用于高效Si基薄膜太阳电池的ZnO透明导电薄膜研究

Transparent conductive oxides ZnO films are widely used as a front contact element in thin film silicon solar cells, which have a significant influence on conversion efficiency of the solar cells. Therefore, how to improve the optical and electrical properties of ZnO film is a common issue to the researchers. Within certain limits, the resistivity can be effectively decreased by increasing the ratio of doping element, but higher concentration will induce more absorption in the near-infrared light area and decrease the transmittance. Although, the transmittance in the long wave length region can be enhanced by decreasing the doping ratio, the electrical property will deteriorate. This project suggests a useful method for improving transmittance and light trapping ability in solar cell absorption area by introducing high valence difference Nb and V dopants. The influence of Nb and V on the optical and electrical properties of ZnO film as well as light trapping property was systematically investigated. The purpose of this project is to fabricate low resistivity, high visible-near infrared region transmittance and high long wave length region light trapping ZnO film, and to pave the foundation for further improved the conversation efficiency of thin film Si solar cells.

ZnO透明导电氧化物薄膜作为Si基薄膜太阳电池的电极材料, 已成为影响电池转换效率的一个重要的因素. 因此, 如何改善ZnO薄膜的光电性能成为研究者共同关注的问题. 在一定限度内, 通过增加掺杂元素比例, 提高载流子浓度的方式可以有效的降低薄膜的电阻率, 但是载流子浓度增加又会导致薄膜对近红外波段光的吸收增加, 透过率降低; 降低掺杂比例虽然可以明显的提高薄膜在长波区域的透过率, 但是电学特性又将恶化. 本项目拟通过采用高价态元素Nb掺杂ZnO和V掺杂ZnO的方式, 在不恶化电学特性的前提下, 实现ZnO薄膜在电池可以利用波段范围内透过率及散射能力的提升. 研究高价态元素掺杂对ZnO薄膜光电特性的影响, 并探究形貌特性对薄膜陷光能力的影响. 本项目的最终目的是制备出电阻率低、可见-近红外光区透过率高且对长波光散射能力强的ZnO薄膜, 为进一步提高Si基薄膜太阳电池的转换效率奠定基础.

ZnO透明导电氧化物薄膜作为Si基薄膜太阳电池的电极材料，已成为影响电池转化效率的一个重要的因素。因此，如何改善ZnO薄膜的光电性能成为研究者共同关注的问题。本项目采用理论模拟与实验制备相结合的方式，分别对高价态元素V、Nb、Ti、Mo单独掺杂ZnO薄膜以及与H共掺杂ZnO薄膜开展研究。结果如下：1）V掺入ZnO之后费米能级 (EF) 穿过导带，材料表现出n型半导体特性，费米能级附近的导电电子主要来源于V 4d、O 2p电子轨道，在280 ºC时制备了电阻率为3.80×10-3 cm，500-2000 nm的平均透过率约85%的VZO薄膜，引入H2共掺杂之后电阻率进一步降低（9.26×10−4 cm）；2）Ti掺入ZnO之后费米能级进入导带，TZO薄膜呈现出n型半导体特性，与H2共掺杂之后电学特性显著改善，400–1100 nm 平均透过率为83.2%，经HCl腐蚀30 s制备的HTZO薄膜的陷光能力最优，在550 nm、800 nm和1100 nm处分别达到了78.7%、47.74%和26.35%，采用二次沉积和二次腐蚀之后，光学特性明显改善，400-1100 nm平均透过率达到90.1%，550 nm，800 nm，和1100 nm Haze值分别高达96.2%，90.6%和74%；3）Mo掺入ZnO薄膜材料同样表现出n型导电性，在280 oC时MZO薄膜的电阻率为7.68×10−4 cm，腐蚀后在MZO薄膜表面出现了均匀的“弹坑”状的陷光结构，应用于μc-SiGe:H太阳电池中无论短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）还是转换效率（Eff.）均优于AZO薄膜。另外，基于复合特征尺寸绒面可以改善光散射能力的原理，借助光刻的玻璃衬底和绒面ZnO薄膜相结合的方式，实现了ZnO薄膜对入射光的宽光谱散射特性调制，作为前电极材料应用于c-Si:H中取得了良好的效果。上述研究结果为制备满足高效Si基薄膜太阳电池需求的ZnO薄膜提供了一种有效的途径。