健, 高 微

(沈陽工程學院 新能源學院, 沈陽 110136)

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太陽能電池片上生長ZnO/Al薄膜電極的研究

張 東, 鞠振河, 王曉文, 趙 琰, 宋世巍, 李昱材,王 剛, 丁艷波, 王 晗, 王 健, 高 微

(沈陽工程學院 新能源學院, 沈陽 110136)

太陽能電池片上生長ZnO/Al薄膜電極的研究屬于新型透明導電材料領域,具體涉及一種在未引入電極的太陽能電池片上制備ZnO/Al薄膜的方法。以未引入電極的太陽能電池片為基片,清洗后送入磁控濺射反應室,以純Al為靶材進行磁控濺射得到20～300 nm厚的Al薄膜,然后將基片置于氣相沉積室內(nèi)同時通入氧氣和攜帶有Zn(CH2CH3)2的氬氣,沉積得到50～600 nm厚的ZnO薄膜,最后在氧氣氣氛下,于400～600 ℃對載有ZnO和Al薄膜的基片退火處理,得到ZnO/Al薄膜。制備工藝簡單,沉積過程易于控制,透明導電薄膜的均勻性好,光電性能優(yōu)異,以此作為太陽能電池的背電極,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

太陽能電池片; ZnO/Al薄膜電極; 磁控濺射

0 引 言

隨著社會發(fā)展和科學技術(shù)的突飛猛進,人類對功能材料的需求日益增加,新型功能材料已成為新技術(shù)和新興工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。隨著太陽能、平板顯示和半導體照明等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,一種新的功能材料----透明導電材料隨之產(chǎn)生、發(fā)展起來。當光伏產(chǎn)業(yè)以連續(xù)5年近40%的速度向前發(fā)展時,提高光伏電池的效率是其最關(guān)鍵的熱點研究問題。本研究小組由太陽能電池的電極入手,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,在太陽能電池材料上沉積制備出透明導電TCO電極,使太陽光從分照射到電池表面,不受傳統(tǒng)電極的擋光影響,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

太陽能電池是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片,只要被光照到,瞬間就可輸出電壓及電流,傳統(tǒng)的太陽能電池的電極制作是通過絲網(wǎng)印刷,導電金屬粉漿穿透光柵減反層,與半導體太陽能電池片形成歐姆接觸來形成電極的, 所以沉積金屬電極是制造太陽能電池中的最后一個環(huán)節(jié),也是極為重要的一個環(huán)節(jié),因為它直接影響到太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率、生產(chǎn)成本以及生命周期。但是,盡管金屬電極的導電性能比較好,但是其存在的問題也很多,最大問題就是由于金屬電極本身不透明,有很大一部分光被反射不能吸收,在進行光電轉(zhuǎn)換時,其對光的吸收利用率很低,目前工業(yè)生產(chǎn)的太陽能電池對光的轉(zhuǎn)換效率一般在14%～19%之間,因此,開發(fā)新型透明導電材料,替代傳統(tǒng)的金屬電極,提高太陽能電池的效率成為了最關(guān)鍵的熱點研究問題。

ZnO薄膜是一種新型的寬禁帶化合物半導體材料,原料易得廉價,而且具有更高的熔點、激子束縛能以及良好的機電耦合性和較低的電子誘生缺陷[1-3]。此外,薄膜的外延生長溫度較低,有利于降低設備成本,抑制固相外擴散,提高薄膜質(zhì)量,也易于實現(xiàn)摻雜,其中用ZnO/Al復合背電極替代傳統(tǒng)的鋁電極可以使光吸收增強,從而增大短路電流,提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率,改善電池的穩(wěn)定性,目前國內(nèi)關(guān)于復合背電極材料的研究還很少,其制備方法也不成熟,如化學溶膠凝膠法[4],其存在的問題是薄膜厚度及摻雜均勻性難以控制,如分子束外延發(fā)[5-7],存在的問題是材料結(jié)晶度和摻雜粒子濃度難以控制。

本研究論文針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本研究論文提供一種在未引入電極的太陽能電池片上制備ZnO/Al薄膜的方法,目的是通過化學氣相沉積與磁控濺射相結(jié)合的方式,在未引入電極的太陽能電池片上沉積制備ZnO/Al透明導電薄膜,作為太陽能電池的透明導電TCO電極,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,使太陽光從分照射到電池表面,不受傳統(tǒng)電極的擋光影響,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

ZnO具有良好的光電性能,而Al具有低電阻率的特點,形成的ZnO/Al/太陽能電池片結(jié)構(gòu),由于Al的摻入,載流子濃度增加,薄膜的導電性能得到了很大的提高,同時可保持透光率達到85%以上[8],由于采用有機物化學氣相沉積和磁控濺射相結(jié)合的方法制備,薄膜質(zhì)量極好。

本研究論文針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統(tǒng)與磁控濺射系統(tǒng)相結(jié)合的方式在未引入背電極的太陽能電池片上沉積制備ZnO摻雜Al透明導電薄膜,以此作為太陽能電池的背電極,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,在太陽能電池材料上沉積制備出透明導電TCO電極,使太陽光從分照射到電池表面,不受傳統(tǒng)電極的擋光影響,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。本研究是通過在未引入背電極的太陽能電池片襯底上等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統(tǒng)與磁控濺射系統(tǒng)相結(jié)合的方式在未引入背電極的太陽能電池片上沉積制備ZnO摻雜Al透明導電薄膜,之后對實驗薄膜樣品在氧氣的氣氛下進行退火處理,得到ZnO/Al/未引入背電極太陽能電池片的太陽能電池結(jié)構(gòu)。

本研究論文的制備工藝簡單,沉積過程易于控制,透明導電薄膜的均勻性好,光電性能優(yōu)異,以此作為太陽能電池的背電極,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,在太陽能電池材料上沉積制備出透明的ZnO/Al薄膜作為導電TCO電極,使太陽光從分照射到電池表面,不受傳統(tǒng)電極的擋光影響,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

1 實驗步驟

本研究論文是通過等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統(tǒng)與磁控濺射系統(tǒng)相結(jié)合的方式在未引入電極的太陽能電池片上沉積制備ZnO/Al透明導電薄膜,對薄膜在氧氣的氣氛下進行退火處理,得到ZnO/Al/未引入背電極太陽能電池片的太陽能電池結(jié)構(gòu)。

本研究論文中所述的等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統(tǒng)即ECR-PEMOCVP系統(tǒng),所述的磁控濺射控制系統(tǒng)是JPGD—450磁控濺射臺。

以未引入電極的太陽能電池片為基片,依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲波清洗基片,用氮氣吹干基片,送入磁控濺射反應室;將磁控濺射反應室抽真空至9.0×10-4Pa后,將基片加熱至100 ℃,并調(diào)整氬氣流量使氣壓達到6 Pa,以純Al為靶材進行磁控濺射,控制濺射功率為100 W,濺射時間4 min,在基片上得到258 nm厚的Al薄膜;用去離子水清洗上述濺射有Al薄膜的基片,然后將基片置于氣相沉積室內(nèi)加熱到200～400 ℃,向氣相沉積室內(nèi)同時通入氧氣和攜帶有Zn(CH2CH3)2的氬氣,其中氬氣和氧氣流量之比為1∶100,控制微波功率為650 W,在有Al薄膜的基片上沉積得到500 nm厚的ZnO薄膜,然后用高純氮氣清洗氣相沉積室,取出基片;在氧氣氣氛下,于400 ℃對載有ZnO和Al薄膜的基片退火處理30 min,得到不同制備溫度下的ZnO/Al薄膜樣品。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 SEM分析

本實驗是在為引入電極的太陽能電池表面制備得到的ZnO薄膜樣品,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當制備溫度在300 ℃時,在金屬Al電極上沉積的ZnO薄膜樣品的SEM截面圖像如圖2所示。由下圖可以看出,層次分的很清晰,最下面的一層是太陽能電池基片的側(cè)面形貌圖,進而為金屬Al電極,而最上面的一層是制備的ZnO薄膜樣品。就是我們所需要的透明導電電極,其電極的作用的一方面要把太陽能的電傳導出去,一方面要透明,讓太陽能光學更多的透射過去,透射到太陽能電池片上。只有更多的光能到太陽能電池片,才能轉(zhuǎn)化更多的光,提高轉(zhuǎn)化效率。這就是我們的研究論文的創(chuàng)新性,與傳統(tǒng)的太陽能相比較,我們的技術(shù)優(yōu)勢就是采取ZnO透明導電薄膜樣品作為電極,一方面能作為電極使用,一方面讓更多太陽能進來了,這個是傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的電極所無法比擬的。由圖可以看出,沉積制備的ZnO薄膜樣品表面很均勻平整,沒有明顯的缺陷存在,呈現(xiàn)出一個光滑的表面,只有平整的表面才能具有優(yōu)異的導電性能,才能滿足導電性能的要求。實驗結(jié)果表明沉積制備的ZnO樣品薄膜表面形貌很優(yōu)異,平整度很高,滿足電極的太陽能器件對電極的要求。

圖1 沉積透明導電薄膜電極太陽能電池片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 制備溫度在300 ℃時ZnO的SEM圖像

2.2 TEM分析

圖3 制備溫度在300 ℃時ZnO薄膜與Al薄膜的SEM圖像

當制備溫度在300 ℃時,在金屬Al電極上沉積的ZnO薄膜樣品的TEM圖像如圖3所示。由下圖可以看出,其結(jié)構(gòu)明顯,層次分明,結(jié)果表明其實驗參數(shù)調(diào)試很理想。進一步分析說明通過磁控濺射系統(tǒng)與ECR-PECVD系統(tǒng)制備的Al薄膜樣品與ZnO薄膜很均勻平整,沒有太明顯的缺陷存在,呈現(xiàn)出一個光滑的表面。而且膜厚控制的很理想,都在200 nm附近。說明該溫度是薄膜樣品較好制備溫度。通過該圖實驗結(jié)果表明沉積制備的ZnO樣品薄膜表面形貌很優(yōu)異,平整度很高,滿足電極的太陽能器件對電極的要求。該結(jié)果分析與SEM分析結(jié)果相同。

2.3 透射率分析

圖4 制備溫度在300 ℃時ZnO薄膜透射光譜圖像

當制備溫度在300 ℃時,在金屬Al電極上沉積的ZnO薄膜樣品的透射圖像如圖4所示。由下圖可以看出,其透射光譜在80%以上,說明更多的光都能進入到太陽能電池片上,也說明制備的透射電極不遮擋陽光,可以提高太陽能電池的發(fā)電效率。其實驗結(jié)果表明實驗參數(shù)的選取還是較好的。進一步分析說明通過磁控濺射系統(tǒng)與ECR-PECVD系統(tǒng)制備的Al薄膜樣品與ZnO薄膜很均勻平整,沒有太明顯的缺陷存在,呈現(xiàn)出一個光滑的表面,只有這樣才能有更多的光直接進來,反射出去的較少。說明該溫度是薄膜樣品較好制備溫度。通過該圖實驗結(jié)果表明沉積制備的ZnO樣品薄膜透射率很優(yōu)異,能進入的光也很多,滿足電極的太陽能器件對電極的要求。

3 結(jié) 論

本研究論文沉積制備了一種在未引入電極的太陽能電池片上制備ZnO/Al薄膜樣品。本研究論文在氧氣氣氛下,在一定溫度的情形下對載有ZnO和Al薄膜的基片退火處理,得到ZnO/Al薄膜。本研究論文的制備工藝簡單,沉積過程易于控制,透明導電薄膜的均勻性好,光電性能優(yōu)異,以此作為太陽能電池的背電極,替代傳統(tǒng)的鋁金屬電極,進一步提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

[1]TSUKAZAKI A, OHTOMO A, ONUMA T, et al. Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO[J]. Nature Mater, 2005,4(1):42-46.

[2]NAKAHARA K, AKADAKA S, TAMURA K, et al. Nitrogen doped MgxZn1-xO/ZnO single heterostructure ultraviolet light-emitting diodes on ZnO substrates[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(1):013501.

[3]LIANG H K, YU S F, YANG H Y. Directional and controllable edge-emitting ZnO ultraviolet random laser diodes[J]. Appl Phys Lett, 2010,96(10):101116.

[4]TIAN Ye, MA Xiangyang, LU Jin, et al. Electrically pumped ultraviolet random lasing from ZnO films: Compensation between optical gain and light scattering[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(25):251115.

[5]ZHU H, SHAN C X,ZHANG J Y, et al. Low-threshold electrically pumped random lasers[J]. Adv Mater, 2010,22(16):1877-1879.

[6]WANG Z L. ZnO nanowire and nanobelt platform for nanotechnology[J]. Mater Sci Eng B, 2009,64(1):33-36.

[7]DAI J, XU C X, WU P, et al. Exciton and electron-hole plasma lasing in ZnO dodecagonal whispering-gallery-mode microcavities at room temperature[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(1):011101.

[8]VISIMBERGA G, YAKIMOV E E, REDKIN A N. Nanolasers from ZnO nanorods as natural resonance cavities[J]. Phys Status Solidi B, 2010,7(6):1668-1671.

Study on ZnO/Al electrochemical films on solar cells

ZHANGDong,JUZhenhe,WANGXiaowen,ZHAOYan,SONGShiwei,LIYucai,WANGGang,DINGYanbo,WANGHan,WANGJian,GAOWei

(New Energy Source Institute,Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136 China)

The study is concerned with new type of transparent conductive materials in the field, particularly relates to a method for preparing the introduction of electrodes on a non-film solar cells ZnO/Al films. This method is based on research papers not introduced electrode film solar cells as a substrate, magnetron sputtering after cleaning into the reaction chamber to be pure Al as a target magnetron sputtering get 20～300 nm thick Al film, and then the substrate is placed into the vapor deposition chamber while passing an oxygen carrying and Zn(CH2CH3)2, argon, is deposited to give a thickness of 50～600 nm ZnO film, and finally in an oxygen atmosphere at 400～600 ℃ for containing ZnO and Al annealing the substrate film to obtain a ZnO/Al film. Preparation of this research paper is simple, easy to control the deposition process, the transparent conductive film uniformity and excellent optical performance, as the back electrode of the solar cell, which can replace the traditional aluminum metal electrode, and further improve the conversion efficiency of solar cells.

solar cells; ZnO/Al thin film electrode; magnetron sputtering

2015-06-10。

教育部重點實驗室項目(LABKF1406)。

張 東(1985-),男,遼寧海城人,沈陽工程學院講師,博士。

1673-5862(2015)03-0329-04

TN304.55

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.03.003