可高效利用太陽(yáng)光譜的ZnO透明導(dǎo)電薄膜研究.pdf

1、摻雜ZnO透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜以電阻率低、可見光透過(guò)率高、成本低、無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)電池、平板顯示等器件。在硅(Si)基薄膜太陽(yáng)電池中，采用濺射后腐蝕方法制備的Al摻雜ZnO(AZO)薄膜已經(jīng)成為Si基薄膜太陽(yáng)電池重要的TCO材料之一。然而，通常所用的AZO薄膜存在長(zhǎng)波透過(guò)率低、腐蝕后“彈坑”狀絨面結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)波光散射特性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重地制約了其在寬光譜高效Si基薄膜太陽(yáng)電池中的應(yīng)用。制備可高效利用太陽(yáng)光譜的ZnO-TCO薄

2、膜的關(guān)鍵在于提升Si基薄膜太陽(yáng)電池的長(zhǎng)波響應(yīng)，以與太陽(yáng)光的寬光譜匹配，才對(duì)提高電池的轉(zhuǎn)換效率具有重要的意義。當(dāng)前影響TCO長(zhǎng)波響應(yīng)的因素在于追求提高薄膜電導(dǎo)，而忽視了因高自由載流子濃度導(dǎo)致的長(zhǎng)波波段吸收增加、使透過(guò)率下降。若以提高遷移率為目標(biāo)，在維持電導(dǎo)不變的前提下降低載流子的濃度，就能提高該TCO薄膜長(zhǎng)波透過(guò)率。
　　基于此，本文利用高價(jià)態(tài)元素?fù)诫s（每個(gè)原子可提供多個(gè)自由載流子），在維持高電導(dǎo)前提下，由于可減少摻雜量、降低了雜質(zhì)

3、散射、提高載流子遷移率，有利于延展ZnO薄膜長(zhǎng)波透過(guò)率，以實(shí)現(xiàn)TCO的寬光譜透過(guò)特性;利用復(fù)合特征尺寸陷光結(jié)構(gòu)的選擇，分別實(shí)現(xiàn)提升不同光波段的散射特性的原理，從以上兩個(gè)方面對(duì)可高效利用太陽(yáng)光譜的ZnO-TCO薄膜進(jìn)行研究，具體研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新工作如下:
　　第一，利用基于密度泛函理論的Castep軟件和磁控濺射技術(shù)，采用第一性原理和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)高價(jià)態(tài)的W摻雜ZnO(WZO)進(jìn)行研究。從模擬方面對(duì)WZO薄膜的光電特性進(jìn)行預(yù)測(cè);實(shí)驗(yàn)方

4、面，系統(tǒng)地研究了沉積參數(shù)對(duì)制備的WZO薄膜的光電特性及腐蝕后的形貌等特性的影響。通過(guò)優(yōu)化濺射工藝，取得的結(jié)果如下:①實(shí)現(xiàn)了摻W的ZnO薄膜確實(shí)在長(zhǎng)波具有良好的透過(guò)響應(yīng)，以空氣為參比，在400-1800nm波段其平均透過(guò)率高于85％（襯底溫度＞200℃）;②借鑒ZnO薄膜中微量H的介入能提高薄膜的結(jié)晶性能，采用W、H共摻方式制備HWZO薄膜并進(jìn)行優(yōu)化，在室溫下獲得了電阻率8.33×10-4Ω·cm、載流子遷移率40.8 cm2/Vs，以空

5、氣為參比，400-1800nm平均透過(guò)率高于80％的HWZO薄膜，這為柔性襯底太陽(yáng)電池的應(yīng)用研究提供實(shí)用化的技術(shù)基礎(chǔ);③通過(guò)優(yōu)化影響濺射薄膜質(zhì)量的沉積參數(shù)（濺射氣壓和濺射功率），結(jié)合濺射后腐蝕工藝，在室溫條件下獲得了以濺射法難于得到的、有良好陷光特性的HWZO薄膜。用作μc-Si∶H電池的前電極，其量子效率高于參比用FTO/AZO的薄膜。良好的光電特性和光學(xué)散射特性表明:WZO薄膜具有作為高效寬光譜Si基薄膜疊層太陽(yáng)電池用ZnO薄膜的潛

6、力。
　　第二，對(duì)Mo摻雜ZnO(MZO)薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。①模擬結(jié)果表明:Mo摻入ZnO后，MZO薄膜表現(xiàn)出具有寬光譜透過(guò)、且呈n型導(dǎo)電特性。通過(guò)優(yōu)化制備的沉積參數(shù)，獲得了以空氣為參比，在400-1100nm波段平均透過(guò)率高于75％，電學(xué)特性(7.68×10-4Ω·cm)優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的MZO薄膜。②引入H2共濺射方式，MZO薄膜的光、電學(xué)特性進(jìn)一步提升，電阻率減小到4.71×10-4Ω·cm，400-1100nm的

7、平均透過(guò)率提高到80％以上。③優(yōu)化后HMZO薄膜和MZO薄膜分別作為前電極應(yīng)用于μc-Si∶H電池和μc-SiGe∶H電池，均取得了優(yōu)于參比用FTO/AZO薄膜和工業(yè)AZO薄膜作電極的轉(zhuǎn)換效率。
　　第三，基于復(fù)合特性尺寸陷光結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)改善不同波段光散射特性的思想，制備了對(duì)長(zhǎng)波光散射特性高的AZO和AZO/HAZO、AZO/ZnO薄膜。①制備的復(fù)合特征尺寸的AZO薄膜較傳統(tǒng)濺射后腐蝕AZO薄膜無(wú)論在電學(xué)特性、400-1100nm

8、光散射特性還是在μc-Si∶H電池應(yīng)用的轉(zhuǎn)換效率等方面均優(yōu)于后者。550 nm、800 nm和1100 nm的Haze值分別由傳統(tǒng)濺射后腐蝕AZO薄膜的42.69％、18.82％和3.07％提高到89.91％、70.53％和17.63％，分別提高了94.2％，274.76％和468.71％;制備了短路電流密度(Jsc)提高9.05％和電池效率提高14.64％的μc-Si∶H電池。②進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件之后，制備的復(fù)合特征尺寸的AZO薄膜對(duì)