摘要：本文研究了納米織構(gòu)化金屬背接觸對(duì)非晶硅薄膜太陽(yáng)電池光俘獲和等離子體損失的影響。利用金屬背接觸的織構(gòu)化和太陽(yáng)電池與金屬背接觸間內(nèi)插層的介電常數(shù)確定了背接觸的光損失。研究表明：當(dāng)背接觸表現(xiàn)出納米特征時(shí)，光損失最大，而前接觸由于光傳播路徑穿過疊層，其織構(gòu)化對(duì)光損失僅有微小的影響。

 

　　前言

 

　　薄膜太陽(yáng)電池中的光俘獲或是光子管理，要同時(shí)考慮降低光的反射損失和增大吸收層內(nèi)入射光的光程長(zhǎng)度[1,2]。如果對(duì)前接觸和背接觸進(jìn)行織構(gòu)化，能使光俘獲最大化。粗糙的背接觸能散射和衍射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光[3,4]，還能增加金屬-電介質(zhì)界面的光吸收[5-9]。通過引入折射率低于非晶硅的織構(gòu)化的電介質(zhì)層，可以降低背接觸的等離子體吸收。鋁摻雜氧化鋅（ZnO：Al）被廣泛用作金屬背接觸和硅p-i-n二極管（結(jié)構(gòu)）間的內(nèi)插層[10,11]。在電介質(zhì)內(nèi)插層中，側(cè)向維度接近入射光有效波長(zhǎng)的表面織構(gòu)化能夠耦合入射光和等離子體模[13]。圖1（e）-1（h）為有/無(wú)ZnO內(nèi)插層的薄膜太陽(yáng)電池示意圖。由于內(nèi)插層是采用濺射制備，所以通過p-i-n二極管n型層的粗糙度和形貌來(lái)確定表面織構(gòu)化程度。利用鹽酸（HCl）對(duì)ZnO內(nèi)插層的濕法化學(xué)刻蝕可以對(duì)背接觸粗糙度進(jìn)行調(diào)控。在本文中，主要考量了ZnO內(nèi)插層形貌對(duì)太陽(yáng)電池的量子效率和短路電流的影響。

 

 

　　在1.43平方米（m2）的玻璃襯底上，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）制備了非晶硅p-i-n太陽(yáng)電池。由于非晶硅材料極高的缺陷密度和較低的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度[12]，太陽(yáng)電池非常薄，總厚度僅為320納米（nm）。玻璃襯底由一層隨機(jī)織構(gòu)化的二氧化錫層（SnO2）覆蓋。更加詳細(xì)的非晶硅層光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)在參考文獻(xiàn)12中有所介紹。ZnO內(nèi)插層和銀（Ag）背接觸采用直流（DC）磁控濺射制備。ZnO內(nèi)插層厚度為400nm。有/無(wú)ZnO內(nèi)插層的太陽(yáng)電池橫截面如圖1（e）-1（h）所示。

 

 

　　將ZnO內(nèi)插層放置于3%的HCl溶液內(nèi)進(jìn)行不同時(shí)間的濕法化學(xué)刻蝕，刻蝕工藝會(huì)改變ZnO內(nèi)插層的形貌。圖1（a）-1（d）顯示了經(jīng)不同刻蝕時(shí)間的ZnO內(nèi)插層的原子力顯微鏡（AFM）的掃描結(jié)果，掃描面積為5um x 5um。四個(gè)AFM掃描結(jié)果的高度標(biāo)尺是相同的。

 

　　未經(jīng)刻蝕的ZnO內(nèi)插層的表面粗糙度（均方根粗糙度）被確定為38.6nm。而經(jīng)2s、5s、和10s的HCl刻蝕的樣品，其粗糙度分別為66.7nm，126.7nm和44.5nm。表一總結(jié)了不同刻蝕時(shí)間的ZnO內(nèi)插層的表面性質(zhì)。隨著刻蝕時(shí)間的增加，可以看到表面特征的形狀和維度隨之變化。而且，ZnO內(nèi)插層的厚度也隨之減小。刻蝕時(shí)間超過10s時(shí)，ZnO內(nèi)插層完全從太陽(yáng)電池移除。

 

　　圖1 沉積在隨機(jī)織構(gòu)化二氧化錫襯底上的，厚度為320nm的非晶硅太陽(yáng)電池的背接觸AFM掃描圖像（5 x 5 um2）。顯示了：（a）原生沉積，（b）經(jīng)2s刻蝕，（c）經(jīng)5s刻蝕，（d）經(jīng)10s刻蝕的ZnO內(nèi)插層AFM掃描圖像。圖（e）-（h）示意了圖（a）-（d）中不同背接觸圖案的太陽(yáng)電池。

 

　　表一 非晶硅太陽(yáng)電池背接觸的表面參數(shù)

 

均方根粗糙度（nm） 平均周期（nm） 平均高度（nm） 納米特征

前接觸                        39.6             251             55.5           - 背接觸（n型層）               37.3             276             51.0          ++ 背接觸+400nmZnO              38.6             315             46.0          ++ 背接觸+400nmZnO+2sHCl刻蝕    66.7             241             93.7         ++++ 背接觸+400nmZnO+5sHCl刻蝕   126.7             260            193.0         +++ 背接觸+400nmZnO+10sHCl刻蝕   44.5             275             50.5          ++

 

　　經(jīng)不同刻蝕時(shí)間的ZnO內(nèi)插層非晶硅太陽(yáng)電池的實(shí)測(cè)量子效率和總吸收率如圖2所示。

 

　　ZnO內(nèi)插層的刻蝕能獲得較高的總吸收率，而無(wú)論刻蝕時(shí)間長(zhǎng)短，620nm以上波長(zhǎng)的量子效率都較低。因?yàn)樗膫€(gè)非晶硅太陽(yáng)電池的疊層順序是相同，總吸收率的增大和量子效率的減小只能歸因于銀背接觸的光損失增加[13]。ZnO內(nèi)插層的刻蝕時(shí)間為2s時(shí)，觀察到的背接觸的光損失最大。表二總結(jié)了經(jīng)不同刻蝕時(shí)間的ZnO內(nèi)插層非晶硅太陽(yáng)電池的參數(shù)。

 

 

　　圖2 有/無(wú)ZnO內(nèi)插層和ZnO內(nèi)插層經(jīng)不同刻蝕時(shí)間的太陽(yáng)電池的吸收譜和量子效率

 

　　表二 不同內(nèi)插層圖案的非晶硅太陽(yáng)電池電學(xué)參數(shù)

 

　　注：Voc--開路電壓（單位：毫伏）； Jsc--短路電流密度（單位：毫安/平方厘米）； FF--填充因子（百分比）  Eff--光電轉(zhuǎn)換效率（百分比）；Rs--電池串聯(lián)電阻（單位：歐姆*平方厘米）；Rsh--電池并聯(lián)電阻（單位：歐姆*平方厘米）。

 

　　ZnO內(nèi)插層刻蝕時(shí)間為2s的電池較未經(jīng)刻蝕的電池，其短路電流減少了1.9毫安/平方厘米（mA/cm2）。繼續(xù)增加刻蝕時(shí)間，短路電流逐漸增大，并接近無(wú)ZnO內(nèi)插層的電池的短路電流值。然而，經(jīng)刻蝕的ZnO內(nèi)插層非晶硅太陽(yáng)電池，其短路電流還是低于未經(jīng)刻蝕的電池。此外，相關(guān)電池的串聯(lián)、并聯(lián)電阻信息也在表二中列出。串聯(lián)電阻的最高值和并聯(lián)電阻的最低值在背接觸形貌最粗糙時(shí)獲得，這也導(dǎo)致填充因子的下降。然而，短路電流最高（未經(jīng)刻蝕）和最低（經(jīng)2s刻蝕）的電池表現(xiàn)出幾乎相同的串并聯(lián)電阻，所以由電接觸導(dǎo)致的電學(xué)損失可以排除，短路電流的下降并非來(lái)源于電接觸的差異，而是背接觸引起的光損失增加導(dǎo)致的。對(duì)四個(gè)樣品進(jìn)行表面特征分析表明：四個(gè)樣品的表面織構(gòu)化平均周期仍然相差無(wú)幾，但薄膜的均方根粗糙度和平均粗糙度顯著增大。這似乎能得出結(jié)論：光吸收隨表面粗糙度的增大而增加。因此，我們預(yù)測(cè)經(jīng)5s刻蝕的背接觸，其光吸收最高。但是，最高的光吸收卻在經(jīng)2s刻蝕的背接觸的樣品中觀察到。對(duì)此，我們進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，結(jié)論是：刻蝕薄膜的形成對(duì)背接觸光吸收有很大影響，經(jīng)2s刻蝕的薄膜表面，其特點(diǎn)是在較大尺度（150-350nm）的結(jié)構(gòu)上還形成了納米尺度（30-70nm）特征的結(jié)構(gòu)。我們對(duì)不同刻蝕時(shí)間的襯底進(jìn)行功率譜密度（PSD）計(jì)算（如圖3），并把PSD相對(duì)于均方根粗糙度的平方做歸一化處理，最終結(jié)果也印證了這一結(jié)論。

 

 

　　圖3 ZnO內(nèi)插層未經(jīng)過/經(jīng)過濕法刻蝕后，背接觸實(shí)測(cè)并經(jīng)歸一化處理的功率譜密度

 

　　經(jīng)2s刻蝕的樣品表現(xiàn)出最高密度的納米尺度特征。太陽(yáng)電池中，光波傳播的光學(xué)模擬則表明：特征維度在20-50nm的納米織構(gòu)化金屬背接觸展現(xiàn)出強(qiáng)吸收[14]。為了能夠全面的描述背接觸的光損失行為，必須考慮金屬/電介質(zhì)界面的形貌，包括納米粗糙度等[15,16]。維度在30-70nm的微小表面特征會(huì)導(dǎo)致光在背反射過程中的吸收增加。這類納米尺度特征會(huì)在材料的生長(zhǎng)過程和/或刻蝕工藝中引入。以濕法化學(xué)刻蝕背接觸為例，我們可以清晰的看到：經(jīng)2s的刻蝕，背接觸表現(xiàn)出最高密度的納米尺度特征。因此，對(duì)背接觸納米粗糙度進(jìn)行優(yōu)化，使等離子體吸收所導(dǎo)致的光損失最小化，是至關(guān)重要的。

 

　　結(jié)論

 

　　本文研究了背接觸形貌對(duì)非晶硅太陽(yáng)電池光俘獲和等離子體吸收的影響。通過背接觸材料及其形貌確定了太陽(yáng)電池背接觸的光學(xué)性質(zhì)。對(duì)濺射ZnO薄膜進(jìn)行濕法化學(xué)刻蝕會(huì)導(dǎo)致其均方根粗糙度的顯著增加和納米尺度特征的形成。額外的光吸收損失主要發(fā)生在具有納米尺度特征的背接觸中，而且實(shí)測(cè)量子效率和短路電流也會(huì)下降。背接觸的光損失和其形貌的功率譜密度函數(shù)相關(guān)。

    （作者：U. Palanchoke， V. Jovanov， H. Kurz，R. Dewan， P. Magnus，H. Stiebig， D. Knipp  編譯/missyou4ever）

 

　　參考文獻(xiàn)：

 

　　1 A. V. Shah, H. Schade, M. Vanecek, J. Meier, E. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz, and J. Bailat, Prog. Photovoltaics 12（23）， 113-142 （2004）等