太阳能电池片上生长ZnO/Al薄膜电极的研究

张 东, 鞠振河, 王晓文, 赵 琰, 宋世巍, 李昱材,王 刚, 丁艳波, 王 晗, 王 健, 高 微

(沈阳工程学院 新能源学院, 沈阳 110136)



太阳能电池片上生长ZnO/Al薄膜电极的研究

张 东, 鞠振河, 王晓文, 赵 琰, 宋世巍, 李昱材,王 刚, 丁艳波, 王 晗, 王 健, 高 微

(沈阳工程学院 新能源学院, 沈阳 110136)

太阳能电池片上生长ZnO/Al薄膜电极的研究属于新型透明导电材料领域,具体涉及一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法。以未引入电极的太阳能电池片为基片,清洗后送入磁控溅射反应室,以纯Al为靶材进行磁控溅射得到20～300 nm厚的Al薄膜,然后将基片置于气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH2CH3)2的氩气,沉积得到50～600 nm厚的ZnO薄膜,最后在氧气气氛下,于400～600 ℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理,得到ZnO/Al薄膜。制备工艺简单,沉积过程易于控制,透明导电薄膜的均匀性好,光电性能优异,以此作为太阳能电池的背电极,替代传统的铝金属电极,进一步提高了太阳能电池的转化效率。

太阳能电池片; ZnO/Al薄膜电极; 磁控溅射

0 引 言

随着社会发展和科学技术的突飞猛进,人类对功能材料的需求日益增加,新型功能材料已成为新技术和新兴工业发展的关键。随着太阳能、平板显示和半导体照明等产业的发展,一种新的功能材料----透明导电材料随之产生、发展起来。当光伏产业以连续5年近40%的速度向前发展时,提高光伏电池的效率是其最关键的热点研究问题。本研究小组由太阳能电池的电极入手,替代传统的铝金属电极,在太阳能电池材料上沉积制备出透明导电TCO电极,使太阳光从分照射到电池表面,不受传统电极的挡光影响,进一步提高了太阳能电池的转化效率。

太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,只要被光照到,瞬间就可输出电压及电流,传统的太阳能电池的电极制作是通过丝网印刷,导电金属粉浆穿透光栅减反层,与半导体太阳能电池片形成欧姆接触来形成电极的, 所以沉积金属电极是制造太阳能电池中的最后一个环节,也是极为重要的一个环节,因为它直接影响到太阳能电池的转换效率、生产成本以及生命周期。但是,尽管金属电极的导电性能比较好,但是其存在的问题也很多,最大问题就是由于金属电极本身不透明,有很大一部分光被反射不能吸收,在进行光电转换时,其对光的吸收利用率很低,目前工业生产的太阳能电池对光的转换效率一般在14%～19%之间,因此,开发新型透明导电材料,替代传统的金属电极,提高太阳能电池的效率成为了最关键的热点研究问题。

ZnO薄膜是一种新型的宽禁带化合物半导体材料,原料易得廉价,而且具有更高的熔点、激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷[1-3]。此外,薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实现掺杂,其中用ZnO/Al复合背电极替代传统的铝电极可以使光吸收增强,从而增大短路电流,提高太阳能电池的转化效率,改善电池的稳定性,目前国内关于复合背电极材料的研究还很少,其制备方法也不成熟,如化学溶胶凝胶法[4],其存在的问题是薄膜厚度及掺杂均匀性难以控制,如分子束外延发[5-7],存在的问题是材料结晶度和掺杂粒子浓度难以控制。

本研究论文针对现有技术存在的不足,本研究论文提供一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法,目的是通过化学气相沉积与磁控溅射相结合的方式,在未引入电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO/Al透明导电薄膜,作为太阳能电池的透明导电TCO电极,替代传统的铝金属电极,使太阳光从分照射到电池表面,不受传统电极的挡光影响,进一步提高了太阳能电池的转化效率。

ZnO具有良好的光电性能,而Al具有低电阻率的特点,形成的ZnO/Al/太阳能电池片结构,由于Al的掺入,载流子浓度增加,薄膜的导电性能得到了很大的提高,同时可保持透光率达到85%以上[8],由于采用有机物化学气相沉积和磁控溅射相结合的方法制备,薄膜质量极好。

本研究论文针对现有技术存在的不足,提供一种等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统与磁控溅射系统相结合的方式在未引入背电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO掺杂Al透明导电薄膜,以此作为太阳能电池的背电极,替代传统的铝金属电极,在太阳能电池材料上沉积制备出透明导电TCO电极,使太阳光从分照射到电池表面,不受传统电极的挡光影响,进一步提高了太阳能电池的转化效率。本研究是通过在未引入背电极的太阳能电池片衬底上等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统与磁控溅射系统相结合的方式在未引入背电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO掺杂Al透明导电薄膜,之后对实验薄膜样品在氧气的气氛下进行退火处理,得到ZnO/Al/未引入背电极太阳能电池片的太阳能电池结构。

本研究论文的制备工艺简单,沉积过程易于控制,透明导电薄膜的均匀性好,光电性能优异,以此作为太阳能电池的背电极,替代传统的铝金属电极,在太阳能电池材料上沉积制备出透明的ZnO/Al薄膜作为导电TCO电极,使太阳光从分照射到电池表面,不受传统电极的挡光影响,进一步提高了太阳能电池的转化效率。

1 实验步骤

本研究论文是通过等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统与磁控溅射系统相结合的方式在未引入电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO/Al透明导电薄膜,对薄膜在氧气的气氛下进行退火处理,得到ZnO/Al/未引入背电极太阳能电池片的太阳能电池结构。

本研究论文中所述的等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统即ECR-PEMOCVP系统,所述的磁控溅射控制系统是JPGD—450磁控溅射台。

以未引入电极的太阳能电池片为基片,依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片,用氮气吹干基片,送入磁控溅射反应室;将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10-4Pa后,将基片加热至100 ℃,并调整氩气流量使气压达到6 Pa,以纯Al为靶材进行磁控溅射,控制溅射功率为100 W,溅射时间4 min,在基片上得到258 nm厚的Al薄膜;用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片,然后将基片置于气相沉积室内加热到200～400 ℃,向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH2CH3)2的氩气,其中氩气和氧气流量之比为1∶100,控制微波功率为650 W,在有Al薄膜的基片上沉积得到500 nm厚的ZnO薄膜,然后用高纯氮气清洗气相沉积室,取出基片;在氧气气氛下,于400 ℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30 min,得到不同制备温度下的ZnO/Al薄膜样品。

2 实验结果与分析

2.1 SEM分析

本实验是在为引入电极的太阳能电池表面制备得到的ZnO薄膜样品,其结构如图1所示。当制备温度在300 ℃时,在金属Al电极上沉积的ZnO薄膜样品的SEM截面图像如图2所示。由下图可以看出,层次分的很清晰,最下面的一层是太阳能电池基片的侧面形貌图,进而为金属Al电极,而最上面的一层是制备的ZnO薄膜样品。就是我们所需要的透明导电电极,其电极的作用的一方面要把太阳能的电传导出去,一方面要透明,让太阳能光学更多的透射过去,透射到太阳能电池片上。只有更多的光能到太阳能电池片,才能转化更多的光,提高转化效率。这就是我们的研究论文的创新性,与传统的太阳能相比较,我们的技术优势就是采取ZnO透明导电薄膜样品作为电极,一方面能作为电极使用,一方面让更多太阳能进来了,这个是传统丝网印刷的电极所无法比拟的。由图可以看出,沉积制备的ZnO薄膜样品表面很均匀平整,没有明显的缺陷存在,呈现出一个光滑的表面,只有平整的表面才能具有优异的导电性能,才能满足导电性能的要求。实验结果表明沉积制备的ZnO样品薄膜表面形貌很优异,平整度很高,满足电极的太阳能器件对电极的要求。

图1 沉积透明导电薄膜电极太阳能电池片结构示意图

图2 制备温度在300 ℃时ZnO的SEM图像

2.2 TEM分析

图3 制备温度在300 ℃时ZnO薄膜与Al薄膜的SEM图像

当制备温度在300 ℃时,在金属Al电极上沉积的ZnO薄膜样品的TEM图像如图3所示。由下图可以看出,其结构明显,层次分明,结果表明其实验参数调试很理想。进一步分析说明通过磁控溅射系统与ECR-PECVD系统制备的Al薄膜样品与ZnO薄膜很均匀平整,没有太明显的缺陷存在,呈现出一个光滑的表面。而且膜厚控制的很理想,都在200 nm附近。说明该温度是薄膜样品较好制备温度。通过该图实验结果表明沉积制备的ZnO样品薄膜表面形貌很优异,平整度很高,满足电极的太阳能器件对电极的要求。该结果分析与SEM分析结果相同。

2.3 透射率分析

图4 制备温度在300 ℃时ZnO薄膜透射光谱图像

当制备温度在300 ℃时,在金属Al电极上沉积的ZnO薄膜样品的透射图像如图4所示。由下图可以看出,其透射光谱在80%以上,说明更多的光都能进入到太阳能电池片上,也说明制备的透射电极不遮挡阳光,可以提高太阳能电池的发电效率。其实验结果表明实验参数的选取还是较好的。进一步分析说明通过磁控溅射系统与ECR-PECVD系统制备的Al薄膜样品与ZnO薄膜很均匀平整,没有太明显的缺陷存在,呈现出一个光滑的表面,只有这样才能有更多的光直接进来,反射出去的较少。说明该温度是薄膜样品较好制备温度。通过该图实验结果表明沉积制备的ZnO样品薄膜透射率很优异,能进入的光也很多,满足电极的太阳能器件对电极的要求。

3 结 论

本研究论文沉积制备了一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜样品。本研究论文在氧气气氛下,在一定温度的情形下对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理,得到ZnO/Al薄膜。本研究论文的制备工艺简单,沉积过程易于控制,透明导电薄膜的均匀性好,光电性能优异,以此作为太阳能电池的背电极,替代传统的铝金属电极,进一步提高了太阳能电池的转化效率。

[1]TSUKAZAKI A, OHTOMO A, ONUMA T, et al. Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light-emitting diode based on ZnO[J]. Nature Mater, 2005,4(1):42-46.

[2]NAKAHARA K, AKADAKA S, TAMURA K, et al. Nitrogen doped MgxZn1-xO/ZnO single heterostructure ultraviolet light-emitting diodes on ZnO substrates[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(1):013501.

[3]LIANG H K, YU S F, YANG H Y. Directional and controllable edge-emitting ZnO ultraviolet random laser diodes[J]. Appl Phys Lett, 2010,96(10):101116.

[4]TIAN Ye, MA Xiangyang, LU Jin, et al. Electrically pumped ultraviolet random lasing from ZnO films: Compensation between optical gain and light scattering[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(25):251115.

[5]ZHU H, SHAN C X,ZHANG J Y, et al. Low-threshold electrically pumped random lasers[J]. Adv Mater, 2010,22(16):1877-1879.

[6]WANG Z L. ZnO nanowire and nanobelt platform for nanotechnology[J]. Mater Sci Eng B, 2009,64(1):33-36.

[7]DAI J, XU C X, WU P, et al. Exciton and electron-hole plasma lasing in ZnO dodecagonal whispering-gallery-mode microcavities at room temperature[J]. Appl Phys Lett, 2010,97(1):011101.

[8]VISIMBERGA G, YAKIMOV E E, REDKIN A N. Nanolasers from ZnO nanorods as natural resonance cavities[J]. Phys Status Solidi B, 2010,7(6):1668-1671.

Study on ZnO/Al electrochemical films on solar cells

ZHANGDong,JUZhenhe,WANGXiaowen,ZHAOYan,SONGShiwei,LIYucai,WANGGang,DINGYanbo,WANGHan,WANGJian,GAOWei

(New Energy Source Institute,Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136 China)

The study is concerned with new type of transparent conductive materials in the field, particularly relates to a method for preparing the introduction of electrodes on a non-film solar cells ZnO/Al films. This method is based on research papers not introduced electrode film solar cells as a substrate, magnetron sputtering after cleaning into the reaction chamber to be pure Al as a target magnetron sputtering get 20～300 nm thick Al film, and then the substrate is placed into the vapor deposition chamber while passing an oxygen carrying and Zn(CH2CH3)2, argon, is deposited to give a thickness of 50～600 nm ZnO film, and finally in an oxygen atmosphere at 400～600 ℃ for containing ZnO and Al annealing the substrate film to obtain a ZnO/Al film. Preparation of this research paper is simple, easy to control the deposition process, the transparent conductive film uniformity and excellent optical performance, as the back electrode of the solar cell, which can replace the traditional aluminum metal electrode, and further improve the conversion efficiency of solar cells.

solar cells; ZnO/Al thin film electrode; magnetron sputtering

2015-06-10。

教育部重点实验室项目(LABKF1406)。

张 东(1985-),男,辽宁海城人,沈阳工程学院讲师,博士。

1673-5862(2015)03-0329-04

TN304.55

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.03.003