Al/H共掺杂ZnO基透明导电窗口层的制备及其在陷光结构铜铟镓硒薄膜光伏电池中的应用

CIGS光伏电池使用的AZO透明导电窗口层，具有较高的自由载流子吸收，降低电池近红外长波段光学利用率。本课题利用H在ZnO中作为浅能级施主杂质的特性，研究其在ZnO的掺杂特性，以及掺杂对ZnO薄膜性质的影响。H的掺杂可以提供电子作为自由载流子，并且通过与ZnO晶界间隙中的O-结合，降低晶界间隙高电势势垒，提高载流子迁移率。同时调节Al的掺杂浓度，牺牲部分载流子浓度，减少杂质对电子的散射几率，进一步增加载流子迁移率。通过上述两种机制带来迁移率的提高，补偿载流子浓度的降低带来的电学性质损失，结合理论与实验，寻找薄膜电光学性质最优条件，从而获得导电性能和常规AZO薄膜接近，近红外波段光学性质极大提高的新型的ZnO基透明导电薄膜。独创地将其应用于陷光结构的CIGS光伏电池上，通过增加光程增加了CIGS层的光吸收，同时避免光程地增加带来严重的窗口层吸收损耗，使得陷光结构真正地发挥提高电池性能的作用。

本项目开展Al/H共掺杂ZnO基(HAZO)透明导电薄膜制备工艺及其在陷光结构铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池中的应用研究。首先，基于Ray-trace理论计算得到了CIGS薄膜太阳能电池中各功能薄膜对入射光吸收随入射光波长以及膜层表面形貌变化关系，优化电池陷光结构。其次，利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性，开展了H掺杂对ZnO:Al透明导电薄膜特性影响的实验工作。通过降低ZnO:Al中Al的含量，并同时引入H掺杂，解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾问题。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率，这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度，另一方面与ZnO晶界中的O-结合降低了晶界势垒，提高了载流子迁移率。利用H掺杂, 可以在Al掺杂量降低10倍的情况下，仍然能获得低电阻率(ρ=6.3x10-4 Ω∙cm)的透明导电薄膜，同时其近红外波段(λ=1200 nm)透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜，可以被广泛应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。最后，将Al/H共掺杂ZnO基透明导电窗口层成功应用于CIGS薄膜太阳能电池中，大幅提高电池器件在近红外波段的光利用效率。与AZO窗口层电池器件相比，HAZO窗口层电池器件短路电流密度Jsc由31.49 mA/cm2增加到34.45 mA/cm2，光电转换效率μ由12.80 %提高到14.43 %。通过稀盐酸刻蚀HAZO窗口层表面，形成绒面陷光结构，进一步提高了电池的光吸收，Jsc提高到35.89 mA/cm2，转换效率μ提高到14.9%。