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低成本衬底上快热CVD法制备晶体硅薄膜电池


增刊
2003年4月









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Apr,2003

文章编号

:02s4 I)096(2003)增刊一0031 04

低成本衬底上快热CvD法制备晶体硅薄膜电池
梁宗存1一,沈 辉1一,胡芸菲1,许宁生2


(1中国科学院广州能源研究所,广州510070;2中山大学物理系,广卅I

L0275)

摘要:以RTcⅥ)方法在低成本村底一一颗粒硅带(ssP)上制备了外延晶体硅薄膜电池。在20×20砌n2上得到的最
高转换效率为7 4%,,F路电压488mv,短路电流21.91mA/a评,填充因子0 697。外延晶体硅薄膜电池暗特性表明: 品体硅薄膜电池具有较高的饱和暗电流f02和片并联阻R一外部量子效率(EQE)和内部量子效率(IQE)表明载流子收 集率在长渡方向比较低,鼍子效率最大值的波长范围大约在500nm。 关键词:晶体硅薄膜电池;颗粒硅带;决热化学气相沉积;沉积;衬底 中国分类号:’l、K514 文献标识码:A

0前言
目前占据光伏市场主导地位的是晶体硅电池

池的厚度,可以大大降低硅材料的消耗,而且可快速 大面积沉积薄膜甚至至组件面积。而硅元素丰富, 无毒,电池工艺成熟,具有较高的转换效率等特点。 除此以外,薄膜电池的特点还表现为:由长波光子产 生的载流子在薄膜电池中较容易在复合前收集到, 从而增大短路电流;另外,如果忽略表面复合,由于 薄膜电池中体复合远远小于晶体硅电池的复合,从 而降低了饱和暗电流,因此薄膜电池可以具有较高 的开路电压和填充因子,从而具有较高的电池转换 效率。但晶体硅薄膜电池存在着一个问题:与其它 薄膜电池材料不同,硅是非直接带隙半导体,为了最 大限度地吸收和转换太阳光谱,通常需要较厚的活 性层。这样就需要薄膜电池工艺采取有效的限光措 施以弥补硅片厚度减薄后所造成的光谱损失和快速 的沉积技术。因此,只有薄膜电池衬底成本和薄膜 沉积技术成本低于体硅成本时,它才能在经济上是 可行的,国外还没有建立起人们所接受的适合的衬 底和沉积技术。目前在高温下晶体硅薄膜沉积主要 有两种基本方法:液相外延法(IPE)11。2 3和化学气 相沉积法(CVD)【3。4 J。由于快热化学气相沉积

一~单晶硅电池和多晶硅电池,两者各自占据着约
43%和39%的光伏市场。在晶体硅电池组件中硅 片材料占据总成本的50%左右,晶体硅电池所用硅 片是南拉制或浇铸的硅锭切割而成,因此,硅材料成 本包括了原始硅材料、晶化过程和硅片切割等。由 于晶硅电池制备技术已经比较成熟,所以要大幅降 低成本必须从材料人手。因此,对于晶体硅电池要 想进一步降低成本的关健因素是减少所用硅片的厚 度,从而降低硅材料的消耗。模拟表明,硅片的厚度

 

最低日f以降至10~30肿,但由于此时薄膜厚度不
能再自我支撑,需要适合的衬底来支撑薄膜,薄膜可 以通过不同的方法沉积到衬底上。这样通过将硅薄 膜直接沉积到合适的低成本衬底上,不仅可以降低 硅材料的消耗还可避免了晶化和切割等成本以及硅 材料的损失。由此制作的晶体硅薄膜电池被看作是 光伏第二代,被认为是最有可能取代常规的体硅电 池,在近十几年来引起人们极大兴趣并得到广泛的 研究。 晶体硅薄膜电池之所以得到普遍的重视是由于 它将晶体硅电池工艺优点和薄膜电池的优势有机的 结合起来。由于薄膜厚度只有大约1/10晶体硅电

(RTCⅧ)具有薄膜沉积速度快,可大面积沉积薄膜
及较容易得到较大颗粒的薄膜而得到普遍采用。 本文采用RTCvD法在低成本衬底颗粒硅带

收稿日期:2002—08.20 基金项目:中国科学院“自J人计划”资助项目(99一叭9.422288);国家 “863”计划(2001A蚯13060);德国空间与航天部(DLR)资 助项目。

万方数据











2003年

(SSP)上制备了晶体硅薄膜电池。sSP颗粒硅带晶 化技术是近来发展起来的一种制备低成本衬底的方

小范围内(400pm)颗粒硅带表面轮廓测量结果。从 图中可看出,颗粒硅带表面并不十分甲整,其TIlt 值(最高峰和最低峰间值)为6f一,平均粗糙度为 I 2衄1。制备的颗粒硅带完全可以作为衬底满足随 后的薄膜沉积及电池工艺流程。


法,其制备原理图可参见其它文献批7。本文只对
制备的颗粒硅带的表面轮廓进行了分析,通过在低 成本的ssI,衬底上外延牛长多品硅薄膜,并以此制 备了晶体硅薄膜电池。对晶体硅薄膜电池的光特性 和暗特性及电性能和光谱响应特性进行了分析和丧
征.

2晶硅薄膜电池掺杂浓度分析 硅外延层的掺杂浓度对于薄膜电池来讲是十分

重要的,通过扩展电阻法在一具有抛光斜面的样品


1.1

实验方法
ssp颗粒硅带的晶化制备㈦7] 以硅粉为原料,采_【}j ssP晶化生长技术制备了

上测量了电池的掺杂浓度。其掺杂浓发示意同如图 2所示。

重掺杂的颗粒硅带衬底:


‘r、。、、




2晶体硅薄膜外延生长 以siHcl3(1x暑)为源气体、岛卜16为掺杂气体,

.髓

在H,还原下进行硅薄膜的外延生长。外延薄膜沉 积温度控制1170℃,薄膜沉积速率为3~4”m/min。 1.3电池制备工艺 在低成本SsP颗粒硅带衬底上制备晶体硅薄 膜电池的工艺流程为:sSP一村底表面预处理一   RTCⅥj法生长品体硅薄膜(背场BSF和活性层)一 腐蚀和清洗一扩散制结(POcb)一去磷硅玻璃一蒸



,,、~。——√



用2晶体硅薄膜电池中硅外延层 载流子浓度剖画图
Hg

发制作上电极1i/Pd忙背面Al电极制作斗烧结
一RPHP钝化一双层减反膜制备(Ti()2/MgF2)。


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SSP s山H【ra悖

4电池性能测试和表征 阻舢p}la_st印200对颗粒硅带的表面轮廓进行

图2表明沉积在SSP颗粒硅带E的外延薄膜

的B掺杂浓度大约在1×1016at/c一数量级,该掺杂
浓度相应于1ncm的电阻率。同时从图中还可看 出,高掺杂衬底的掺杂浓度大约在1 x 10”at/cr0数 量级。在外延活性层和衬底之间有5微米厚的过渡 区,该过渡区的掺杂浓度变化很大,从l×10” at/cm3到1×1019at/cm3,此区在衬底和外延层界面 形成一个背表面场(BSF)。 2.3电池结果和光、暗特性分析 在上述工艺流程下,在4cnl2的面积上制备的晶 体硅薄膜电池光、暗特性结果如表l所示。从表中 晶体硅薄膜光特性性能参数可以看出,最好性能电

了测量;以扩展电阻法利用NanosRP设备测量了掺 杂浓度;标准电池性能测试由p、raunhofer ISE测试 及校对实验室完成。

2实验结果和讨论
2.1

ssP颗粒硅带表面轮廓分析

池的转换效率为7.4%,开路电压488.0mv,短路电

流21.91r以/cm2,填充因子O.697。
在电池的暗特性参数中,上述‰是在电池双二
图l F谴1

ssP颗粒硅带表面轮廓

Su“ace pr。nlc 0fthe

SSP^‰

极管模型中基区和发射区的饱和暗电流密度,j02则 是描述的空问电荷区域的饱和暗电流密度。R。是 串联电阻,主要是由金属化和电池设计引起的,在高

图1是测量的颗粒硅带表面轮廓,该图是在较

万方数据

增刊

梁宗存等:低成本村底圭堡塑!!兰翌苎曼堡堡坚堕苎兰



电流密度下将导致欧姆损失从而降低短路电流槲度 ,。。R。是电池并联电阻,主要描述的是金属化、漏

触良好,颗粒硅带表面的粗糙度不会影响到电极的 金属化。但是,薄膜电池的并联电阻(尺r)‘j常规的

电电流及晶{奉缺陷所引起的发射极和基区的短路电体硅电池相比相当低,所有样品的R。值大约在 103fkn、2数量级。低片阻将严重影响着薄膜电池的 流情况.:从表l可以看出,样品的串联电阻大约在 o.2n。,f左右,浚串联电阻对晶体硅薄膜电池来讲 是相当好的。这也表明r金属电极与晶体硅薄膜接
表l
1乙ble l

性能,这么低的并联电阻可能是由晶界的复合所引 起的。
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SsP substmt∞

晶体硅薄膜电池的光、暗特性参数

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SSPl SSP2 SSP3

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除此以外,电池的饱和暗电流也相当高,尤其是 k。高的』。2表明在晶体硅薄膜电池空间电荷区发 生了较高的载流子复合行为。所有样品的暗特性曲 线都比较相似,图3是表1中前3个晶体硅薄膜电 池的暗特性曲线。

离pn结。随着载流子产生深度的增加,少数载流了 的复合机率增大,从而所产生的少数载流子不容易 被收集,因此,收集率随波长增加而降低一

 





波长mm

图4最好性能的电池光谱响麻
Fig 4

S11ectrd

response。fthe best csiTF s。Iar ceU

划3
F缸3

ssP村底上品硅薄膜电池暗特性Lv曲线
Ihrk J-V curv峭。f s。Trle CSiTF solar celjs

3结论
采用RTCvD法在低成本衬底ssP颗粒硅带上 制备晶体硅薄膜电池,对ssP表面形貌及晶硅薄膜 电池中外延层的掺杂浓度进行分析和表征。在低成 本村底上最好的晶体硅薄膜电池转化效率已达到r 7.4%,开路电压488mV。电池光、暗特性参数表明 SSP完全适合作为晶体硅薄膜电池的衬底,薄膜电 池具有较高的,02和R。,此两者是影响晶体硅薄膜 电池性能的主要因素。光谱响应也说明了载流子收 集率在跃渡方向比较低,量子效率最大值大约在 500nm左有。进一步的晶硅薄膜电池性能的影响 因素及结构将另作探讨。

从网3中也可看出,所有样晶的暗特性曲线都 相似,即都具有高的饱和暗电流密度。 2.4光谱响应 最好性能的电池光谱响应特性如图4所示。图 中曲线包括外部量子效率(EQF)和内部量子效率 (IQE)及反射曲线。 从图4 LfI可以看出,最大量子效率包括EQE、 IQE都在500nm处,从波长500nm开始,EQE和 IQE都随着波长的增加而减小。这主要是由于随着 波长的增加,由长波产生的少数载流子的有效扩散 长度减小而与此同时艮波所产生载流子位置又较远

万方数据

— — — 一— — — — —一— — — — — — — — — — — — — 一
34











2I】03年

致谢:作者感谢德国Fraunhofer IsE提供的参与合作研

1283.

究的机会.感谢Dr.sR÷ber.DrA Hu—e在实验工作中所 提供的帮助。

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Therrllal chernical vapor 697.The dark characteristics of the solar cells show that the crystaIline smcon thjn film solar cells havc high

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j02 and R。.The extemal qualltum efflciency(EQE)and intend lection emciency。f miI】ority is relatively low lar cell8 is around
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quant啪efflciency(1QE)show

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long wavelength,the maximuIn of quantum efficiency

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500m,
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ceils;silicon sheets frum

Keywords:crystalline silic。n substrate

powder;RHⅣD;dDeposition;low

c。st

联系人E-瑚il:Liangzc@rns.giec.ac.cn

万方数据

低成本衬底上快热CVD法制备晶体硅薄膜电池
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 梁宗存, 沈辉, 胡芸菲, 许宁生 梁宗存,沈辉(中国科学院广州能源研究所,广州,510070;中山大学物理系,广州510275), 胡 芸菲(中国科学院广州能源研究所,广州,510070), 许宁生(中山大学物理系,广州510275) 太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 2003(z1)

参考文献(7条) 1.Shen H;Ai B;Liang Z C Low cost poly-Si thin filmsolar cell prepared by SSP and RTCVD technology 2001 2.Zimmermann W;Bau S;Haas F Silicon sheets from powder as low cost substrates for crystalline silicon thin solar cells 1998 3.梁宗存;许颖;沈辉 颗粒硅带多晶硅薄膜太阳电池的研制[期刊论文]-太阳能学报 2002(01) 4.Vermeulen T;Poortmans J;Caymax M Applica tion of industrial processing technique to thin-film crys talline silicon solar cells on highly doped defected silicon substrate 1998 5.Faller C;Henninger V;Hurrle A Optimization of the CVD process for low-cost crystalline silicon thin-film solar cells 1998 6.Konuma M;Czech E;Silier I Liquid phase epitaxy centrifuge for 100 mm diameter Si substrate[外文期 刊] 1993 7.Wemer J H;Kolodinski C;Eau U Silicon solar cell of 16.8μm thinkness and 14.7% efficiency[外文期刊 ] 1993

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tynxb2003z1009.aspx


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