[发明专利]一种绒面结构BZO/HGZO复合薄膜及应用

说明书

技术领域

本发明属于硅薄膜太阳电池领域，特别是一种绒面结构BZO/HGZO复合薄膜及在太阳电池中的应用。

背景技术

氢化非晶硅（a-Si:H）的光学带宽为1.7 eV左右，其吸收系数在短波方向较高，而氢化微晶硅（μc-Si:H）的光学带宽约为1.1 eV，其吸收系数在长波方向较高，并能吸收到近红外长波区域，吸收波长可扩展至1100nm，这就使太阳光谱能得到更好利用。图1给出了a-Si:H、μc-Si:H材料的吸收系数和相应的太阳光谱利用范围。此外，相比于非晶硅薄膜材料，微晶硅薄膜材料结构有序性程度高，因此，微晶硅薄膜电池具有很好的器件稳定性，无明显衰退现象。由此可见，微晶硅薄膜太阳电池可较好地利用太阳光谱的近红外光区域，而新型非晶硅/微晶硅（a-Si:H/μc-Si:H）叠层薄膜太阳电池将扩展太阳光谱应用范围，整体提高电池稳定性和效率，参见J. Meier, S. Dubail, R. Platz, etc. Solar Energy Materials and Solar Cells, 49 (1997) 35、Arvind Shah, J. Meier, E. Vallat-Sauvain, etc. Thin Solid Films, 403-404 (2002) 179。

晶粒尺寸对可比拟波长的光具有良好的散射作用。研究表明，绒面结构（textured structure）透明导电氧化物━TCO薄膜的应用可以增强光散射作用，改善陷光效果，它对提高Si基薄膜太阳电池的效率和稳定性（SW效应）起到决定性的影响，参见A. V. Shah, H. Schade, M. Vanecek, etc. Progress in Photovoltaics, 12 (2004) 113。绒面结构主要与薄膜的晶粒尺寸、晶粒形状和粗糙度等因素有关。图2形象地描述了Si薄膜太阳电池中的陷光结构，参见J. Müller, B. Rech, J. Springer, etc. Solar Energy, 77 (2004) 917。

根据Drude理论，近红外区的光学特性和材料的载流子浓度密切相关，其等离子体频率和自由载流子浓度的平方根成比例，参见V. Sittinger, F. Ruske, W. Werner, etc. Thin Solid Films 496 (2006) 16：

其中，―等离子体频率，―电子浓度，―基本电荷，―有效电子质量。若载流子浓度较高则增强了对近红外光的吸收。因此，基于μc-Si和a-Si/μc-Si叠层薄膜电池应用，希望p-i-n型电池结构中的前电极TCO具有良好的光散射特征，在可见光范围和近红外区域高透过率并维持高电导率，有效的途径是制备出绒面结构和较低载流子浓度而较高迁移率的TCO薄膜。若能结合高电导HGZO薄膜和绒面结构BZO薄膜的优点，制备新型高绒面结构BZO/HGZO复合薄膜将适应此方面的要求。

所有金属掺杂元素中，Ga和Zn半径相近，而且Ga-O键和Zn-O键的键长相近，容易实现替位掺杂，即使搞得掺杂浓度下，ZnO晶格畸变较小；并且Ga化学活性低，不容易发生氧化作用。因此，磁控溅射过程中，Ga作为掺杂剂是制备良好光电性能ZnO薄膜的较理想选择。E. Fortunato等，参见E. Fortunato, L.Raniero, L.Silva, etc. Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) 1605，利用射频磁控溅射技术研究了低温（室温条件下）Ga掺杂ZnO-TCO薄膜的微观结构及光电性能，溅射靶材为ZnO:Ga₂O₃陶瓷靶（Ga₂O₃，2.0wt.%），通过优化工艺，薄膜电阻率达~2.8×10^-4Ωcm，电子迁移率~18cm²/Vs，可见光范围薄膜透过率为80%。