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摘要：采用VHF-PECVD技术制备了不同功率系列的微晶硅薄膜和电池，测试结果表明：制备的适用于微晶硅电 池的有源层材料的暗电导和光敏性都在电池要求的参数范围内.低功率或高功率条件下，电池从n和p方向的喇 曼测试结果是不同的，在晶化率方面材料和电池也有很大的差别，把相应的材料应用于电池上时，这一点很重要. 采用 VHF-PECVD 技术制备的微晶硅电池效率为 5%，Vm = 0. 45V,/sc = 22mA/cm2 ,FF= 50% , Area=0. 253cm2.

 

关键词：甚髙频等离子体增强化学气相沉积；微晶硅薄膜；微晶硅电池 PACC： 8115H

 

中图分类号：TN304.1 文献标识码：A 文章编号：0253-4177(2005)05-0952-06

Vol. 26 No. 5 May»2005

1引言

 

太阳能光伏发电成为目前洁净能源的研究热 点[13].在太阳能电池研究中，非晶硅/微晶硅迭层 电池[4~6]成为人们关注的焦点，因为其利用了非晶 硅电池和微晶硅电池分别对太阳光谱的短波响应和 长波响应高的特点.这一方面提高了电池的光电转 换效率，另一方面也提高了电池的稳定性.要想制备 出高效率的迭层电池，制备高效率的单结微晶硅电 池是很重要的.对于微晶硅电池的研究虽只有十多 年的历史，但已取得了很好的结果.目前国内在这方 面的研究正逐步深人[712].

 

影响微晶硅电池和材料的工艺参数有很多，本 文主要研究了不同功率条件下制备微晶硅材料和电 池的电学特性和结构特性，以及材料和电池之间的 关系•

2实验

 

实验中用的所有材料和电池都是在本研究所三 室连续的PECVD系统中制备而成的.其中p层和 本征i层所用的激发频率为60MHz，n层的激发频

率为13. 56MHz,功率的变化范围为926W，其他 工艺参数固定，硅烷浓度为4%,衬底温度为170V. 材料制备时采用的衬底为Corning 7059玻璃（经过 5%的HF酸腐蚀），电池的前电极为Sn02/Zn0复 合膜.其中Sn02为日本A Shahi公司生产，而ZnO 是我们用磁控溅射制备的，厚度为50mn左右，方块 电阻为8D/Cm2左右.通过控制沉积时间使电池的 p,i和n各层的厚度分别为20，1000和20nm左右.

 

材料的光、暗电导采用Keithly 617繁用表测试 完成.电池的光态和暗态H测试是Keithly 2420 通过自编程序完成，其中光态所用光强为 100mW/cm2(AM1.5).材料和电池的晶化程度是 通过喇曼测试分析得到的，喇曼测试设备是MKI Renishaw 2000 M，激光器是波长为632. 8nm的 He-Ne激光器*

 

3结果和讨论

3.1微晶硅材料

 

图1(a)给出了硅烷浓度SC为4%时，制备薄膜 的暗电导和光敏性（光电导/暗电导）随功率变化的 情况.从图中可以看出，功率为15W左右时是一个

 

转变点.小于15W时制备薄膜的暗电导都在10_8 S/cm量级上，S卩从2 X 10—8S/cm升高到7 X 10_8S/ cm时，相应的光敏性从1770降低到800;而大于 15W时，暗电导都在4X10_7S/cm以上，光敏性也 降低到300100之间.一般对于pin型微晶硅电池 有源层(i层)来说，不同实验室在将材料应用于电池 时，对材料的性能表征参数要求是不一样的，因为有 源层是制备在一定晶化程度的微晶P层基础上的. 由于P层材料不同，使对其上生长的有源层要求也 不一样.但一般来说，光敏性为102103，暗电导大 于10_8S/cm，小于10_6S/cm[13].因此，从电学特性 方面看，我们制备的有源层材料是可以应用于电池 上的.

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0-60-70-8

Power/W

图1 (a)材料的暗电导和光敏性随功率的变化；（b)材料的晶

 

化率随功率的变化

 

Fig. 1 (a) Dark conductivity and photosensitivity vary

 

with power； (b) Crystalline volume fraction (Xc) varies with power

在把相应的材料应用于电池中时，我们先关注 材料的结构特性，即制备薄膜的晶化情况.一般对于 玻璃衬底上制备的硅薄膜来说，判别样品是否晶化 主要是观察480cm-1和520cm_1峰位的情况.因为

 

一般认方、4親语i—1是非晶硅的类TO模式，520cm_1

 

方万数据 .

为晶体硅的类TO模式.图1(b)定量地给出了经过 高斯三峰拟合计算得到的样品晶化率随功率的变化 情况，从图中可以看出，在实验的功率范围内，随着 功率的逐步增大，样品中的晶体成分越来越多.但值 得注意的是：当功率增加到26W时，晶化程度反而 降低.分析原因：在固定其他工艺条件时，功率为 26W时可能已经达到硅烷耗尽状态，氢的过度刻蚀 使得材料中的空洞增多，表现为晶化率下降，但所有 材料的晶化率都在30%以上.从上面的结构特性测 试结果也可判定，制备的是适用于电池有源层的微 晶硅材料.下面具体分析将材料应用于电池上的结 果. •

 

3.2微晶硅电池

 

实验中微晶硅电池的基本结构为glass/Sn02/ ZnO/pC^c-Si : H)/I(^c-Si : H)/n(^c-Si : H)/A1. 图2给出了不同功率条件下，制备微晶硅（p/i/n)电 池的性能参数随功率的变化.从图中可以看出，电池 的效率在功率为12W时达到最高点为5%.同效率 相关的三个参数中，对于开路电压来说，随功率的逐 渐增大，相应的开路电压逐渐降低.可能的原因是: 随功率的增加，等离子体的刻蚀作用增强，其结果类 似于加大氢稀释，即功率的增大或氢稀释的增加会 使材料中的晶体成分越来越多，非晶组分则越来越 少，从而材料中晶粒间界增加，缺陷态密度随之增 大，载流子体复合增加，导致开路电压逐步降低.也 就是一定的开路电压和材料的结构（晶化程度)是密 切相关的.电池的短路电流密度基本上在17‰22mA/cm2之间，所有电池的填充因子都小于 50%.对于电池来说，这样低的填充因子，效率是不 会高的.为了分析影响电池性能的具体原因，进行了 如下的测试：图3(a)给出了效率为5%的电池的光 态曲线，从图中谱线可以看出电池的并联电阻 小，这是影响电池填充因子的一个关键因素.图3 (b)给出了相应的暗态测试结果，通过曲线拟合 可以计算得出样品的暗态饱和电流密度为1.2X 10_6A/cm2.根据二极管原理，反向饱和电流密度 大，相应的开路电压小[14]，这就说明了为什么我们 制备的微晶硅电池的开路电压只有0. 43V.另外，拟 合计算得出品质因数为2. 4，而一般好的微晶硅电 池的品质因数为12之间[15]，从此计算结果可以 判断，我们制备的微晶硅电池中有源层材料中载流 子体复合比较严重，即缺陷态密度相对较高.而且暗