可調帶隙量子阱的柔性太陽能電池研究

張 東, 王存旭, 王曉文, 王 健, 趙 琰, 宋世巍, 李昱材, 王 剛,杜世鵬, 司紅代, 許 鑒, 王寶石, 丁艷波, 王 晗, 郭 瑞,劉莉瑩, 王帥杰, 高 微, 柯韻杰, 謝 芳

(沈陽工程學院 新能源學院, 沈陽 110136)

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材料科學

可調帶隙量子阱的柔性太陽能電池研究

張 東, 王存旭, 王曉文, 王 健, 趙 琰, 宋世巍, 李昱材, 王 剛,杜世鵬, 司紅代, 許 鑒, 王寶石, 丁艷波, 王 晗, 郭 瑞,劉莉瑩, 王帥杰, 高 微, 柯韻杰, 謝 芳

(沈陽工程學院 新能源學院, 沈陽 110136)

采用新型材料作為本征層很大層度上解決了薄膜材料光衰減的問題,有效保證了薄膜太陽能電池的發電效率。采用可調帶隙以及具有量子阱結構InxGa1-xN晶體薄膜作為Ⅰ層,可以有效提高薄膜太陽能電池轉換效率,再采用GZO透明薄膜既作為緩沖層又作為透明導電電極,增加了薄膜太陽能電池的透光率,同時提高了透明電極的耐腐蝕性能,使得薄膜太陽能電池的光電轉換效率得到了很大的提高。采用AlN作為絕緣層,其晶格失配率相差很小,可以制備出質量均勻的Al背電極。該柔性電池具有優異的柔軟性,重量輕,攜帶方便,具有潛在的市場空間,而且制備工藝簡單,可實現規模生產。

可調帶隙量子阱; 薄膜太陽能電池; 柔性基片

0 引 言

傳統的太陽能電池都是鋁金屬作為邊框,鋼化玻璃作為表面透光層以及保護層。雖然傳統的太陽能電池已經普遍使用,而且其性能穩定,但是由于重量較大,不易攜帶,只能作為傳統的發電方式,在大規模電站上使用。近幾年,聚酰亞胺和柔性不銹鋼的沉積制備的薄膜太陽能電池,以獨特的優勢成為了研究熱點。由于其攜帶方便,輕便和不易損壞等諸多優勢,具有廣闊的商業價值,成為很多行業必備的旅行產品。

柔性薄膜太陽能電池是現在相對成熟的硅材料產品,另外還有一些化合物半導體材料作為柔性薄膜太陽能的產品,但是大多還是以硅材料為主體進行科學研究[1-5]。薄膜太陽能電池的硅材料以非晶和微晶硅(Si)材料薄膜為主,但是非晶和微晶硅(Si)材料由于其自身禁帶寬度的問題,對太陽光的波長敏感度不太強烈,不能極大的吸收太陽光,降低了光電轉化效率。該材料還存在很大的光致衰退效應,使得該材料的薄膜太陽能電池很不穩定。諸多性能上的劣勢,使得該材料的薄膜太陽能電池很難存在商業化競爭力。

在以上技術出現難點時,研究論文采用帶隙可調的InxGa1-xN量子阱本征晶體薄膜作為Ⅰ層,由于其材料自身的禁帶寬度可以調節,所以能夠盡可能多的吸收太陽能光,另外,InxGa1-xN制備材料是晶體結構,沒有明顯的光致衰退效應。這不但提高了太陽能電池的光電轉化效率,而且提高了太陽能電池的光致性能的穩定性,增大了市場競爭力。采用GZO作為緩沖層,極大的減少了制備薄膜之間的晶格適配率。其次,傳統的透明導電薄膜電極采用ITO薄膜材料,本研究論文采用GZO為該結構的透明導電電極,取代了傳統的導電電極,不但提高了太陽光的透光率,而且增強了該材料的腐蝕性能。該結構的電池光電轉換效率得到了很大的提高[6]。采用AlN作為絕緣層,其晶格失配率相差很小,可以制備出質量均勻的Al背電極。該柔性電池具有優異的柔軟性,重量輕,攜帶方便,具有潛在的市場空間,而且制備工藝簡單,可實現規模生產。

本研究論文提供了一種具有產業化潛力的柔性襯底的薄膜太陽能電池及其制備技術。本發明涉及一種“Al電極/GZO透明導電薄膜/Si:P型/InGaN:Ⅰ本征層/Si:N型/GZO透明導電薄膜/Al背電極/AlN絕緣層/聚酰亞胺(PI)結構的柔性襯底”的太陽能電池的模型,且在Al背電極和N型Si基薄膜之間加入鎵(Ga)摻雜氧化鋅(ZnO)的透明導電薄膜即GZO。本實驗的反應基片是聚酰亞胺,簡稱為PI柔性材料。該材料作為柔性反應基片具有質量輕,不易損壞,方便攜帶等優點。在制備過程中,改變了Ⅰ層材料和結構,引入具有帶隙可調的InxGa1-xN量子阱本征晶體薄膜作為Ⅰ層,InxGa1-xN材料具有穩定好,耐腐蝕且具有隧穿勢壘以及低的光損系數,提高了電池的轉化效率[7-8]。其次,采用了GZO透明薄膜作為透明導電電極,增加了薄膜太陽能電池的透光率。同時提高了透明電極的耐腐蝕性能,使得薄膜太陽能電池的光電轉換效率得到了很大的提高。采用AlN作為絕緣層,其晶格失配率相差很小,可以制備出質量均勻的Al背電極。

1 實驗步驟

本實驗以電子回旋共振等離子體增強金屬有機物化學氣相制備系統與磁控濺射系統相結合的方式在柔性襯底上制備帶隙可調的InxGa1-xN薄膜太陽能電池材料。論文中所述的實驗反應設備即是ECR-PEMOCVP系統,所述的磁控濺射控制系統是JPGD—450磁控濺射系統。

本研究實驗的步驟是以PI作為柔性襯底,為了制備出質量優異的薄膜樣品,對PI柔性襯底超聲波清洗10 min,采用洗耳球對PI基片吹干后,放入磁控濺射系統制備AlN薄膜樣品。其AlN薄膜樣品起著絕緣層的作用。把設備真空度抽到9.0×10-4Pa下,其反應源氬氣和氮氣流量比10∶1,基片加熱到100 ℃,采用磁控濺射的方式,在制備時間為30 min條件下制備AlN樣品薄膜。第1道工序結束后,在不換設備的情形下,在AlN絕緣層表面制備Al電極。此時靶材還是Al,基片還是100 ℃,其制備時間改為10 min,反應制備Al電極之后,就需要制備Ga摻雜的ZnO基透明導電薄膜。把反應基片從磁控濺射取出,放入實驗條件已經調試完畢的ECR-PEMOCVD系統,三甲基鎵與二乙基鋅的流量比為1∶2,基片溫度加熱到200 ℃后調節微波功率到650 W,然后通入氧氣,在20 min的條件下反應制備該透明導電薄膜GZO。在該設備下繼續制備N型的硅薄膜材料,由于其特性是N型摻雜,所以其反應源中加入了H2稀釋的PH3。H2稀釋PH3與Ar稀釋的SiH4同時通入混合反應室,其流量為H2稀釋PH3是5sccm,與Ar稀釋的SiH4是8sccm。另外一個反應源是H2流量為20 sccm。在加熱溫度350 ℃,微波功率不變的條件下,制備30 min,沉積出N型的硅薄膜。最關鍵的步驟就是在ECR-PEMOCVD中沉積InxGa1-xN本征晶體薄膜。采用H2攜帶的混合反應源三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn),其中2種反應源的配比濃度為2∶1,另外一路反應源為流量為80 sccm的氮氣,加熱到200 ℃,微波功率不改變的情形下,反應1 h,制備高質量的InxGa1-xN本征晶體薄膜。在該設備下繼續制備P型的硅薄膜材料,由于其特性是P型摻雜,所以反應源中加入了H2稀釋的B2H6。H2稀釋B2H6與Ar稀釋的SiH4同時通入混合反應室,其流量為H2稀釋PH3是6 sccm;與Ar稀釋的SiH4是8 sccm。另外一個反應源是H2流量為25 sccm。在加熱溫度250 ℃、300 ℃和350 ℃這3種不同的加熱腔體條件下,制備80 min,沉積出P型的硅薄膜,此時微波功率仍為650 W。在該設備條件下繼續制備Ga摻雜的ZnO基透明導電薄膜。把反應基片從磁控濺射取出,放入實驗條件已經調試完畢的ECR-PEMOCVD系統,三甲基鎵與二乙基鋅的流量比為1∶2,基片溫度加熱到400 ℃后調節微波功率到650 W,然后通入氧氣,在20 min的條件下反應制備該透明導電薄膜GZO。最后一步是制備Al電極,需要把上述制備結束的薄膜樣品由ECR-PEMOCVD系統拿出,放入磁控濺射系統來完成最后一步實驗。此時靶材是純度為99.99%金屬Al,基片溫度為150 ℃,其制備時間改為10 min,制備得到Al電極。實驗結束后待設備溫度慢慢降下來,得到高質量的薄膜樣品。

研究論文采用 RENISHAW in Via Raman Microscope光譜儀測試沉積薄膜樣品的Raman光譜,激光光源為632.8 nm的Ne-He激光器,激光功率為35 mW,分辨率為2 μm。XPS采用的是美國Thermo VG公司生產的型號為ESCALAB250的多功能表面分析系統。X射線源為Al靶Kα(1 486.6 eV)線。本實驗所采用的原子力顯微鏡(AFM)產于Agilent公司。薄膜的測試范圍為2 μm×2 μm。Picoscan 2 500是該設備的型號。

2 實驗結果與分析

2.1 InxGa1-xN薄膜的AFM分析

圖1 柔性薄膜太陽能電池的制備結構圖

本實驗制備新型量子阱PI柔性基片的薄膜太陽能電池的結構圖如圖1所示。圖2為本發明柔性薄膜太陽能電池的制備流程圖。采用原子力顯微鏡(AFM)對本征層可調帶隙InxGa1-xN薄膜的形貌進行了測試分析,此時制備溫度在200 ℃。圖3為可調帶隙InxGa1-xN薄膜樣品的AFM圖像。由下圖可以看出,沉積制備的可調帶隙InxGa1-xN薄膜樣品,晶界清晰可見,晶粒達到納米級別,且晶粒分布均勻,表明該條件下的樣品薄膜形貌較好,而且該薄膜的帶隙全面覆蓋了可見光的區域范圍,不會出現大量的反射光,更多的太陽能進入該本征層薄膜,幾乎沒有光可以反射折射出該可調帶隙薄膜。理論上一定會進一步的提高該薄膜太陽能電池的轉化效率,而且該薄膜樣品沒有明顯缺陷出現,說明薄膜質量較優異,為硼摻雜P型氫化nc-Si薄膜打下了良好的基礎。為了表征其平整度特性,對薄膜樣品進行了進一步測試,測試分析表明,其薄膜樣品表面平整度在納米級別,結果說明薄膜樣品具有較好的形貌,較高的平整度。

圖2 柔性薄膜太陽能電池的制備流程圖

圖3 InxGa1-xN量子阱本征晶體薄膜的原子力顯微鏡圖

2.2 硼摻雜P型Si薄膜的AFM分析

圖4 硼摻雜Si薄膜的原子力顯微鏡圖

采用原子力顯微鏡(AFM)對硼摻雜P型Si薄膜的形貌進行了測試分析,此時制備溫度在300 ℃。圖4為硼摻雜P型氫化nc-Si薄膜樣品的AFM圖像。由下圖可以看出,沉積制備的硼摻雜P型氫化nc-Si薄膜樣品,晶界清晰可見,晶粒達到納米級別,且晶粒分布均勻,沒有明顯缺陷出現,說明薄膜質量較優異,為透明導電極GZO薄膜的制備打下了良好的基礎。為了表征其平整度特性,對薄膜樣品進行了進一步測試。測試分析表明,其薄膜樣品表面平整度在納米級別,結果說明薄膜樣品具有較好的形貌,較高的平整度。表明硼摻雜P型氫化nc-Si薄膜樣品質量較優異。

2.3 硼摻雜P型Si薄膜XPS分析

圖5 硼摻雜Si薄膜XPS全譜

實驗結束后采用XPS分析設備對B摻雜P型Si薄膜的成分進行了測試分析,其結果如圖5所示。由圖5可以看出該制備條件下的B摻雜P型Si薄膜結晶質量較優異,其Si2p鍵和Si2s鍵擇優明顯,只有少量的N1s鍵和O1s鍵出現。說明采用等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統在較低的300 ℃時制備的薄膜樣品,由于溫度低,其雜質含量明顯較低了很多,表明在傳統高溫的制備方法下,引入了大量的雜質缺陷,但是在較低的制備溫度下,反應源硅烷沒有充分得到反應,遺留了一些殘余的雜質。實驗結果表明,該條件下制備的B摻雜P型Si薄膜質量較好,結晶性能較優異,可以為下一步制備透明導電極GZO薄膜,制備高效率的薄膜太陽能電池打下了良好的基礎。

2.4 硼摻雜P型Si薄膜Raman分析

圖6 硼摻雜Si薄膜的Raman譜線

為了更進一步分析其反應制備的B摻雜P型Si薄膜的材料性能,研究對該薄膜樣品進行了Raman圖譜分析。測試結果如圖6,由該圖可以看出該制備條件下的B摻雜P型Si薄膜結晶質量較好。只有擇優的Si峰出現,沒有明顯的雜質峰出現。結果表明采用低溫等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統在較低的溫度下制備的薄膜樣品,雜質缺陷較少,Si材料擇優取向明顯。實驗結果表明,該條件下制備的B摻雜P型Si薄膜質量較好,結晶性能較優異。其實驗結果與XPS分析結果相同。

3 結 論

本研究論文采用可調帶隙以及具有量子阱結構InxGa1-xN晶體薄膜作為Ⅰ層,該薄膜帶隙可以覆蓋可見光的全部區域,使更多的可見光全部吸收來轉化為太陽能發電,可以有效提高薄膜太陽能電池轉換效率,又采用GZO透明薄膜作為緩沖層和透明導電電極,增加了薄膜太陽能電池的透光率,同時提高了透明電極的耐腐蝕性能,使得薄膜太陽能電池的光電轉換效率得到了很大的提高。采用AlN作為絕緣層,其晶格失配率相差很小,可以制備出質量均勻的Al背電極。該柔性電池具有優異的柔軟性,重量輕,攜帶方便,具有潛在的市場空間,而且制備工藝簡單,可實現規模生產。

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Study of flexible substrate thin film solar cell with the adjustable band gap intrinsic layer and quantum well structure

ZHANGDong,WANGCunxu,WANGXiaowen,WANGJian,ZHAOYan,SONGShiwei,LIYucai,WANGGang,DUShipeng,SIHongdai,XUJian,WANGBaoshi,DINGYanbo,WANGHan,GUORui,LIULiying,WANGShuaijie,GAOWei,KEYunjie,XIEfang

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

The study were using the new material as the intrinsic layer, this method is the excellent solution to the problem of thin film material of the light attenuation, which ensure the power generation efficiency of thin film solar cells. The next process is that we use the ECR-PEMOCVD system to deposit the variable bandgap intrinsic layer InxGa1-xN quantum well crystal thin film under the condition of hydrogen atmosphere to carry trimethyl gallium (TMGa), trimethyl indium (TMIn) and nitrogen in the ECR-PEMOCVD system. The study uses an adjustable band gap and the quantum well structure InxGa1-xN as the intrinsic layer, which can improve the conversion efficiency of thin-film solar cells. The GZO transparent film was used as both the buffer layer and the transparent conductive electrode, which can not only increase the transmittance of the thin film solar cell, but also improve the corrosion resistance of the transparent electrodes, so that the photoelectric conversion efficiency of thin film solar cells has been greatly improved. In this study, we used AlN as the insulating layer, the lattice mismatch ratio is small between the AlN and Al, the Al back electrode are uniform with the high quality under this condition. The flexible battery is of excellent flexibility, light weight, easy to carry, which can possess the potential market space. And the simple preparation process to enable mass production.

variable bandgap quantum well; thin film solar cells; flexible substrate

2015-12-02。

教育部重點實驗室項目(LABKF1406); 遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015377,L2014516)。

張 東(1985-),男,遼寧海城人,沈陽工程學院講師,博士。

1673-5862(2016)01-0001-05

TN304.55

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.001