襯底材料表面形貌和特性對太陽電池性能影響

方曉敏， 廖東進

(衢州職業技術學院，浙江衢州324000)

隨著清潔能源產業的發展，新一代的微晶硅薄膜太陽電池因具有極低的S-W效應逐漸受到業內青睞。為了使微晶硅薄膜太陽電池達到量產，成本控制非常關鍵[1]。目前控制該類電池的成本有兩種方法，一是提高微晶硅材料的本征層厚度，促進薄膜生長；二是借助光管理技術提高微晶硅的光吸收效率[2]。本文利用等離子體化學氣相沉積技術提高了微晶硅薄膜的沉積速度，達到了本征層吸光率的最優。

1 實驗

本文所用本征層及所有膜層均在多功能輻射型薄膜沉積系統中生產，電池結構如圖1所示。為了提高可見光波長的響應，本結構中采用ZnO:B/Ag/Al作為電池背反射組織，ZnO:Al襯底作為透明的電池導電前極 (TCO)。分別以0、10、20、30、40、50 s的時間間隔對TCO進行腐蝕，腐蝕液為濃度0.8%的鹽酸溶液。將腐蝕后的TCO在電子顯微鏡下觀察，掃描范圍為 20 μm2。

本研究中所有電池本征層厚度均為1 800 nm，有效面積均為0.272 cm2。樣品電池的光電特性通過500～1 000 nm的偏壓外量子效率測定。利用太陽模擬器 (100 mW/cm2、26℃、AM2.0)測試I-V特性。

圖1 微晶硅薄膜太陽電池結構

2 結果與討論

2.1 襯底的腐蝕形貌

圖2所示為不同腐蝕時間下的襯底表面形貌表征[3]。由圖2看出，0 s未經腐蝕時，ZnO:Al襯底表面平滑，隨著腐蝕時間的增加，襯底表面開始出現坑洼。坑洼的尺寸和稀疏狀態隨著腐蝕時間的增加而增大。當腐蝕時間為50 s時，坑洼布滿襯底且尺寸較大。為了進一步分析襯底的散射特性與形貌改變的關系，實驗引入相關長度與表面粗糙度的計算關系：相關長度可表征襯底坑洼的橫向特征，表面粗糙度可表征坑洼的縱向特征，如圖3所示。由圖3看出，隨著腐蝕時間的延長，表面粗糙度和相關長度均有所增加。40 s腐蝕后，表面粗糙度和相關長度增長緩慢，這說明基本腐蝕到基底。

圖2 不同腐蝕時間下的襯底表面形貌表征

圖3 表面粗糙度、相關長度與腐蝕時間的關系

2.2 襯底的特性變化

隨著腐蝕時間的變化，襯底出現不同的形貌，從而導致襯底呈現出不同的散射結構，對入射光的光學作用也不同。通過測試上述不同腐蝕時間段襯底的直接透射譜和積分透射譜，可評估襯底形貌對入射光的散射能力。圖4所示為典型波長900 nm處Haze散射率與腐蝕時間的變化情況。由圖4可見，隨著腐蝕時間的延長，Haze散射率逐漸增大；40 s時，散射率基本達到飽和且無變化。該結果與上述的襯底腐蝕結構變化有關。

圖4 900 nm處Haze散射率與腐蝕時間的變化情況

研究表明，增強襯底表面散射率可以提高微晶硅本征層內散射光的行程，行程的增加可使本征層吸收更多的光[4]。因此，為了使本征層對散射光的吸收最大化，所有電池采用相同的工藝來研究0～50 s腐蝕時間內，最大化所對應的襯底表面形貌導致的電池光學特性的變化。圖5所示為不同腐蝕時間下各波長與外量子效率的變化曲線，可以看出，在這個波段范圍內未經過腐蝕的襯底外量子效率曲線呈現出多波峰、波谷，這是因為，未經過腐蝕的襯底表面平滑、光整，會導致干涉現象增多。隨著腐蝕時間的延長，干涉現象逐漸消失(波峰、波谷數量減少)。到40 s腐蝕時，電池響應強度達到峰值，50 s腐蝕后其長波段外量子效率迅速下降。由此推斷，實驗所用微晶硅薄膜太陽電池襯底存在最佳的腐蝕時間，以獲得最佳的光譜響應。

圖5 不同腐蝕時間下各波長與外量子效率的變化曲線

2.3 電池電學性能

從上文分析可知，調控襯底表面尺寸可以顯著增強入射光散射率，進而提高微晶硅太陽電池的性能，但調控過程中需要注意襯底表面尺寸對電池電學性能的影響。本實驗測定的不同腐蝕時間內襯底上生長的微晶硅電池參數如表1所示。由表1看出，因為襯底表面腐蝕形貌所具有的光學作用，隨著腐蝕時間的延長，電池的短路電流密度逐漸增加，當腐蝕時間40 s后開始下降，與圖5結果基本相符。反向飽和電流密度隨著腐蝕時間的延長，尚處于同一個數量級1×10－4。由于襯底誘導延伸到電池內部的裂紋會使本征層產生漏電溝道，會引起反向飽和電流密度增加，開路電壓降低[5]。處于同一數量級說明，0～50 s腐蝕時間內本征層并未產生漏電溝道。可推斷，0～50 s腐蝕時間內襯底表面形貌變化并未對微晶硅電池的電學特性造成很大影響。

表1 不同腐蝕時間下襯底微晶硅電池性能

然而，腐蝕會導致襯底自身的電學性能變化，同時對微晶硅電池串聯電阻產生一定的影響，填充因子在40 s后會顯著降低。這是因為，襯底電學性能變化會使電池性能有所損失，同時產生光學增益效果。綜合考慮，腐蝕時間為40 s時微晶硅太陽電池能獲得最佳的轉換效率。

3 結論

高效微晶硅太陽電池的設計過程中，高性能陷光結構是其關鍵。這是因為，陷光結果影響散射光在電池中的有效行程，提高襯底對光的吸收率。因此，為了進一步提高電池器件的光穩定性、降低成本，可將本征層減薄。本文通過實驗獲得了微晶硅電池獲得最佳轉換效率的襯底條件，即襯底光學特性、相關長度以及粗糙度剛好達到飽和的臨界條件，該研究可為微晶硅太陽電池的進一步優化提供參考。

[1]王亞蘭，陳淵睿.光伏電池通用模型及自適應MPPT控制方法[J].電源技術，2015(1)：75-77.

[2]曹宇，張建軍，李天微，等.微晶硅鍺太陽電池本征層縱向結構的優化[J].物理學報，2013(3)：231-237.

[3]白立沙，劉伯飛，趙慧旭，等.基于濺射后腐蝕ZnO的單結微晶硅太陽電池中的陷光研究[J].太陽能學報，2016(4)：801-806.

[4]林家輝，彭啟才.n-ZnO/i-ZnO/p-nc-Si結構薄膜太陽能電池的模擬研究[J].電子元件與材料，2012(5)：27-30.

[5]鄭君，王冬松，胡宏勛.非晶硅太陽電池作為空間能源的性能特點[J].電源技術，2003(1)：50-53.