本征层为InxGa1-xN 结构柔性太阳能电池研究

苗丽华 张 东 赵 琰 李昱材

1.沈阳医学院基础数理教研室；2.沈阳工程学院新能源学院

本文研究一种可调带隙量子阱结构的柔性衬底太阳能电池及制备方法。本论文研究的太阳能电池具体结构是：Al 电极/GZO/P 型nc-Si：H/I 层本征InxGa1-xN/N 型nc-Si：H/GZO/Al 背电极/AlN/PI 柔性衬底；其制备方法是首先磁控溅射制备AlN 绝缘层和Al 背电极，然后采用ECR-PEMOCVD 依次沉积GZO 基透明导电薄膜、N 型nc-Si：H 薄膜、InxGa1-xN 量子阱本征晶体薄膜、P 型nc-Si：H 薄膜、GZO 基透明导电薄膜，最后制备金属Al 电极。由于本征层InxGa1-xN 量子阱本征晶体薄膜具有可调禁带宽度，对该结构的太阳能电池起着巨大的作用，很大程度上提高了该结构太阳能电池的效率。

柔性衬底薄膜太阳能电池是指在柔性材料即聚酰亚胺（PI）或柔性不锈钢上制作的薄膜太阳能电池，由于其具有携带轻便、重量轻以及不易粉碎的优势，以及独特的使用特性，从而具有广阔的市场竞争力。目前已经商业化应用的薄膜太阳能电池以基于玻璃衬底的非晶硅薄膜为主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同时掺杂硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等气体，在廉价的玻璃衬底上低温制备而成，形成光伏PIN 单结或者多结薄膜太阳能电池结构。

柔性衬底薄膜太阳能电池是指在柔性材料即聚酰亚胺（PI）或柔性不锈钢上制作的薄膜太阳能电池，由于其具有携带轻便、重量轻以及不易粉碎的优势，以及独特的使用特性，从而具有广阔的市场竞争力。目前已经商业化应用的薄膜太阳能电池以基于玻璃衬底的非晶硅薄膜为主，其制作方法是：使用硅烷（SiH4），同时掺杂硼烷（B2H6）和磷烷（PH3）等气体，在廉价的玻璃衬底上低温制备而成，形成光伏PIN 单结或者多结薄膜太阳能电池结构。

目前，技术相对成熟的薄膜太阳能电池大多都是硅基材料，其PIN 中的I 层一般都是非晶或者微晶硅（Si）薄膜。非晶或者微晶硅（Si）薄膜又称无定型硅，就其微观结构来看，是短程有序但是长程无序的不规则网状结构，包含大量的悬挂键和空位等缺陷。但是由于非晶或者微晶硅（Si）薄膜带隙宽度在1.7eV 左右，对太阳能辐射光谱的长波很不敏感，使其光电转化效率较低，而且还存在明显的光致衰退效应，使太阳能电池的光致性能稳定性较差，导致薄膜太阳能电池的市场竞争力较差。

针对现有技术存在的问题，本论文研究了一种可调带隙量子阱结构的柔性衬底太阳能电池及制备方法，通过采用带隙宽度可以调整到太阳能电池最敏感的区域的InxGa1-xN 晶体薄膜作为柔性太阳能电池的本征层（I 层），其量子阱结构提高了太阳能电池的光电转化效率和光致性能的稳定性。

1 实验

本研究论文的可调带隙量子阱结构的柔性衬底太阳能电池制备方法，其实验步骤如下：将柔性衬底聚酰亚胺（PI）衬底基片先用用离子水超声波清洗5min 后，用氮气吹干送入磁控溅射反应室，在9.0×10-4Pa 真空的条件下，沉积制备AlN 绝缘层。氩气和氮气作为混合气体反应源，其氩气和氮气流量比10：1，反应溅射铝金属靶材的纯度为99.99%，衬底温度为100℃沉积时间为30min。然后继续在磁控溅射制备中继续制备金属Al 背电极，氩气作为气体反应源，其氩气流量为20sccm，反应溅射铝金属靶材的纯度为99.99%，衬底温度为50℃，沉积时间为5min。然后制备GZO 基透明导电薄膜；采用电子回旋共振等离子增强有机物化学气相沉积系统（ECR-PEMOCVD），向反应室中通入氩气（Ar）携带的三甲基镓（TMGa）和二乙基锌（DEZn）以及氧气（O2），其流量比为1：2：80，沉积温度为400℃，微波功率为650W，沉积气压为1.2Pa，沉积时间为20min。制备N 型氢化纳米晶硅薄膜；其工艺参数条件是：采用电子回旋共振等离子增强有机物化学气相沉积系统（ECR-PEMOCVD），向反应室中通入Ar 稀释的SiH4以及H2稀释的PH3，其流量分别为Ar稀释的SiH4为8sccm，为H2稀释的PH3为5sccm，H2流量40sccm，沉积温度为350℃，微波功率为650W，沉积气压为0.8Pa，沉积时间为30min。继续在采用ECRPEMOCVD 制备带隙可调的InxGa1-xN 量子阱本征晶体薄膜；其工艺参数条件是：向反应室中通入H2稀释的三甲基镓（TMGa）和三甲基铟（TMIn），其TMGa 和TMIn流量比为2：1，氮气（N2）流量为80sccm，沉积温度为300℃，微波功率为650W，沉积气压为0.9Pa，沉积时间为400min。继续在采用ECR-PEMOCVD 制备P 型氢化纳米晶硅薄膜；向反应室中通入Ar 稀释的SiH4以及H2稀释的B2H6，其流量分别为Ar 稀释的SiH4为8sccm，为H2稀释的B2H6 为8sccm，H2流量为25sccm，改变不同的沉积温度为250℃，300℃，350℃，微波功率为650W，沉积气压为0.8Pa，沉积时间为30min。研究不同沉积温度下，P型氢化纳米晶硅薄膜的择优取向，结构质量。继续在采用ECR-PEMOCVD 制备GZO 基透明导电薄膜；其工艺参数条件是：向反应室中通入氩气（Ar）携带的三甲基镓（TMGa）和二乙基锌（DEZn）以及氧气（O2），其流量比为1：2：80，沉积温度为400℃，微波功率为650W，沉积气压为1.2Pa，沉积时间为20min。最后制备金属Al 电极，采用磁控溅射制备，其工艺参数条件是：氩气作为气体反应源，其氩气流量为20sccm，反应溅射铝金属靶材的纯度为99.99%，衬底温度为50℃，沉积时间为10min。

2 结果与讨论

AFM 分析

图1 为沉积温度是300℃时沉积制备的P 型Si 薄膜的AFM 图像。由图可知，P 型Si 薄膜表面上的岛状团簇非常均匀，没有明显的界面缺陷，呈现出一个光滑的表面且表面平整。此外，为了太阳能电池对发电效率的要求，沉积温度是300℃时沉积制备的P 型Si 薄膜的样品进行了其表面均方根平整度检测，经检测其表面均方根平整度仅为3.8nm。实验数据说明此时的沉积温度是300℃时沉积制备的P 型Si 薄膜样品的平整度在纳米数量级，满足要求。

Raman 分析

图2 为P 型Si 薄膜的Raman 散射图像。由图可知，谱线在520cm-1 附近处为Si 相特征衍射峰，其他处几乎没有任何杂相衍射峰的存在，实验结果说明实验制备的Si薄膜，其质量很好，满足太阳能电池发电效率对Si 质量的要求。

图1 P 型Si 薄膜的原子力显微镜图片

图2 P 型Si 薄膜的Raman 谱线

3 结语

本研究论文改变其本征层InxGa1-xN 结构的可调带隙量子阱结构的柔性衬底太阳能电池制备过程中的P 型Si沉积温度这一个环节，发现沉积温度的改变对其薄膜质量的影响较大，这对以后的实验室发展有着很大的启发与进展。该结构的太阳能电池具有优异的柔软性，重量轻，携带方便，具有产业化潜力和市场空间。