直流磁控溅射制备优质ITO薄膜及其在异质结电池中的应用

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薄膜硅/晶体硅异质结(HIT)电池以其制备工艺简单、低成本、高效率和高稳定性等优势迅速成为国际光伏领域的研究热点。截至目前,仍然是松下电器(原三洋)引领该电池记录,它在143.7cm2面积上制备出效率高达25.6%的HIT太阳能电池,且电池厚度仅为98μm。这几乎达到了目前晶硅电池效率的最高值。因此针对该电池的制备与研究,本论文开展了以下研究工作:(1)系统研究了直流磁控溅射过程中Ar/O2流量比、溅射功率、溅射气压和衬底温度等工艺参数对ITO薄膜微结构、光电特性等的影响,主要得出以下结论:1)随着氧流量的增加,薄膜沿(222)晶面择优取向生长,结晶度有所提升,透光率受散射机制影响呈先升高后缓慢降低趋势,电阻率则由于氧空位迅速减少呈先减小后显著增大趋势。2)随着溅射功率的增加,薄膜从非晶态转化为结晶态,结晶度迅速升高,透光率较高且变化并不明显,电阻率因载流子迁移率增大则逐渐减小。3)随着溅射压强增大,薄膜沿(400)晶面择优取向生长,结晶度先降低后基本无变化,透光率呈先迅速升高后缓慢降低趋势,电阻率先略微减小后增大。4)随着衬底温度的升高,薄膜沿(222)、(400)晶面择优取向生长,薄膜结晶度上升,电阻率先减小后增大,透光率整体呈上升趋势。(2)在制备该异质结电池过程中,当沉积ITO膜时,为减少对P层膜高功率离子轰击损伤,我们采用溅射功率梯度法制备优质ITO薄膜。研究了功率梯度50w不同厚度对ITO薄膜微结构和光电特性的影响;其次将该功率梯度法制备的ITO薄膜运用于异质结电池。结果表明:1)随着50w条件下ITO薄膜厚度的增加,ITO膜结晶度基本保持不变,透光率升高,电阻率先升高后降低;在溅射功率梯度50w+110w,薄膜厚度10nm+195nm下制备出可见光范围内平均透光率高达88.9%,电阻率低达3.7*10-4Ωcm的优质ITO膜。2)将该优质ITO薄膜运用于异质结电池,得出功率梯度法制备的ITO薄膜降低了异质结电池转化效率。(3)为了提高薄膜硅/晶体硅异质结电池开路电压和转化效率,首先探究了SiH4浓度对P型硅薄膜晶化率、生长速率和暗电导率的影响;其次研究了SiH4浓度和退火对异质结电池性能的影响。1)随着SiH4浓度增大,薄膜由微晶转变成非晶,晶化率下降,生长率线性增加,暗电导率迅速下降。2)随着SiH4浓度增大,电池的开压、短路电流和光电转换效率都线性降低。3)退火能够改善电池性能,提高电池效率。最终制备出开路电压598mV、短路电流35.2mA/cm2、效率9.6%的异质结电池。
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