襯底材料表面形貌和特性對太陽電池性能影響

方曉敏， 廖東進(jìn)

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江衢州324000)

隨著清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新一代的微晶硅薄膜太陽電池因具有極低的S-W效應(yīng)逐漸受到業(yè)內(nèi)青睞。為了使微晶硅薄膜太陽電池達(dá)到量產(chǎn)，成本控制非常關(guān)鍵[1]。目前控制該類電池的成本有兩種方法，一是提高微晶硅材料的本征層厚度，促進(jìn)薄膜生長；二是借助光管理技術(shù)提高微晶硅的光吸收效率[2]。本文利用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)提高了微晶硅薄膜的沉積速度，達(dá)到了本征層吸光率的最優(yōu)。

1 實驗

本文所用本征層及所有膜層均在多功能輻射型薄膜沉積系統(tǒng)中生產(chǎn)，電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了提高可見光波長的響應(yīng)，本結(jié)構(gòu)中采用ZnO:B/Ag/Al作為電池背反射組織，ZnO:Al襯底作為透明的電池導(dǎo)電前極 (TCO)。分別以0、10、20、30、40、50 s的時間間隔對TCO進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為濃度0.8%的鹽酸溶液。將腐蝕后的TCO在電子顯微鏡下觀察，掃描范圍為 20 μm2。

本研究中所有電池本征層厚度均為1 800 nm，有效面積均為0.272 cm2。樣品電池的光電特性通過500～1 000 nm的偏壓外量子效率測定。利用太陽模擬器 (100 mW/cm2、26℃、AM2.0)測試I-V特性。

圖1 微晶硅薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 襯底的腐蝕形貌

圖2所示為不同腐蝕時間下的襯底表面形貌表征[3]。由圖2看出，0 s未經(jīng)腐蝕時，ZnO:Al襯底表面平滑，隨著腐蝕時間的增加，襯底表面開始出現(xiàn)坑洼?？油莸某叽绾拖∈锠顟B(tài)隨著腐蝕時間的增加而增大。當(dāng)腐蝕時間為50 s時，坑洼布滿襯底且尺寸較大。為了進(jìn)一步分析襯底的散射特性與形貌改變的關(guān)系，實驗引入相關(guān)長度與表面粗糙度的計算關(guān)系：相關(guān)長度可表征襯底坑洼的橫向特征，表面粗糙度可表征坑洼的縱向特征，如圖3所示。由圖3看出，隨著腐蝕時間的延長，表面粗糙度和相關(guān)長度均有所增加。40 s腐蝕后，表面粗糙度和相關(guān)長度增長緩慢，這說明基本腐蝕到基底。

圖2 不同腐蝕時間下的襯底表面形貌表征

圖3 表面粗糙度、相關(guān)長度與腐蝕時間的關(guān)系

2.2 襯底的特性變化

隨著腐蝕時間的變化，襯底出現(xiàn)不同的形貌，從而導(dǎo)致襯底呈現(xiàn)出不同的散射結(jié)構(gòu)，對入射光的光學(xué)作用也不同。通過測試上述不同腐蝕時間段襯底的直接透射譜和積分透射譜，可評估襯底形貌對入射光的散射能力。圖4所示為典型波長900 nm處Haze散射率與腐蝕時間的變化情況。由圖4可見，隨著腐蝕時間的延長，Haze散射率逐漸增大；40 s時，散射率基本達(dá)到飽和且無變化。該結(jié)果與上述的襯底腐蝕結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

圖4 900 nm處Haze散射率與腐蝕時間的變化情況

研究表明，增強(qiáng)襯底表面散射率可以提高微晶硅本征層內(nèi)散射光的行程，行程的增加可使本征層吸收更多的光[4]。因此，為了使本征層對散射光的吸收最大化，所有電池采用相同的工藝來研究0～50 s腐蝕時間內(nèi)，最大化所對應(yīng)的襯底表面形貌導(dǎo)致的電池光學(xué)特性的變化。圖5所示為不同腐蝕時間下各波長與外量子效率的變化曲線，可以看出，在這個波段范圍內(nèi)未經(jīng)過腐蝕的襯底外量子效率曲線呈現(xiàn)出多波峰、波谷，這是因為，未經(jīng)過腐蝕的襯底表面平滑、光整，會導(dǎo)致干涉現(xiàn)象增多。隨著腐蝕時間的延長，干涉現(xiàn)象逐漸消失(波峰、波谷數(shù)量減少)。到40 s腐蝕時，電池響應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到峰值，50 s腐蝕后其長波段外量子效率迅速下降。由此推斷，實驗所用微晶硅薄膜太陽電池襯底存在最佳的腐蝕時間，以獲得最佳的光譜響應(yīng)。

圖5 不同腐蝕時間下各波長與外量子效率的變化曲線

2.3 電池電學(xué)性能

從上文分析可知，調(diào)控襯底表面尺寸可以顯著增強(qiáng)入射光散射率，進(jìn)而提高微晶硅太陽電池的性能，但調(diào)控過程中需要注意襯底表面尺寸對電池電學(xué)性能的影響。本實驗測定的不同腐蝕時間內(nèi)襯底上生長的微晶硅電池參數(shù)如表1所示。由表1看出，因為襯底表面腐蝕形貌所具有的光學(xué)作用，隨著腐蝕時間的延長，電池的短路電流密度逐漸增加，當(dāng)腐蝕時間40 s后開始下降，與圖5結(jié)果基本相符。反向飽和電流密度隨著腐蝕時間的延長，尚處于同一個數(shù)量級1×10－4。由于襯底誘導(dǎo)延伸到電池內(nèi)部的裂紋會使本征層產(chǎn)生漏電溝道，會引起反向飽和電流密度增加，開路電壓降低[5]。處于同一數(shù)量級說明，0～50 s腐蝕時間內(nèi)本征層并未產(chǎn)生漏電溝道?？赏茢?，0～50 s腐蝕時間內(nèi)襯底表面形貌變化并未對微晶硅電池的電學(xué)特性造成很大影響。

表1 不同腐蝕時間下襯底微晶硅電池性能

然而，腐蝕會導(dǎo)致襯底自身的電學(xué)性能變化，同時對微晶硅電池串聯(lián)電阻產(chǎn)生一定的影響，填充因子在40 s后會顯著降低。這是因為，襯底電學(xué)性能變化會使電池性能有所損失，同時產(chǎn)生光學(xué)增益效果。綜合考慮，腐蝕時間為40 s時微晶硅太陽電池能獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率。

3 結(jié)論

高效微晶硅太陽電池的設(shè)計過程中，高性能陷光結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵。這是因為，陷光結(jié)果影響散射光在電池中的有效行程，提高襯底對光的吸收率。因此，為了進(jìn)一步提高電池器件的光穩(wěn)定性、降低成本，可將本征層減薄。本文通過實驗獲得了微晶硅電池獲得最佳轉(zhuǎn)換效率的襯底條件，即襯底光學(xué)特性、相關(guān)長度以及粗糙度剛好達(dá)到飽和的臨界條件，該研究可為微晶硅太陽電池的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

[1]王亞蘭，陳淵睿.光伏電池通用模型及自適應(yīng)MPPT控制方法[J].電源技術(shù)，2015(1)：75-77.

[2]曹宇，張建軍，李天微，等.微晶硅鍺太陽電池本征層縱向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].物理學(xué)報，2013(3)：231-237.

[3]白立沙，劉伯飛，趙慧旭，等.基于濺射后腐蝕ZnO的單結(jié)微晶硅太陽電池中的陷光研究[J].太陽能學(xué)報，2016(4)：801-806.

[4]林家輝，彭啟才.n-ZnO/i-ZnO/p-nc-Si結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池的模擬研究[J].電子元件與材料，2012(5)：27-30.

[5]鄭君，王冬松，胡宏勛.非晶硅太陽電池作為空間能源的性能特點[J].電源技術(shù)，2003(1)：50-53.