张 东, 王存旭, 王晓文, 王 健, 赵 琰, 宋世巍, 李昱材, 王 刚,杜世鹏, 司红代, 许 鉴, 王宝石, 丁艳波, 王 晗, 郭 瑞,刘莉莹, 王帅杰, 高 微, 柯韵杰, 谢 芳

(沈阳工程学院 新能源学院, 沈阳 110136)



材料科学

可调带隙量子阱的柔性太阳能电池研究

张 东, 王存旭, 王晓文, 王 健, 赵 琰, 宋世巍, 李昱材, 王 刚,杜世鹏, 司红代, 许 鉴, 王宝石, 丁艳波, 王 晗, 郭 瑞,刘莉莹, 王帅杰, 高 微, 柯韵杰, 谢 芳

(沈阳工程学院 新能源学院, 沈阳 110136)

采用新型材料作为本征层很大层度上解决了薄膜材料光衰减的问题,有效保证了薄膜太阳能电池的发电效率。采用可调带隙以及具有量子阱结构InxGa1-xN晶体薄膜作为Ⅰ层,可以有效提高薄膜太阳能电池转换效率,再采用GZO透明薄膜既作为缓冲层又作为透明导电电极,增加了薄膜太阳能电池的透光率,同时提高了透明电极的耐腐蚀性能,使得薄膜太阳能电池的光电转换效率得到了很大的提高。采用AlN作为绝缘层,其晶格失配率相差很小,可以制备出质量均匀的Al背电极。该柔性电池具有优异的柔软性,重量轻,携带方便,具有潜在的市场空间,而且制备工艺简单,可实现规模生产。

可调带隙量子阱; 薄膜太阳能电池; 柔性基片

0 引 言

传统的太阳能电池都是铝金属作为边框,钢化玻璃作为表面透光层以及保护层。虽然传统的太阳能电池已经普遍使用,而且其性能稳定,但是由于重量较大,不易携带,只能作为传统的发电方式,在大规模电站上使用。近几年,聚酰亚胺和柔性不锈钢的沉积制备的薄膜太阳能电池,以独特的优势成为了研究热点。由于其携带方便,轻便和不易损坏等诸多优势,具有广阔的商业价值,成为很多行业必备的旅行产品。

柔性薄膜太阳能电池是现在相对成熟的硅材料产品,另外还有一些化合物半导体材料作为柔性薄膜太阳能的产品,但是大多还是以硅材料为主体进行科学研究[1-5]。薄膜太阳能电池的硅材料以非晶和微晶硅(Si)材料薄膜为主,但是非晶和微晶硅(Si)材料由于其自身禁带宽度的问题,对太阳光的波长敏感度不太强烈,不能极大的吸收太阳光,降低了光电转化效率。该材料还存在很大的光致衰退效应,使得该材料的薄膜太阳能电池很不稳定。诸多性能上的劣势,使得该材料的薄膜太阳能电池很难存在商业化竞争力。

在以上技术出现难点时,研究论文采用带隙可调的InxGa1-xN量子阱本征晶体薄膜作为Ⅰ层,由于其材料自身的禁带宽度可以调节,所以能够尽可能多的吸收太阳能光,另外,InxGa1-xN制备材料是晶体结构,没有明显的光致衰退效应。这不但提高了太阳能电池的光电转化效率,而且提高了太阳能电池的光致性能的稳定性,增大了市场竞争力。采用GZO作为缓冲层,极大的减少了制备薄膜之间的晶格适配率。其次,传统的透明导电薄膜电极采用ITO薄膜材料,本研究论文采用GZO为该结构的透明导电电极,取代了传统的导电电极,不但提高了太阳光的透光率,而且增强了该材料的腐蚀性能。该结构的电池光电转换效率得到了很大的提高[6]。采用AlN作为绝缘层,其晶格失配率相差很小,可以制备出质量均匀的Al背电极。该柔性电池具有优异的柔软性,重量轻,携带方便,具有潜在的市场空间,而且制备工艺简单,可实现规模生产。

本研究论文提供了一种具有产业化潜力的柔性衬底的薄膜太阳能电池及其制备技术。本发明涉及一种“Al电极/GZO透明导电薄膜/Si:P型/InGaN:Ⅰ本征层/Si:N型/GZO透明导电薄膜/Al背电极/AlN绝缘层/聚酰亚胺(PI)结构的柔性衬底”的太阳能电池的模型,且在Al背电极和N型Si基薄膜之间加入镓(Ga)掺杂氧化锌(ZnO)的透明导电薄膜即GZO。本实验的反应基片是聚酰亚胺,简称为PI柔性材料。该材料作为柔性反应基片具有质量轻,不易损坏,方便携带等优点。在制备过程中,改变了Ⅰ层材料和结构,引入具有带隙可调的InxGa1-xN量子阱本征晶体薄膜作为Ⅰ层,InxGa1-xN材料具有稳定好,耐腐蚀且具有隧穿势垒以及低的光损系数,提高了电池的转化效率[7-8]。其次,采用了GZO透明薄膜作为透明导电电极,增加了薄膜太阳能电池的透光率。同时提高了透明电极的耐腐蚀性能,使得薄膜太阳能电池的光电转换效率得到了很大的提高。采用AlN作为绝缘层,其晶格失配率相差很小,可以制备出质量均匀的Al背电极。

1 实验步骤

本实验以电子回旋共振等离子体增强金属有机物化学气相制备系统与磁控溅射系统相结合的方式在柔性衬底上制备带隙可调的InxGa1-xN薄膜太阳能电池材料。论文中所述的实验反应设备即是ECR-PEMOCVP系统,所述的磁控溅射控制系统是JPGD—450磁控溅射系统。

本研究实验的步骤是以PI作为柔性衬底,为了制备出质量优异的薄膜样品,对PI柔性衬底超声波清洗10 min,采用洗耳球对PI基片吹干后,放入磁控溅射系统制备AlN薄膜样品。其AlN薄膜样品起着绝缘层的作用。把设备真空度抽到9.0×10-4Pa下,其反应源氩气和氮气流量比10∶1,基片加热到100 ℃,采用磁控溅射的方式,在制备时间为30 min条件下制备AlN样品薄膜。第1道工序结束后,在不换设备的情形下,在AlN绝缘层表面制备Al电极。此时靶材还是Al,基片还是100 ℃,其制备时间改为10 min,反应制备Al电极之后,就需要制备Ga掺杂的ZnO基透明导电薄膜。把反应基片从磁控溅射取出,放入实验条件已经调试完毕的ECR-PEMOCVD系统,三甲基镓与二乙基锌的流量比为1∶2,基片温度加热到200 ℃后调节微波功率到650 W,然后通入氧气,在20 min的条件下反应制备该透明导电薄膜GZO。在该设备下继续制备N型的硅薄膜材料,由于其特性是N型掺杂,所以其反应源中加入了H2稀释的PH3。H2稀释PH3与Ar稀释的SiH4同时通入混合反应室,其流量为H2稀释PH3是5sccm,与Ar稀释的SiH4是8sccm。另外一个反应源是H2流量为20 sccm。在加热温度350 ℃,微波功率不变的条件下,制备30 min,沉积出N型的硅薄膜。最关键的步骤就是在ECR-PEMOCVD中沉积InxGa1-xN本征晶体薄膜。采用H2携带的混合反应源三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn),其中2种反应源的配比浓度为2∶1,另外一路反应源为流量为80 sccm的氮气,加热到200 ℃,微波功率不改变的情形下,反应1 h,制备高质量的InxGa1-xN本征晶体薄膜。在该设备下继续制备P型的硅薄膜材料,由于其特性是P型掺杂,所以反应源中加入了H2稀释的B2H6。H2稀释B2H6与Ar稀释的SiH4同时通入混合反应室,其流量为H2稀释PH3是6 sccm;与Ar稀释的SiH4是8 sccm。另外一个反应源是H2流量为25 sccm。在加热温度250 ℃、300 ℃和350 ℃这3种不同的加热腔体条件下,制备80 min,沉积出P型的硅薄膜,此时微波功率仍为650 W。在该设备条件下继续制备Ga掺杂的ZnO基透明导电薄膜。把反应基片从磁控溅射取出,放入实验条件已经调试完毕的ECR-PEMOCVD系统,三甲基镓与二乙基锌的流量比为1∶2,基片温度加热到400 ℃后调节微波功率到650 W,然后通入氧气,在20 min的条件下反应制备该透明导电薄膜GZO。最后一步是制备Al电极,需要把上述制备结束的薄膜样品由ECR-PEMOCVD系统拿出,放入磁控溅射系统来完成最后一步实验。此时靶材是纯度为99.99%金属Al,基片温度为150 ℃,其制备时间改为10 min,制备得到Al电极。实验结束后待设备温度慢慢降下来,得到高质量的薄膜样品。

研究论文采用 RENISHAW in Via Raman Microscope光谱仪测试沉积薄膜样品的Raman光谱,激光光源为632.8 nm的Ne-He激光器,激光功率为35 mW,分辨率为2 μm。XPS采用的是美国Thermo VG公司生产的型号为ESCALAB250的多功能表面分析系统。X射线源为Al靶Kα(1 486.6 eV)线。本实验所采用的原子力显微镜(AFM)产于Agilent公司。薄膜的测试范围为2 μm×2 μm。Picoscan 2 500是该设备的型号。

2 实验结果与分析

2.1 InxGa1-xN薄膜的AFM分析

图1 柔性薄膜太阳能电池的制备结构图

本实验制备新型量子阱PI柔性基片的薄膜太阳能电池的结构图如图1所示。图2为本发明柔性薄膜太阳能电池的制备流程图。采用原子力显微镜(AFM)对本征层可调带隙InxGa1-xN薄膜的形貌进行了测试分析,此时制备温度在200 ℃。图3为可调带隙InxGa1-xN薄膜样品的AFM图像。由下图可以看出,沉积制备的可调带隙InxGa1-xN薄膜样品,晶界清晰可见,晶粒达到纳米级别,且晶粒分布均匀,表明该条件下的样品薄膜形貌较好,而且该薄膜的带隙全面覆盖了可见光的区域范围,不会出现大量的反射光,更多的太阳能进入该本征层薄膜,几乎没有光可以反射折射出该可调带隙薄膜。理论上一定会进一步的提高该薄膜太阳能电池的转化效率,而且该薄膜样品没有明显缺陷出现,说明薄膜质量较优异,为硼掺杂P型氢化nc-Si薄膜打下了良好的基础。为了表征其平整度特性,对薄膜样品进行了进一步测试,测试分析表明,其薄膜样品表面平整度在纳米级别,结果说明薄膜样品具有较好的形貌,较高的平整度。

图2 柔性薄膜太阳能电池的制备流程图

图3 InxGa1-xN量子阱本征晶体薄膜的原子力显微镜图

2.2 硼掺杂P型Si薄膜的AFM分析

图4 硼掺杂Si薄膜的原子力显微镜图

采用原子力显微镜(AFM)对硼掺杂P型Si薄膜的形貌进行了测试分析,此时制备温度在300 ℃。图4为硼掺杂P型氢化nc-Si薄膜样品的AFM图像。由下图可以看出,沉积制备的硼掺杂P型氢化nc-Si薄膜样品,晶界清晰可见,晶粒达到纳米级别,且晶粒分布均匀,没有明显缺陷出现,说明薄膜质量较优异,为透明导电极GZO薄膜的制备打下了良好的基础。为了表征其平整度特性,对薄膜样品进行了进一步测试。测试分析表明,其薄膜样品表面平整度在纳米级别,结果说明薄膜样品具有较好的形貌,较高的平整度。表明硼掺杂P型氢化nc-Si薄膜样品质量较优异。

2.3 硼掺杂P型Si薄膜XPS分析

图5 硼掺杂Si薄膜XPS全谱

实验结束后采用XPS分析设备对B掺杂P型Si薄膜的成分进行了测试分析,其结果如图5所示。由图5可以看出该制备条件下的B掺杂P型Si薄膜结晶质量较优异,其Si2p键和Si2s键择优明显,只有少量的N1s键和O1s键出现。说明采用等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统在较低的300 ℃时制备的薄膜样品,由于温度低,其杂质含量明显较低了很多,表明在传统高温的制备方法下,引入了大量的杂质缺陷,但是在较低的制备温度下,反应源硅烷没有充分得到反应,遗留了一些残余的杂质。实验结果表明,该条件下制备的B掺杂P型Si薄膜质量较好,结晶性能较优异,可以为下一步制备透明导电极GZO薄膜,制备高效率的薄膜太阳能电池打下了良好的基础。

2.4 硼掺杂P型Si薄膜Raman分析

图6 硼掺杂Si薄膜的Raman谱线

为了更进一步分析其反应制备的B掺杂P型Si薄膜的材料性能,研究对该薄膜样品进行了Raman图谱分析。测试结果如图6,由该图可以看出该制备条件下的B掺杂P型Si薄膜结晶质量较好。只有择优的Si峰出现,没有明显的杂质峰出现。结果表明采用低温等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统在较低的温度下制备的薄膜样品,杂质缺陷较少,Si材料择优取向明显。实验结果表明,该条件下制备的B掺杂P型Si薄膜质量较好,结晶性能较优异。其实验结果与XPS分析结果相同。

3 结 论

本研究论文采用可调带隙以及具有量子阱结构InxGa1-xN晶体薄膜作为Ⅰ层,该薄膜带隙可以覆盖可见光的全部区域,使更多的可见光全部吸收来转化为太阳能发电,可以有效提高薄膜太阳能电池转换效率,又采用GZO透明薄膜作为缓冲层和透明导电电极,增加了薄膜太阳能电池的透光率,同时提高了透明电极的耐腐蚀性能,使得薄膜太阳能电池的光电转换效率得到了很大的提高。采用AlN作为绝缘层,其晶格失配率相差很小,可以制备出质量均匀的Al背电极。该柔性电池具有优异的柔软性,重量轻,携带方便,具有潜在的市场空间,而且制备工艺简单,可实现规模生产。

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Study of flexible substrate thin film solar cell with the adjustable band gap intrinsic layer and quantum well structure

ZHANGDong,WANGCunxu,WANGXiaowen,WANGJian,ZHAOYan,SONGShiwei,LIYucai,WANGGang,DUShipeng,SIHongdai,XUJian,WANGBaoshi,DINGYanbo,WANGHan,GUORui,LIULiying,WANGShuaijie,GAOWei,KEYunjie,XIEfang

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

The study were using the new material as the intrinsic layer, this method is the excellent solution to the problem of thin film material of the light attenuation, which ensure the power generation efficiency of thin film solar cells. The next process is that we use the ECR-PEMOCVD system to deposit the variable bandgap intrinsic layer InxGa1-xN quantum well crystal thin film under the condition of hydrogen atmosphere to carry trimethyl gallium (TMGa), trimethyl indium (TMIn) and nitrogen in the ECR-PEMOCVD system. The study uses an adjustable band gap and the quantum well structure InxGa1-xN as the intrinsic layer, which can improve the conversion efficiency of thin-film solar cells. The GZO transparent film was used as both the buffer layer and the transparent conductive electrode, which can not only increase the transmittance of the thin film solar cell, but also improve the corrosion resistance of the transparent electrodes, so that the photoelectric conversion efficiency of thin film solar cells has been greatly improved. In this study, we used AlN as the insulating layer, the lattice mismatch ratio is small between the AlN and Al, the Al back electrode are uniform with the high quality under this condition. The flexible battery is of excellent flexibility, light weight, easy to carry, which can possess the potential market space. And the simple preparation process to enable mass production.

variable bandgap quantum well; thin film solar cells; flexible substrate

2015-12-02。

教育部重点实验室项目(LABKF1406); 辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015377,L2014516)。

张 东(1985-),男,辽宁海城人,沈阳工程学院讲师,博士。

1673-5862(2016)01-0001-05

TN304.55

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.001