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新型硅基SINP异质面蓝紫光电池及SIS异质结光电器件的研究

何波  
【摘要】: 为了不增加电池制造工艺的复杂性,同时又能有效地提高硅光电池在蓝紫光波段(400~600nm)的量子效率。根据半导体能带工程,我们独创性地设计并采用工艺优化的射频磁控溅射ITO减反射/收集电极膜且结合热扩散磷形成浅结、低温热氧化生长超薄SiO2层技术,在p型晶硅衬底上成功制备了高量子效率的蓝紫光增强型SINP异质面光电池(SINP是semiconductor/insulator/np结构的缩写)。另一方面,根据优化的直流磁控溅射、直流反应磁控溅射AZO薄膜工艺条件,并用低温热氧化生长超薄SiO2层在p型晶硅衬底上成功制备了新型SIS异质结光电器件(SIS是semiconductor/insulator/semiconductor结构的缩写)。通过X-光衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光透射谱(UV-VIS),以及霍尔效应(Hall effect)测量方法,表征了射频磁控溅射ITO薄膜;直流磁控溅射、直流反应磁控溅射AZO薄膜的微结构、光学与电学特性。系统地研究了基片温度对ITO、AZO薄膜微结构、形貌、电学、光学性能的影响及机制。我们对制备得到的SINP硅光电池及SIS异质结器件I-V、C-V及光谱响应特性进行了详细地测试、分析与探讨,获得了以下主要结果: 1.磁控溅射沉积的ITO薄膜结晶度高,并且具有较高的紫外—可见光透过率及优异的电学性能。系统研究了基片温度对射频磁控溅射ITO薄膜微结构、电学及光学性能的影响及机制。结果表明,当基片温度为480℃时,ITO薄膜性能最好,电阻率为9.42×10-5Ω·cm,载流子浓度高达3.461×1021/cm3,霍尔迁移率为19.1 cm2/V·s。ITO薄膜在可见光区域具有高的透射率,在95%以上。ITO薄膜为多晶晶体薄膜,具有高度(222)择优取向,结晶质量好。ITO薄膜在晶硅衬底上具有良好的钝化和减反射效果,尤其是在300~500nm紫外至蓝光区域。 2.用X射线光电子能谱(XPS)对500℃不同氧化时间的超薄氧化硅层及SINP结构光电池样品成分、化学态进行分析。表明表面层中存在非化学态成分。 3. SINP蓝紫光电池具有优异的整流特性及暗电流机制。室温下±1V时,SINP蓝紫光电池整流比为324.7,二极管理想因子n=1.84,AM1.5 100 mW/cm2光照下,光电转换效率η=12.26%。由于在SINP结构中,光电流可以通过高结晶度、高载流子迁移率的ITO薄膜横向输运,避免了高磷浓度n发射区中横向输运的复合,降低了发射区横向电阻影响引起的功率损耗,新型SINP蓝紫光电池短路电流密度高达JSC=38.7 mA/cm2,显示出良好的光伏特性。在500nm波长,蓝紫光增强型SINP光电池外量子效率及响应率高达70%及285 mA/W;在800nm波长,峰值响应率为487 mA/W。最近研制的采用60Ω/□n+—型发射极的浅结SINP光电池进一步提高短波光谱响应,蓝紫光灵敏度极高。器件光谱响应拟和计算结果表明,新型SINP蓝紫光电池的高量子效率得益于浅结,以及高导电率和对蓝紫光具有良好减反射效果的ITO薄膜的应用与结合。具有高蓝紫光以及其它可见光波段的光谱响应和光电转换的增强效果,是该器件的主要特征。其较高的短路电流密度,适合于发展成为新型结构的硅基太阳能电池。 4.以ZnO和Al2O3烧结的陶瓷靶,用直流磁控溅射工艺在玻璃基片上沉积出高质量的AZO薄膜,系统研究了不同基片温度对薄膜微结构、电学和光学性能的影响。当基片温度为480℃时,AZO薄膜性能最好,电阻率为3.483×10-3Ω·cm。AZO薄膜在可见光区域具有高的透射率,在90%左右。AZO薄膜为微晶晶体薄膜,具有高度(002)择优取向,结晶质量好。 5.以高纯度(99.99%)的锌铝合金(wt.98% Zn+wt.2%Al)靶,氩气和氧气为溅射工作气体,用直流反应磁控溅射工艺在玻璃基片上生长出高质量的AZO薄膜。系统研究了基片温度对直流反应磁控溅射AZO薄膜微结构、电学及光学性能的影响及机制。当基片温度为480℃时,AZO薄膜性能最好,电阻率为4.973×10-4Ω·cm,载流子浓度高达1.103×1021/cm3,霍尔迁移率为11.4 cm2/V·s。AZO薄膜在可见光区域具有高的透射率,在90%以上。AZO薄膜为六角纤锌矿结构的微晶晶体薄膜,具有高度(002)择优取向,结晶质量好。 6. SIS异质结器件良好的整流特性表明AZO和p—Si间形成高质量的异质结二极管,在反向偏压下获得明显的光电流。通过对几种磁控溅射方法制备AZO薄膜及SIS异质结器件光电性能的比较可知,由于直流反应磁控溅射高结晶度、高导电率的AZO薄膜作AZO/SiO2/p-Si SIS异质结结构器件的发射极和顶层大面积透明收集电极,大量的光生载流子可以轻易地流过直流反应磁控溅射AZO薄膜进入Cu金属电极而收集到,从而在反向偏压下直流反应磁控溅射AZO/SiO2/p-Si SIS异质结比直流磁控溅射AZO/SiO2/p-Si SIS异质结可获得更高的光电流。通过射频磁控溅射沉积一层高导电率的ITO透明电极薄膜在直流磁控溅射AZO/SiO2/p-Si SIS异质结结构上,将会使异质结光电性能得到很大改进。因为高导电率的ITO薄膜极大地改善了AZO/SiO2/p-Si SIS异质结顶层电流输运结构,可收集到更多的光生载流子,所以在反向偏压下显示了明显的光电转换特性,可获得最高的光电流。SIS异质结不仅具有一定的光生伏特效应,而且在反向偏压下显示出很高的光电流。可以成为低成本的太阳电池及性能优良的紫外—可见—近红外增强型广谱光电探测器。


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