GZO厚度對非晶硅電池中復合背電極的影響

辛艷青，孫 琿，鄭小龍，魏叢叢，呂英波，宋淑梅

(山東大學 空間科學與物理學院，山東 威海 264209)

近年來，環境污染和能源緊缺問題日益嚴重，太陽能、生物能、氫能、核能、風能、海洋能、地熱能等新能源的開發利用越來越受關注[1-3].太陽能作為一種來源豐富且對環境無污染的清潔能源，應用越來越廣泛.目前太陽能的利用方式有光熱利用、光電利用、光化學利用以及光生物利用等，其中規模化應用最成熟的主要是光熱利用和光電利用[4-6].在太陽能的光電利用中，非晶硅太陽能電池以其價格低廉、制備工藝簡單、襯底選擇靈活等特點，成為薄膜太陽能電池的重點研究方向[7-9].1976年，美國RCA實驗室的Carlson等成功研制出轉換效率為2.4%的p-i-n結構非晶硅太陽能電池[10].Villar等人利用HWCVD在溫度低于150 ℃的條件下制備出效率為4.6%的非晶硅薄膜電池[11].隨后，日本的Takeuchi進一步改進了非晶硅太陽能電池的制備工藝，推動了非晶硅電池的批量生產[12].目前，雖然非晶硅太陽能電池的光電轉換效率已有較大提高，但與單晶硅太陽能電池相比，其光電轉換效率仍然處在較低的水平[13-15].針對這一缺點，人們提出在非晶硅太陽能電池中加入背電極以提高電池對太陽光的利用效率，進而有效改善非晶硅電池的性能[16-17].

Al在地球上含量豐富、易于沉積、可加工性好、電導率和光反射率高，是最為常用的金屬背電極材料[18].然而，隨著電池使用時間的延長，Al電極中的金屬元素會逐漸向非晶硅電池中擴散，造成非晶硅太陽能電池的性質劣化，時間穩定性變差[19].針對這一問題，人們對單層Al電極進行了改進，提出通過設計由透明導電材料(TCO)和Al組成的復合背電極，阻止Al元素的擴散.由于該復合結構不會造成進入非晶硅電池的光透過損失，可以有效增加電池的穩定性，近年來被廣泛研究[20-22].

目前，在各種TCO/Al復合背電極的研究中，針對ZnO ∶Ga(GZO)/Al的研究鮮有報道.本文利用磁控濺射技術，分別制備了ZnO ∶Ga(GZO)薄膜和GZO/Al復合背電極，并通過調節GZO厚度對復合背電極的性能進行改善，研究了GZO薄膜厚度對GZO層光電性質和對GZO/Al復合背電極性能的影響.

1 實 驗

本實驗中，雙結非晶硅太陽能電池(面積為1 cm2)由中玻光電有限公司提供.其結構如圖1所示，研究對象為圖中灰色陰影部分(Back reflector).實驗中，首先將雙結非晶硅太陽能電池置于磁控濺射腔體中，將腔體背景真空度抽至8×10-5Pa.隨后，通入Ar氣，維持Ar氣通入流量為30 sccm，調節工作壓力為0.4 Pa.直徑為76 mm的GZO靶材(ZnO∶Ga2O3= 98∶2 (質量比)，純度99.95%)通過射頻(RF)磁控濺射在80 W的條件下于非晶硅電池上首先沉積一層GZO薄膜，并對GZO薄膜的光電性質進行研究.隨后，利用直流(DC)磁控濺射通過Al靶(Φ76 mm, 99.95%)在GZO層上鍍制Al層，制備GZO/Al復合背電極.

圖1 雙結非晶硅太陽能電池結構Fig.1 Structure of double junction amorphous silicon solar cell(this study works on the gray shaded part)

通過XP-1型臺階儀測量薄膜厚度，利用Rigaku X射線衍射儀對膜層結晶情況進行分析，通過RTS-8型四探針儀對薄膜電學性質進行表征，采用Cary 100紫外-可見分光光度計分析GZO薄膜與GZO/Al復合背電極的光學特性，Keithley-4200 SCS半導體特征測試儀用以表征鍍有背電極的非晶硅太陽能電池性能.

2 結果與討論

2.1 GZO厚度對GZO層結構與光電性質的影響

GZO薄膜通過射頻磁控濺射鍍制，分別制備90，100，120和160 nm的GZO薄膜，研究膜層厚度對GZO薄膜結構與光電性質的影響.圖2為不同厚度GZO薄膜的XRD衍射譜.

圖2 不同厚度GZO薄膜的XRD譜圖Fig.2 X-ray diffractograms of GZO thinfilms with different thicknesses

由圖2可以看出，GZO的結晶以ZnO為主，并表現出沿ZnO(002)晶面較為強烈的擇優取向生長.在2θ約為73°附近，可以觀察到微弱的ZnO(004)衍射峰，其他晶面的結晶峰在該圖中沒有得到體現，進一步證明了六角纖維礦結構的ZnO沿c軸取向生長.在不同厚度的樣品中，ZnO(002)峰位置相差不大，表明GZO薄膜厚度的變化對薄膜內應力的影響不大.當薄膜厚度為120 nm時，薄膜的衍射峰最強烈，對應薄膜的結晶情況最好.薄膜中的晶粒尺寸可以根據半高寬(FWHM)由謝樂公式計算得到.在本實驗中，隨著GZO薄膜厚度的變化，ZnO(002)峰的FWHM變化不明顯，薄膜晶粒尺寸維持在20～23.6 nm.

圖3為GZO薄膜電阻率隨薄膜厚度的變化.隨著薄膜厚度的增加，薄膜電阻率的變化并不明顯.在本實驗中，薄膜厚度最低為90 nm，遠高于薄膜中的晶粒尺寸.因此，在不同薄膜中，晶粒尺寸或微觀結構對電阻率的作用較為一致.特別是不同厚度的薄膜中，晶界散射對載流子遷移率造成的影響差距不大.另外，不同厚度的薄膜均是在相同條件下濺射制得的，因而薄膜中Ga的含量及存在形式十分接近，因此，載流子濃度隨薄膜厚度的增加變化不大.綜上認為，GZO薄膜的電阻率受薄膜厚度變化影響不大.

圖3 GZO薄膜電阻率隨薄膜厚度的變化Fig.3 Variation of the resistivity of GZO thinfilms with different thicknesses

GZO薄膜在可見光區的透光率隨薄膜厚度的變化見圖4,其中，插表為不同厚度薄膜在可見光區的平均透光率.

圖4 GZO薄膜透光率隨薄膜厚度的變化Fig.4 Variation of the transmittance of GZO thin films with different thicknesses

由圖4可見，不同厚度的薄膜均表現出良好的光學特性，可見光區的平均透過率超過93%.隨著薄膜厚度的增加，由于光的干涉引起的透過率曲線出現波峰和波谷的遷移.這種遷移是造成薄膜平均透過率變化的主要原因.當薄膜厚度為120 nm時，GZO薄膜表現出相對更好的透光率.結合不同厚度GZO薄膜的電學性質和光學性質，本文推測在該實驗條件下制得的GZO薄膜適用于制備GZO/Al復合背電極.

2.2 GZO/Al復合背電極對太陽能電池性能的影響

GZO/Al復合背電極通過磁控濺射工藝制備，其中Al層通過直流磁控濺射制備，濺射功率為90 W.具有GZO/Al復合背電極的非晶硅太陽能電池的IV曲線隨GZO層厚度的變化如圖5所示.

圖5 GZO/Al復合背電極中不同厚度GZO層對應的非晶硅太陽能電池的I-V曲線Fig.5 I-V curves of amorphous silicon solar cells with various GZO thicknesses in GZO/Al multilayer back reflector

非晶硅太陽能電池的開路電壓(VOC)、短路電流(ISC)以及太陽能電池的最大輸出功率(Pm=Im·Vm)和填充因子(FF =Pm/(VOC·ISC))可由IV曲線估讀或推導出[23-25].由圖5可知，具有單層鋁背電極的電池樣品性能不是特別穩定，而具有GZO/Al復合背電極電池樣品的I-V曲線均比較平滑.通過圖5中曲線在短路電流與開路電壓處的斜率可以看出，具有單層Al背電極電池的并聯電阻比具有GZO/Al復合背電極電池樣品的并聯電阻更小.另外，隨著GZO層厚度的變化，太陽能電池的性能參數也發生改變，這種變化結果總結于表1.電池中的短路電流和開路電壓在GZO層厚度為100 nm時達到最大，分別為8.66 mA和1.62 V；而填充因子則是在GZO層厚度為120 nm時達到最佳值(57.8%)，GZO厚度為100 nm時太陽能電池的填充因子稍有所降低，為54.7%.對比單層Al背電極的非晶硅太陽能電池(GZO厚度為0)，具有GZO/Al復合背電極的非晶硅電池的短路電流、開路電壓、填充因子都明顯增加.其中GZO層為100 nm時的太陽能電池比單層Al背電極電池樣品的短路電流增加了0.95 mA，約增加了12%；開路電壓增加了0.14 V，約增加了9.5%，填充因子相應地提高了10%.

非晶硅太陽能電池的光電效率作為太陽能電池的重要參數，直接反應太陽能電池的性能，其變化受到開路電壓(VOC)、短路電流(ISC)、太陽能電池的最大輸出功率(Pm)和填充因子(FF)的影響.太陽能電池光電轉換效率(η)的推導公式為

式中:Pin為入射功率.具有不同背電極的電池轉換效率見表1，可以看出，與單層Al背電極的非晶硅太陽能電池相比，具有GZO/Al復合背電極的太陽能電池轉換效率均有不同程度的提高.當GZO層厚度為100 nm時，太陽能電池的轉化效率達到最大值7.68%,與具有單層Al背電極的太陽能電池相比提高了50.6%(相對效率).

表1 復合背電極中GZO層厚度不同的非晶硅電池的性能參數Table 1 Properties of the amorphous silicon solar cell with various GZO thicknesses in GZO/Al multilayer back reflector

3 結 論

1)單層GZO薄膜的光電性質在膜厚為90～160 nm之間變化不大，電阻率約為2×10-3Ω·cm，可見光區透過率為93%～95%，適合制備GZO/Al復合背電極.

2)與具有單層Al背電極的非晶硅太陽能電池相比，具有GZO/Al復合背電極的太陽能電池的短路電流(ISC)、開路電壓(VOC)、填充因子(FF)和電池的光電轉換效率(η)具有不同程度的提高.

3)當GZO層厚度為100 nm時，具有GZO/Al復合背電極的非晶硅太陽能電池的轉換效率大幅提高50.6%(相對效率).此時，太陽能電池的短路電流(ISC)、開路電壓(VOC)和填充因子(FF)分別為8.66 mA，1.62 V和54.7%.