本征層為InxGa1-xN 結構柔性太陽能電池研究

苗麗華 張 東 趙 琰 李昱材

1.沈陽醫學院基礎數理教研室；2.沈陽工程學院新能源學院

本文研究一種可調帶隙量子阱結構的柔性襯底太陽能電池及制備方法。本論文研究的太陽能電池具體結構是：Al 電極/GZO/P 型nc-Si：H/I 層本征InxGa1-xN/N 型nc-Si：H/GZO/Al 背電極/AlN/PI 柔性襯底；其制備方法是首先磁控濺射制備AlN 絕緣層和Al 背電極，然后采用ECR-PEMOCVD 依次沉積GZO 基透明導電薄膜、N 型nc-Si：H 薄膜、InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜、P 型nc-Si：H 薄膜、GZO 基透明導電薄膜，最后制備金屬Al 電極。由于本征層InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜具有可調禁帶寬度，對該結構的太陽能電池起著巨大的作用，很大程度上提高了該結構太陽能電池的效率。

柔性襯底薄膜太陽能電池是指在柔性材料即聚酰亞胺（PI）或柔性不銹鋼上制作的薄膜太陽能電池，由于其具有攜帶輕便、重量輕以及不易粉碎的優勢，以及獨特的使用特性，從而具有廣闊的市場競爭力。目前已經商業化應用的薄膜太陽能電池以基于玻璃襯底的非晶硅薄膜為主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同時摻雜硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等氣體，在廉價的玻璃襯底上低溫制備而成，形成光伏PIN 單結或者多結薄膜太陽能電池結構。

柔性襯底薄膜太陽能電池是指在柔性材料即聚酰亞胺（PI）或柔性不銹鋼上制作的薄膜太陽能電池，由于其具有攜帶輕便、重量輕以及不易粉碎的優勢，以及獨特的使用特性，從而具有廣闊的市場競爭力。目前已經商業化應用的薄膜太陽能電池以基于玻璃襯底的非晶硅薄膜為主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同時摻雜硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等氣體，在廉價的玻璃襯底上低溫制備而成，形成光伏PIN 單結或者多結薄膜太陽能電池結構。

目前，技術相對成熟的薄膜太陽能電池大多都是硅基材料，其PIN 中的I 層一般都是非晶或者微晶硅（Si）薄膜。非晶或者微晶硅（Si）薄膜又稱無定型硅，就其微觀結構來看，是短程有序但是長程無序的不規則網狀結構，包含大量的懸掛鍵和空位等缺陷。但是由于非晶或者微晶硅（Si）薄膜帶隙寬度在1.7eV 左右，對太陽能輻射光譜的長波很不敏感，使其光電轉化效率較低，而且還存在明顯的光致衰退效應，使太陽能電池的光致性能穩定性較差，導致薄膜太陽能電池的市場競爭力較差。

針對現有技術存在的問題，本論文研究了一種可調帶隙量子阱結構的柔性襯底太陽能電池及制備方法，通過采用帶隙寬度可以調整到太陽能電池最敏感的區域的InxGa1-xN 晶體薄膜作為柔性太陽能電池的本征層（I 層），其量子阱結構提高了太陽能電池的光電轉化效率和光致性能的穩定性。

1 實驗

本研究論文的可調帶隙量子阱結構的柔性襯底太陽能電池制備方法，其實驗步驟如下：將柔性襯底聚酰亞胺（PI）襯底基片先用用離子水超聲波清洗5min 后，用氮氣吹干送入磁控濺射反應室，在9.0×10-4Pa 真空的條件下，沉積制備AlN 絕緣層。氬氣和氮氣作為混合氣體反應源，其氬氣和氮氣流量比10：1，反應濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為100℃沉積時間為30min。然后繼續在磁控濺射制備中繼續制備金屬Al 背電極，氬氣作為氣體反應源，其氬氣流量為20sccm，反應濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為50℃，沉積時間為5min。然后制備GZO 基透明導電薄膜；采用電子回旋共振等離子增強有機物化學氣相沉積系統（ECR-PEMOCVD），向反應室中通入氬氣（Ar）攜帶的三甲基鎵（TMGa）和二乙基鋅（DEZn）以及氧氣（O2），其流量比為1：2：80，沉積溫度為400℃，微波功率為650W，沉積氣壓為1.2Pa，沉積時間為20min。制備N 型氫化納米晶硅薄膜；其工藝參數條件是：采用電子回旋共振等離子增強有機物化學氣相沉積系統（ECR-PEMOCVD），向反應室中通入Ar 稀釋的SiH4以及H2稀釋的PH3，其流量分別為Ar稀釋的SiH4為8sccm，為H2稀釋的PH3為5sccm，H2流量40sccm，沉積溫度為350℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.8Pa，沉積時間為30min。繼續在采用ECRPEMOCVD 制備帶隙可調的InxGa1-xN 量子阱本征晶體薄膜；其工藝參數條件是：向反應室中通入H2稀釋的三甲基鎵（TMGa）和三甲基銦（TMIn），其TMGa 和TMIn流量比為2：1，氮氣（N2）流量為80sccm，沉積溫度為300℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.9Pa，沉積時間為400min。繼續在采用ECR-PEMOCVD 制備P 型氫化納米晶硅薄膜；向反應室中通入Ar 稀釋的SiH4以及H2稀釋的B2H6，其流量分別為Ar 稀釋的SiH4為8sccm，為H2稀釋的B2H6 為8sccm，H2流量為25sccm，改變不同的沉積溫度為250℃，300℃，350℃，微波功率為650W，沉積氣壓為0.8Pa，沉積時間為30min。研究不同沉積溫度下，P型氫化納米晶硅薄膜的擇優取向，結構質量。繼續在采用ECR-PEMOCVD 制備GZO 基透明導電薄膜；其工藝參數條件是：向反應室中通入氬氣（Ar）攜帶的三甲基鎵（TMGa）和二乙基鋅（DEZn）以及氧氣（O2），其流量比為1：2：80，沉積溫度為400℃，微波功率為650W，沉積氣壓為1.2Pa，沉積時間為20min。最后制備金屬Al 電極，采用磁控濺射制備，其工藝參數條件是：氬氣作為氣體反應源，其氬氣流量為20sccm，反應濺射鋁金屬靶材的純度為99.99%，襯底溫度為50℃，沉積時間為10min。

2 結果與討論

AFM 分析

圖1 為沉積溫度是300℃時沉積制備的P 型Si 薄膜的AFM 圖像。由圖可知，P 型Si 薄膜表面上的島狀團簇非常均勻，沒有明顯的界面缺陷，呈現出一個光滑的表面且表面平整。此外，為了太陽能電池對發電效率的要求，沉積溫度是300℃時沉積制備的P 型Si 薄膜的樣品進行了其表面均方根平整度檢測，經檢測其表面均方根平整度僅為3.8nm。實驗數據說明此時的沉積溫度是300℃時沉積制備的P 型Si 薄膜樣品的平整度在納米數量級，滿足要求。

Raman 分析

圖2 為P 型Si 薄膜的Raman 散射圖像。由圖可知，譜線在520cm-1 附近處為Si 相特征衍射峰，其他處幾乎沒有任何雜相衍射峰的存在，實驗結果說明實驗制備的Si薄膜，其質量很好，滿足太陽能電池發電效率對Si 質量的要求。

圖1 P 型Si 薄膜的原子力顯微鏡圖片

圖2 P 型Si 薄膜的Raman 譜線

3 結語

本研究論文改變其本征層InxGa1-xN 結構的可調帶隙量子阱結構的柔性襯底太陽能電池制備過程中的P 型Si沉積溫度這一個環節，發現沉積溫度的改變對其薄膜質量的影響較大，這對以后的實驗室發展有著很大的啟發與進展。該結構的太陽能電池具有優異的柔軟性，重量輕，攜帶方便，具有產業化潛力和市場空間。