高壓沉積非晶硅鍺薄膜及在太陽電池上的應用.pdf

1、制備多結疊層電池是提高硅基薄膜電池穩(wěn)定效率的重要手段。非晶硅鍺材料由于帶隙可調，宜作為疊層電池子電池的本征層。本文以硅烷和鍺烷為反應源氣體，采用RF-PECVD，在高壓條件下對非晶硅鍺材料的工藝優(yōu)化進行研究。旨在提高沉積速率，降低氣源成本的基礎上，獲得滿足三結疊層電池要求的非晶硅鍺中間子電池。主要內容研究內容包括：
　　 ⑴低壓低速條件下非晶硅鍺薄膜性能的優(yōu)化。在低壓條件下研究了具體工藝參數對非晶硅鍺薄膜性能的影響。通過鍺烷濃度

2、和輝光功率的調整，可以調控薄膜中的鍺含量；通過氫稀釋率的調整，可以使非晶硅鍺薄膜中的硅、鍺組分趨于均勻、微結構趨于有序，達到優(yōu)化薄膜光電性能的目的。通過以上工藝優(yōu)化，在沉積速率為0.8-1A/s的條件下，獲得鍺含量為40％，光敏性大于2×105，光學帶隙為1.58eV的非晶硅鍺材料。低壓低速條件下沉積非晶硅鍺薄膜具備較寬松的工藝窗口，可以在較大的工藝范圍內獲得高性能材料。
　　 ⑵高壓條件下非晶硅鍺材料性能的優(yōu)化。在低壓低速條件

3、下獲得高性能非晶硅鍺材料的基礎上，通過大幅度提高反應氣壓及適當提高功率，使薄膜沉積速率提高三倍以上。通過對比高、低壓條件下制備材料的電學和結構特性，進一步分析了鍺含量、功率密度、反應氣壓、氫稀釋率、滯留時間等因素對高壓沉積非晶硅鍺薄膜的影響。提出高壓沉積非晶硅鍺薄膜宜采用如下工藝優(yōu)化路線：(a)匹配鍺含量與輝光功率，鍺元素有降低帶隙的作用，若保證薄膜一定的鍺含量，功率不宜過高；(b)匹配反應壓力和輝光功率，降低由于功率過大或不足引起的離

4、子轟擊和生成高聚物對薄膜的影響；(c)提高氫稀釋，優(yōu)化微結構和鍵合方式，提高電學性能。(d)優(yōu)化氣體總流量，尋找合適的氣體滯留時間，降低薄膜氫含量，配合鍺元素達到降低帶隙的目的。最終采用高壓沉積條件，獲得鍺含量為30％、光學帶隙為1.62eV的非晶硅鍺材料，材料光敏性性優(yōu)于105。此條件下沉積速率在3.5-4A/s，達到高壓沉積的目的。但高壓條件下沉積的材料受鍺含量，功率，壓力等因素的限制，沉積窗口較窄。
　　 ⑶單結非晶硅鍺電

5、池性能的優(yōu)化。將優(yōu)化的本征非晶硅鍺材料用于單結非晶硅鍺電池。重點對其界面優(yōu)化進行研究，包括對p/i界面處buffer層的優(yōu)化和本征層內靠近摻雜層處的緩沖層的優(yōu)化。首先，為了降低p型窗口層與本征非晶硅鍺層帶隙不匹配的影響，在p/i界面處制備了不同類型、不同厚度的緩沖層，當采用30nm的硼、碳漸變的緩沖層時具備較好的效果。第二，為了降低界面附近的缺陷態(tài)密度，在p/i界面處用a-Si緩沖層代替a-SiGe層，并調節(jié)優(yōu)化a-Si層的厚度；在靠近

6、p/i界面的部分，嘗試了不同氫稀釋率、不同進氣方式的a-Si層和a-SiGe層對電池性能的影響，得到a-Si層、a-SiGe層氫稀釋率相似時對電池最優(yōu)，逐漸增大鍺烷濃度為較好的進氣方式。i/n界面處采用厚度較大的a-Si緩沖層，獲得了U型帶隙的本征層，同時增加了高鍺含量的本征層厚度，保持了電池的長波響應。進一步采用ZnO/Ag復合背電極代替鋁電極，提高長波響應。應用上述優(yōu)化電池工藝，在本征層鍺含量為40％時，獲得效率為8.01％的單結非

7、晶硅鍺電池，其中Voc=0.754V、Jsc=17.6mA/cm2、FF=0.604，800nm處的響應為17％。
　　 ⑷非晶硅鍺疊層電池性能的優(yōu)化。通過優(yōu)化頂電池性能，調整本征層厚度實現頂底電池電流匹配，子電池之間引入隧穿結等手段，制備a-Si/a-SiGe疊層電池，效率為9.88％，其中Voc=1.56V、Jsc=8.8mA/cm2、FF=0.72。綜上所述，本文采用高壓結合RF-PECVD的方法，初步實現了非晶硅鍺薄膜沉