异质结光伏电池TCO薄膜主要性能影响因素研究

透明导电氧化物(TCO)薄膜具有以下光电特性，主要包括禁带宽、可见光谱区光透射率高、电阻率低等，也因此在光伏电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域具有广阔的应用前景。

它是异质结电池中实现载流子的横向传输及对外进行电流运输的通道，良好的透明导电膜可以实现较高的透光率和电导率，使得制备出的HIT电池具有较小的串联电阻和较高的填充因子，从而可大幅提升HIT电池的光电转换效率。

其最早出现在20世纪初，近年来显示技术和光通信技术的高速发展极大的推动了TCO薄膜的研究进程，同时也对其光电性能提出了更多、更高的要求。

国内外多个研究机构和公司对其进行了相关的研究，有学气相沉积(LPCVD)掺硼的ZnO，由于制备的TCO表面具有一定绒度，可直接用在电池上。

研究人员通过优化LPCVD沉积工艺参数获得的ZnO:B整体性能优于FTO，在此基础上获得单结非晶硅薄膜电池稳定效率达到9.1%。

研究人员研究了不同衬底温度及不同溅射功率密度等因素对ITO薄膜性能的影响，得出了较佳的ITO溅射工艺，研究得到较低的溅射功率密度对钝化层的质量影响较小，而温度升高会引起钝化质量衰减。

研究人员在温度100℃、100%Ar的气氛中采用直流磁控溅射法制备出了光电性能优良的ITO薄膜，经过测试得到溅射功率增大，ITO薄膜方阻降低的结论。

ITO薄膜经过热处理后，其在可见光范围的透光率由60.4%增加到88.3%;ITO薄膜在360~380nm的紫光区域透光率最低，而在760~800nm的红光区域透光率达到最高。任丙彦等采用射频磁控溅射技术在不同射频功率下沉积了ITO薄膜，并将其应用于异质结太阳电池。

如何找到合适的材料，提高TCO导电薄膜的电导率，改善光学性能，提高透光率，降低制备成本并实现产业化，成为研究的热点。

本文采用不同的技术手段进行TCO导电薄膜工艺参数对薄膜性能参数的影响分析，为提升异质结电池的转换效率，开发异质结电池制备工艺及实现异质结电池的工业化应用提供技术储备。

异质结电池分析

01、结构机理分析

如图1所示，以N型硅片为衬底，在经过清洗制绒后，形成HIT所需的洁净表面和陷光结构，然后依次在正面沉积本征非晶硅薄膜(I-A-SI:H)、P型非晶硅薄膜(p-A-SI:H)，形成光生载流子分离的p-n异质结;在硅片的背面依次沉积本征非晶硅薄膜(I-A-SI:H)、n型非晶硅薄膜(n-A-SI:H)形成背表面场，减少载流子在背表面的复合;

然后在正反两面沉积一层具有导电功能的透明导电薄膜TCO层，作为载流子的传输层，最后通过丝网印刷在电池正面及反印刷金属电极，烘干退火后形成具有双面对称结构的异质结电池。

图1 异质结电池结构示意图

02、性能优势分析

1、开路电压高

异质结结构可以改变禁带宽度，改变真空能级差，增加开路电压范围。

并且由于本征层的加入，使得晶体硅表面缺陷得到有效钝化，表面少数载流子的复合也得到降低。

因而HIT电池与常规晶硅电池相比较开路电压高许多，从而可以获得更高的光电转换效率。目前HIT电池的开路电压已达750mV。

2、采用低温工艺

HIT电池全制程工艺的温度为250℃左右。

低温工艺不仅可以降低能耗，而且可以降低电池在制备过程中因温度过高产生的形变和热损伤，使得硅片可以向薄片化发展，降低原材料的使用量，降低成本。

3、温度系数低

HIT电池结合了非晶硅薄膜和晶硅电池的优异性能，温度特性更优。

常规晶硅太阳电池的温度系数为-0.45%，而HIT电池的温度系数仅为-0.25%，使得HIT电池在光照升温条件下的输出性能更好，并且由于HIT电池中非晶硅薄膜的加入，弱光性能比常规晶硅电池优越。

4、热损耗低

HIT电池中加入TCO导电膜层实现了杂质浓度和导电性的分离，在低掺杂的前提下，也可以降低载流子横向输运过程中的损耗，提升电流的收集能力。

并且TCO导电膜层的存在，使得电极金属化的技术路线的拓展空间增大。

5、光照稳定性好

HIT电池虽包含非晶硅薄膜，但是理论研究发现HIT电池并不存在非晶硅薄膜电池中的S-W效应，不会产生类似非晶硅薄膜电池因长时间光照而导致性能衰退的现象。

同时由于HIT电池使用N型硅片作为衬底，不存在P型硅片中的B-O复合对，在光照一段时间后不会产生由B-O复合对引起的光致衰减问题。

IWO薄膜性能影响因素研究

掺钨氧化铟(In2O3:W，IWO)薄膜由于具有较高的载流子迁移率、较低的载流子浓度，因而能够在近红外区域获得较大透过率的同时保持较好的导电性能，它是一种新型TCO薄膜。

影响IWO薄膜光学性能、电学性能的因素很多，本文主要研究了氧氩比(O2/Ar2)对IWO薄膜透光率、方块电阻的影响，沉积时间对IWO薄膜电导率的影响。

01、氧氩比对IWO薄膜透光率的影响

真空度抽至1.5×103PA以下，将RPD枪头氩气调至180SCCm保障正常启辉，固定枪头氩气流量Ar2=80SCCm，电子枪电流30A，沉积室气压维持在0.35PA，实验以高纯O2(纯度为99.999%)作为反应气体，高纯Ar2为辅助反应气体。

靶材为1WT%WO3掺杂的In2O3，薄膜厚度在110nm左右。实验设计O2/Ar2流量比例分别为10%、12.5%、15%。条件下测试样品的透光性。

如图2所示，随着氧氩比的增加，薄膜的平均透光率不升反降。

图2 氧氩比对IWO薄膜透光率的影响

这是因为实验采用的蒸发靶材含氧量充足，符合化学配比，通入氧气之后薄膜中的氧处于过量状态。

当氧气比例加大时，已经沉积到基底上的In2O3由于受到大量氧负离子的轰击而产生逆向反应。

同时大量氧负离子轰击产生的机械力，使已经生长到衬底的薄膜颗粒脱离衬底，薄膜结构遭到损坏，产生大量空位、错位及吸附氧原子，薄膜宏观结构变得疏松。

因此较高的氧氩比会导致IWO薄膜透光率降低。

02、氧氩比对IWO薄膜方块电阻的影响

如图3所示，随着氧氩比的增加方块电阻先上升后下降。当氩气与氧气总流量为40SCCm时，氧气比例为30%时达到最大;当总流量为60SCCm时，氧气比例为20%时达到最大。

图3 氧氩比对IWO薄膜方块电阻的影响

引入氧气比例大于10%，氧气处于过量状态，在一定时间内，方块电阻随氧气含量的增加有明显上升。

这是由两个原因造成:

1)氧氩比增加导致氩气含量相对减少，对靶材的轰击能力减弱，蒸发出的靶材离化率相对降低。而且IWO靶材本身存在微量的氧缺陷，引入氧气后有助于靶材表面氧化，沉积速率有微量降低;

2)过量的氧会进入IWO薄膜晶格中，产生缺陷作用，捕获由氧缺陷产生的自由电子。

并且氧分子作为散射中心，使自由电子的散射作用增强，电子迁移率降低，薄膜导电性能降低，方块电阻增大。大量的氧负离子还会产生机械力，造成已经生长到衬底的薄膜颗粒脱离衬底，产生大量位错和吸附氧原子。

氧气继续增加而电阻又呈下降趋势是由于沉积薄膜的过程中保持功率不变的同时气体总流量也保持不变，氧气流量虽然增加，但氧气的离化减弱，平均到每个氧离子中的能量减弱，从而参与到反应中的氧并没有随着氧气含量的增加而增加。

03、沉积时间对IWO薄膜电导率的影响

将RPD枪头氩气流量调至180SCCm，等离子源电流30A保障正常启辉，固定O2/Ar2流量比例为10%，沉积室气压维持在0.35PA。

设置沉积时间分别为20、25、30、35min，通过改变薄膜厚度40~130nm，研究其光电和结构变化。采用霍尔效应测试仪分别测量在不同沉积时间条件下生成的IWO薄膜载流子浓度和载流子迁移率:

式中:σ为电导率;n为载流子浓度;e为电子电荷;μ为载流子迁移率。

则根据式(1)可计算出电导率的大小。

如图4所示，薄膜的电导率随着沉积时间的增加而提高，溅射时间超过30min后其基本保持不变。

图4 不同沉积时间下IWO薄膜的电导率

这是由于在镀膜初期，载流子迁移率对薄膜电阻率起着较大作用，随着薄膜厚度增加，更多的钨原子以正六价的高价态离子替代晶格中的In3+，得到更多的自由载流子。

于此同时，界面的散射也严重影响载流子的迁移率。随着薄膜厚度增加，界面的散射变小，其对载流子的迁移率影响变小，载流子迁移率增大，从而导致薄膜的电阻率降低，电导率升高。

30min后，界面的散射对载流子迁移率的影响微乎其微，因此在30min后薄膜电导率基本保持不变。

本文分析了异质结电池的结构机理及性能优势，并通过实验研究了氧氩比对IWO薄膜透光率、方块电阻的影响及沉积时间对IWO薄膜电导率的影响，通过分析实验结果得到如下结论:

随着氧氩比增加，薄膜的平均透光率降低;

随着氧氩比增加，方块电阻先升后降;

随着沉积时间增加，薄膜的电导率越来越高，溅射时间超过30min后薄膜电导率基本不变。

近几年国际光伏电池行业研究势头强劲，国内许多知名企业也已着手研发异质结电池。