P型微晶硅在柔性太陽電池中的應用研究

靳 果，袁 鑄，胡居濤

(1.河南工業職業技術學院機電自動化學院，河南南陽473000；2.江蘇武進漢能薄膜太陽能有限公司，江蘇常州213100)

P型微晶硅在柔性太陽電池中的應用研究

靳 果1，袁 鑄1，胡居濤2

(1.河南工業職業技術學院機電自動化學院，河南南陽473000；2.江蘇武進漢能薄膜太陽能有限公司，江蘇常州213100)

以B(CH3)3為摻雜劑，采用正交實驗法，以硅烷濃度、B(CH3)3摻雜比、反應壓強及氣體總流量等主要沉積參數為實驗組變量，對P型微晶硅薄膜進行初步優化。在玻璃襯底上沉積厚度為80 nm左右的P型微晶硅(μc-Si:H)薄膜，通過測試材料暗態電導率、XRD、Raman等，研究了上述沉積參數對材料電學和微結構性能的影響，并在此基礎上做進一步的參數優化，得到更高電導的微晶硅薄膜;將其應用于PEN襯底的非晶硅薄膜太陽電池中，得到6%的初始效率。

P型微晶硅薄膜;B(CH3)3;柔性襯底;非晶硅太陽電池

P型微晶硅(μc-Si:H)用作P-I-N結構薄膜太陽電池的窗口層，具有摻雜效率高、電導率高，光吸收系數低和激活能低等優點[1-3]，可以在一定程度上提高太陽電池效率。B2H6作為傳統的摻雜劑制備P型微晶硅材料已經暴露出一系列的問題[4]，包括：(1)B2H6氣體的化學穩定性差，容易對薄膜表面和反應腔造成污染[5-6]；(2)B2H6氣體分解后阻塞流量計；(3)B2H6含有B-B和B-H鍵，可導致材料缺陷態密度較高[7-8]；(4)B2H6氣體極易分解，難以控制[9]。

B(CH3)3(TMB)熱穩定性好，分子結構中含有CHn基團，不含B-B鍵和B-H鍵，能有效減弱對薄膜的污染和缺陷態密度。實驗發現，采用TMB作為摻雜劑，替代B2H6，制備出的P型微晶硅材料和太陽電池，其性能有所改善。

本文以TMB為摻雜劑，采用正交實驗法，對P型微晶硅材料進行暗電導、XRD、Raman測試，分析硅烷濃度、TMB摻雜率、反應壓強、氣體流量等參數對材料性能的影響。在此基礎上優化實驗參數，得到高性能的P型微晶硅材料，應用于太陽電池中，得到較高效率的柔性太陽電池。

1 實驗

本論文采用射頻等離子體增強化學氣相沉積(RF-PECVD)技術，反應氣體采用SiH4、TMB和H2，以玻璃為沉積襯底，功率密度固定為347 mW/cm2，襯底溫度固定在200℃，電極間距固定為2 cm，P型材料的厚度固定在80 nm左右。

實驗安排采用正交實驗法，表1為正交實驗因素水平表(SC指硅烷濃度、D指TMB摻雜率、P指反應壓強、F指反應氣體總流量)。

表1 正交實驗因素水平表

電導率測量采用共面Al電極法，使用KEITHLEY-6430測試暗電流。Raman測量使用的激光波長為533 nm，采用高斯三峰擬合方法計算材料的晶化率。XRD測量采用RigakuD/max-2500 X射線衍射儀。將P型材料應用于PEN襯底的柔性太陽電池上，采用光強為AM1.5(1 000 mW/cm2)的太陽模擬器測試電池J-V特性，得到電池效率。

2 結果與討論

2.1 正交實驗因素對材料微結構與電學性能的影響

圖1為按正交實驗安排所得各組材料的Raman譜圖。由圖1可以看出除8、9號材料外，其他材料都有較高的晶化。圖2顯示各材料的XRD譜，各樣品均表現出Si(111)、Si(220)、Si(311)晶向，而8號和9號樣品三衍射峰均較弱，與Raman光譜的結果一致，表明所有樣品均有一定的晶化，只是8號和9號樣品晶化較弱。表2為正交實驗結果，實驗指標為暗電導率與晶化率。

圖1 正交實驗表各樣品對應的Raman光譜

圖2 正交實驗各樣品的XRD譜

表2 正交實驗結果表

圖3、圖4、圖5、圖6顯示暗電導率和晶化率隨各因素的變化結果。可以看出，保持反應功率與溫度不變的情況下，暗電導隨硅烷濃度的增加而降低、隨B摻雜的提高而降低、隨反應壓強的增加而增加、隨氣體總流量的提高先增加再減小，晶化率與暗電導隨各因素的變化表現出相同的規律。

圖3 硅烷濃度對暗電導和晶化率的影響

圖4 B摻雜對暗電導和晶化率的影響

圖5 反應壓強對暗電導和晶化率的影響

圖6 氣體流量對暗電導和晶化率的影響

2.2 實驗結果討論

由圖3知隨硅烷濃度的增加(氫稀釋降低)，晶化率與暗電導率均單調降低，且它的變化對晶化率與電導的影響較大，原因主要是隨氫稀釋的增加(硅烷濃度降低)，提供了足夠的原子覆蓋以實現原子團的擴散幫助微晶成核，提高了材料的晶化率；在材料晶化率提高的同時，材料的有序度得到改善，且氫原子打斷弱的Si-Si鍵，缺陷態減少，使得材料的摻雜效率增加。在實驗所選擇的硅烷濃度范圍內，隨氫稀釋的增加，載流子濃度的增加速率大于霍爾遷移率的降低速率，電導率隨之增加[10]。

由圖4知隨B摻雜的增加，材料的晶化率與暗電導均降低，首先，B摻雜有抑制晶化的作用，故隨摻雜的提高，材料的晶化降低；而隨晶化的降低，材料的非晶成分增加，從而使暗電導降低。而且，根據實驗結果可以發現，摻雜對材料晶化和電導率影響相對較小，易于控制，也驗證了用TMB作摻雜劑的優越性。

由圖5知隨反應壓強的增加，材料的晶化與暗電導均有所提高，且變化不大；實驗中選擇的反應壓強不太高，隨壓強的增加，分子的平均自由程度增加，粒子對表面的轟擊降低，材料的晶化提高，但氣壓的變化對晶化的影響不大；暗電導率的變化受氣壓的影響不大。

由圖6知隨反應氣體總流量的增加，材料的晶化率與暗電導均表現出先增加再降低的特征，且對它們的影響較大。主要原因是氣體流量主要影響氣體在反應腔中的滯留時間，從而決定反應氣體的耗盡程度，最終決定了沉積材料性能的優劣；由實驗結果知中間的流量值(120×10－6)對形成優質的材料有利。

最后，由正交實驗得到的因素與指標的趨勢圖可得出最優暗電導和晶化率的反應條件組合為：硅烷濃度為6‰，B摻雜率為 5‰，反應氣壓為 220 Pa，氣體流量為 120×10－6，此條件制備出的P型微晶硅的暗電導為0.25 S/cm、晶化率64%，比正交實驗各組合都高；材料的最優電導值對應最低的激活能[11]，這樣，用在電池中對電池的串聯電阻的降低和內建電場的提高均有利。

2.3 P型微晶硅材料在太陽電池中的應用

將上述得到的P型微晶硅薄膜應用到絨面結構PEN柔性襯底非晶硅薄膜電池中。電池結構為PEN/ZnO/P-μc-Si:H/buffer(a-SiC:H)/i-a-Si:H/N-μc-Si:H/Al，P 層厚 30 nm，為減小微晶P與非晶I之間的能帶失配，P層與I層之間加入一層不摻B的a-SiC:H緩沖層，得到效率為6.05%的柔性襯底非晶硅薄膜太陽電池，如圖7所示。

圖7 電池的J-V曲線

3 結論

P型微晶硅薄膜材料在硅薄膜太陽電池中起著關鍵性的作用。本文以TMB作摻雜劑通過正交實驗法對微晶P薄膜研究結果表明：在實驗取值范圍內，暗電導、晶化率隨反應條件有相同的變化趨勢。隨硅烷濃度(SC)的增加，材料的暗電導、晶化率都有所降低；隨B摻雜濃度(D)的增加，材料暗電導、晶化率均有所降低；隨反應壓強(P)的增加，材料的暗電導、晶化率均有所增加；隨氣體總流量(F)的增加，材料的暗電導、晶化率先增加后減小。

在正交實驗所取實驗水平下，得到最高暗電導、晶化率的反應條件為硅烷濃度6‰，B摻雜率5‰，反應氣壓220 Pa，氣體流量120×10－6，并且在此條件下得到的材料暗電導為0.25 S/cm、晶化率為64%的P型材料。

最后，將上述得到的P型微晶硅薄膜應用到PEN柔性襯底非晶硅薄膜電池中，得到效率為6.05%的柔性襯底非晶硅薄膜太陽電池。

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Application of P-μc-Si:H thin film material to thin film solar cells on flexible substrate

JIN Guo1,YUAN Zhu1,HU Ju-tao2
(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang Henan 473000,China;2.Jiangsu Wujin Hanergy Thin-film Solar Energy Co.,Ltd,Changzhou Jiangsu 213100,China)

B(CH3)3was used as dopant to deposit the P-type microcrystalline(P-μc-Si:H)films.To investigate these materials,the major processing parameters of silane concentration,B(CH3)3doping ratio,reaction pressure and gas flow rate were primarily optimized by the method of orthogonal experiment.These materials were deposited on glass with the thickness of about 80 nm and the influences of above parameters on the materials'electrical and microstructure character were investigated by tested dark conductivity,XRD and Raman.The higher quality materials were further investigated on the base of former study.Finally,the beneficial effect of our electrical findings was used to fabricate a-Si:H solar cell on PEN flexible substrate with an initial efficiency of 6%.

P-μc-Si;H,B(CH3)3;flexible substrate;a-Si:H solar cell

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1025-03

2016-12-06

靳果（1985—），男，河南省人，碩士，主要研究方向為電子技術和太陽能利用研究。