第39卷第5期 人 工 晶 体 学 报V o.l 39 N o .5 2010年10月J OURNAL O F S YNTHET IC CRY STA LSO c tober ,2010柔性衬底微晶硅太阳电池量子效率的研究刘 成,周丽华,叶晓军,钱子勍,陈鸣波(上海空间电源研究所,上海200233)摘要:通过对微晶硅太阳电池量子效率的测量,结合微区拉曼光谱和电学特性测试,讨论了本征层的硅烷浓度和等离子体辉光功率对太阳电池量子效率的影响。
发现本征层硅烷浓度增加时,电池的长波响应变差,材料结构由微晶相演变成非晶相;等离子体辉光功率的增加造成了电池短波响应的变化。
同时发现测量微晶硅太阳电池时使用掩膜板所得短路电流密度与量子效率积分获得的短路电流密度相差不大。
将优化后的沉积参数应用于不锈钢柔性衬底的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,获得了9.28%(AM 0,1353W /m 2)和11.26%(AM 1.5,1000W /m 2)的光电转换效率。
关键词:太阳电池;量子效率;柔性衬底;微晶硅;非晶硅/微晶硅中图分类号:O484;TK 514文献标识码:A文章编号:1000 985X (2010)05 1161 05Study on Quantu m Effici enci es ofM icrocrystalli ne SiliconSolar Cells on Flexi ble SubstratesLI U Cheng,Z HOU L i hua,Y E X iao j u n,QI AN Z i qing,C HEN M i n g bo(Shanghai Institute of Space Po w er sou rces ,Shanghai200233,Ch i na)(R eceive d 22M arc h 2010,acce p t ed 21Jul y 2010)Abstract :W it h the m easure m ent o f quant u m efficienc ies ,Ra m an spectra and e lectrical characteristics ,theeffects of silane concentrations and p las m a d i s charge po w ers on quantum efficiencies of m i c rocrysta lline silicon solar ce lls had been discussed .It is found that the long w avelength responses o f so l a r cells decrease w hen silane concentrations i n crease ,and the shortw aveleng t h responses o f solar cells changesw hen plas m a discharge powers i n crease .It is also found that the short circu it current density are al m ost the sa m e bet w een m easured by ill u m i n ated J V w ith m asks and by quant u m effic iency .W ith the opti m ized deposition para m eters ,a m or phous silicon /m icr ocrystalli n e silicon tande m so lar ce lls on sta i n less steel flex i b le substratesw ith conversi o n efficiency of 9.28%(AM 0,1353W /m 2)and 11.26%(AM 1.5,1000W /m 2)w ere obta i n ed .K ey w ords :so lar cells ;quantu m efficienc ies ;flex i b le substrates ;m icr ocr ystalli n e silicon ;a morphoussilicon /m icrocr ystalli n e silicon收稿日期:2010 03 22;修订日期:2010 07 21基金项目:上海市博士后科研资助计划项目(08R21420200);上海市引进技术的吸收与创新计划项目(07X I 2 016) 作者简介:刘 成(1980 ),男,湖南省人,博士后。
E m ai :l thomas .li u cheng @g m ai.l com1 引 言量子效率(Quantum efficiency ,简称QE)的定义为:当太阳光照射到太阳电池上,在内建电场作用下产生的光生载流子数目与入射的光子数的比值。
它是一个小于1的无量纲的数。
量子效率分为内量子效率和外量子1162人工晶体学报 第39卷效率。
外量子效率计算的是光生载流子数目与所有照射到太阳电池上的光子数的比值,即未扣除太阳电池表面的反射损耗;内量子效率计算的是光生载流子的数目与入射进太阳电池内的光子数的比值,即已扣除太阳电池表面的反射损耗。
通常测量的都是外量子效率。
通过量子效率的测量结果不仅可以知道太阳电池的光谱响应分布,而且可以计算出太阳电池真实的光生电流值。
把通过量子效率测量得到的短路电流密度J SC与光照下的J V测量得到的J SC相比较,可以验证光照J V测量的准确性。
因此,国际上发表的太阳电池效率,都须有量子效率的测量数据为证[1 3]。
对于硅基薄膜太阳电池,改变电池结构中n、i、p、前后电极各层参数以及各界面参数都会对电池的性能造成影响。
通过对不同工艺参数下制备的太阳电池的量子效率曲线进行分析,可得出各层材料及界面的光学损耗情况。
若结合器件的电学特性,也能够分析各层材料及界面的电学损耗。
同时,与非晶硅( Si H)太阳电池相比,微晶硅( C S i H太阳电池对红光和近红外波段的光谱响应更加敏感,同时由于微晶硅材料中存在着大量的层错、孪晶和晶界,造成微晶硅太阳电池中存在着横向扩散电流,采用传统的光照J V测量难以获得准确的短路电流密度J SC值[4]。
因此对微晶硅太阳电池的量子效率测量结果进行分析很有必要,国内目前对这方面的报道不是很多。
本文基于不锈钢衬底(sta i n less stee,l简称SS)生长获得n i p型微晶硅太阳电池结构。
通过改变本征层的硅烷浓度(Sali n e Concentration,简称SC,定义为SH i4/(SH i4+H2))和等离子体辉光功率,制备了系列微晶硅太阳电池,分析了工艺参数的改变对微晶硅太阳电池量子效率的影响,并将由量子效率积分获得的短路电流密度与光照下J V测量值进行了对比。
在以上基础上研制了基于不锈钢柔性衬底的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,获得了较高的光电转换效率。
2 实 验采用线列式(i n line)五室连续等离子体增强化学气相沉积(PEC VD)系统在不锈钢柔性衬底上生长n i p 结构微晶硅太阳电池,制备样品时本底真空优于510-7Torr,衬底温度范围100~300!。
采用铟锡氧化物(I TO)作为前电极。
改变本征层硅烷浓度和等离子体辉光功率制备了三组太阳电池样品。
改变硅烷浓度的样品和其中一组改变等离子体功率的样品采用Ag/ZnO复合膜作为背电极,太阳电池结构为SS/Ag/ZnO/n c S i/i c Si/p c Si/I TO,面积为0.28c m2,其中本征层(i c S i)沉积时采用甚高频(70MH z)电源,掺杂层采用射频(13.56MH z)电源;另一组改变等离子体功率的样品的太阳电池结构为SS/n c Si/i c S i/p c S i/I T O,其他条件相同。
太阳电池本征层的晶化率X c由微区拉曼光谱(法国D ilor公司的LabR a m 1B型,激光波长632 n m)测试并利用高斯三峰分解拟合得到。
电池的光照I V特性使用Ke ithley2400源表并在美国Spectrolab spectrosun solar si m ulatorm odelX25M ar k II型标准太阳模拟器在A M0光谱,1353W/m2,25!下测试得到,为了更准确地获得短路电流密度值,测试太阳电池时使用掩膜板,仅由I T O前电极受光。
采用标定过的S i探测器为参考样品,通过量子效率(QE)测试仪得到太阳电池的光谱响应,叠层太阳电池中非晶硅子电池为加红色偏置光测试得到,微晶硅子电池为加蓝色偏置光测试得到。
3 结果与讨论3.1 硅烷浓度的影响图1为不同硅烷浓度的太阳电池量子效率曲线,从图1中可知,当其他条件不变,本征层硅烷浓度由7%增加到7.5%时,电池在600~1000nm波段的量子效率有所减小;当硅烷浓度进一步增加到8%时,电池在600nm 以上波段的量子效率进一步减小,800nm处即吸收截止。
在这个过程中,太阳电池本征层材料的晶化率减小,由微晶相向非晶相过渡,光谱吸收范围变窄。
表1为不同硅烷浓度的太阳电池量子效率,从表1中太阳电池的开路电压也能够得出相同的结论。
因此,硅基薄膜太阳电池本征层的晶相属性发生变化时,量子效率测试曲线主要在600~1000nm波段发生变化。
同时发现,三只样品从光照J V特性和量子效率所测得的短路电流密度相差百分比分别为2.8%、8.0%、0.4%。
第5期刘 成等:柔性衬底微晶硅太阳电池量子效率的研究1163表1 不同硅烷浓度的太阳电池量子效率(AM0)T ab l e 1 Q uantum effienc ies of the m i crocrystalli n e silicon solar ce lls w ith d ifferent SCs(A M 0)SC X c V OC /mV J SC /mA ∀c m -2fro m J V J SC /mA ∀c m 2fro m QE 7%0.34241022.4121.7837.5%0.33946623.0521.2068%A m orphous76616.8816.8103.2 等离子体辉光功率的影响拉曼晶化率的计算通过对拉曼光谱的高斯三峰分解从以下公式得到:X c =(I 520+I 510)/(I 520+I 510+I 480)(1)式中I 520、I 510、I 480分别为位于520c m -1、510c m -1和480c m -1的高斯峰的积分强度。