银基复合透明导电薄膜作为薄膜太阳能电池前电极的研究

陈 宇,曾祥斌,陈晓晓

（1.广东志成冠军集团有限公司,广东东莞,523718; 2.华中科技大学,湖北武汉,430074 3.华中科技大学,湖北武汉,430000）

银基复合透明导电薄膜作为薄膜太阳能电池前电极的研究

陈 宇1,曾祥斌2,陈晓晓3

（1.广东志成冠军集团有限公司,广东东莞,523718; 2.华中科技大学,湖北武汉,430074 3.华中科技大学,湖北武汉,430000）

提出采用超薄银薄膜和具有陷光结构的薄TCO薄膜组成的复合膜层作为薄膜太阳能电池前电极，有效利用了超薄银膜的高电导性、高透过性，并解决了单银膜无法制作陷光结构以及在产业化生产过程中存在的激光选择性刻划问题。实验采用直流磁控溅射法在9个不同厚度的SnO2:F薄膜导电玻璃上制备方阻为3/，透过率为89%，厚度为10-15nm的超薄银膜构成前电极，并采用相同的工艺制作成单节的非晶硅薄膜太阳能电池组件，结果表明，方阻为80/的SnO2:F薄膜与超薄银膜构成的前电极能获得最佳的非晶硅薄膜太阳能电池输出性能，相比于普通的非晶硅薄膜太阳能电池输出功率提升了4%。

超薄银薄膜；TCO薄膜；前电极；薄膜太阳能电池

0 引言

薄膜太阳能电池采用仅数百纳米厚度的薄膜材料实现光电转化，具有生产能耗低，弱光发电性能优良、高温发电性能优良等优点。其未来在光伏电站，BIPV（光伏建筑一体化）领域有着广阔的发展空间。

目前薄膜太阳能电池都采用明导电氧化物（TCO）薄膜作为电池前电极，如：氧化锌铝（ZnO：Al）[1]，掺氟氧化锡（SnO2：F）[2]，氧化铟锡（ITO）[3]，掺硼氧化锌（ZnO:B）[4]等。化合物结构的TCO薄膜的材料特性决定其导电性能有限，前电极电阻偏大，制约了薄膜太阳能电池性能的进一步提升。

本文采用透明导电的超薄银薄膜（厚度20nm以内）作为薄膜太阳能电池的前电极，其性能如表1所示。

但是，超薄银薄膜作为前电极很难制作陷光结构[7]。同时由于无法像TCO薄膜材料那样具备激光的选择性刻划特性，其无法避免被生产过程中的第二道和第三道激光光刻[8]刻穿，导致难以导入产业化生产。

因此本论文进一步采用超薄银薄膜与TCO薄膜组成的银基复合透明导电薄膜作为薄膜太阳能电池的前电极。如图1所示，由一层薄的（比直接用作薄膜太阳能电池前电极薄）绒面结构的TCO薄膜与沉积在其上的银薄膜构成前电极，由TCO薄膜层提供陷光结构。

表1 超薄银薄膜与TCO薄膜性能对比表[5][6]

图1 采用银基复合透明导电薄膜的薄膜太阳能电池结构

图2 薄膜太阳能电池的串联结构

由于TCO薄膜可避免在后续的激光光刻工艺中被刻穿，其也将充当激光光刻区的导电层。如图2所示。

1 实验

本文在本单位自有的3MW非晶硅薄膜太阳能电池中试生产线进行实验。镀膜面积为1250×640mm，主要分为以下两个实验：

实验一、高透光性，高电导性的超薄银薄膜的制备。本论文采用大面积连续磁控溅射镀膜设备直流溅射高纯度银靶材制备银薄膜。其基本工艺条件为：整个镀膜线保证始终达到<10-4Pa的本底真空度，因为银极易氧化，故对于镀膜时的真空度要求极高，要避免一切潜在的漏气、放气现象。直流溅射功率为4000-5000W，通入高纯Ar气作为溅射气体，压强在3～4Pa。在没有杂质污染的情况下，决定银薄膜的透光性和导电性能的主要因素是银薄膜的厚度。因此本实验制备了6片样片，每片样片采用不同的镀膜时间，以获取不同厚度的薄膜，并通过测试其方块电阻和透过率来确定最佳的超薄银薄膜厚度和工艺。

实验二、Ag/TCO薄膜前电极的制备。其中TCO必须做薄，以保证整个前电极的透过率高于传统的TCO前电极，同时又不能太薄，导致在激光刻断区充当导体的TCO区域电阻过高，进而造成整个复合透明导电薄膜前电极的内阻高于传统的TCO前电极内阻。因此其结构和工艺参数非常关键。

表2 实验用SnO2:F导电玻璃性能

表3 镀超薄银薄膜实验数据表

本实验采用Ag/SnO2：F薄膜作为前电极。一共制备有10片不同的样片，所有样片均采用工艺一样，厚度不同的SnO2：F薄膜，均进行了制绒，Haze度均在10%左右，用于实验确定最优的参数，其性能如表2所示。其中前9片样片均采用实验一中确定的最优结构和工艺镀上相同的超薄银薄膜，第10片样片采用普通薄膜太阳能电池生产用的SnO2:F薄膜作前电极，用于对比加入银薄膜是否有效果。

所有样片都采用相同的工艺制作成非晶硅薄膜太阳能电池，通过IV测试仪测试其IV特性曲线和输出特性，并进行对比，来探索最优的Ag/SnO2：F薄膜前电极结构和工艺。

2 结果与讨论

2.1 超薄银薄膜厚度与透过率和导电性的关系

镀银薄膜实验的6片样片的实验数据如表3所示：

图3 方块电阻和透过率随银薄膜厚度变化曲线

由图3可以看到，银薄膜的厚度对于其导电性能和透过率有显著的影响。随着银薄膜厚度的增加，其方阻的增加呈现越来越慢的趋势，产生这一现象的原因主要是由于在10nm以下的厚度时，受磁控溅射设备工艺的限制，镀膜时间很短，衬底表面还未完全生成连续的银薄膜，存在较多的孔洞和缺陷，影响了电导率。而当薄膜较厚时，尽管可以获得更好的导电性能，但却会导致透过率的下降和生产成本的上升。

透过率随着薄膜厚度的增加呈现出加速下降的趋势。尤其当银薄膜的厚度超过20nm以后，其透过率下降的速度越来越快。这是因为对于银薄膜，其透明性主要是由其穿透厚度而不是膜层的光谱吸收率所决定，对于某一特定波长的光，薄膜穿透厚度dp定义为该波长的电磁波在膜层中所能传播的薄膜厚度。

其中k为该波长对应的消光系数，以非晶硅薄膜吸收能力最强的500nm波长光为例，银薄膜的穿透厚度极薄，仅为23纳米左右，因此当银薄膜的厚度超过其穿透厚度时，光波将无法有效穿透该薄膜，导致透过率出现迅速的下跌。

对于兼具有良好导电性和透光性的超薄银薄膜，其结构和工艺的窗口很窄，对设计和生产都有着很高的要求，在本实验中，当银薄膜控制在厚度为10～20nm之间，可以获得最佳的表现，方块电阻为3～4/，透过率在89%左右。

表4 实验样片制作成非晶硅薄膜太阳能电池后性能表

2.2 不同SnO2：F薄膜厚度与薄膜太阳能电池性能的关系

根据实验一的结果，实验二的前9片样片均镀有厚度为10～20nm的银薄膜。在制作成单节的非晶硅薄膜太阳能电池组件后通过IV测试仪测量其电池性能，实验得到的样品性能如表4所示：

备注：样片10为没有采用银膜的普通非晶硅薄膜太阳能电池，其输出功率为51.8W，达到了本中试线非晶硅薄膜太阳能电池的正常水平。

本实验结果表明，随着SnO2：F薄膜方阻的增加（即薄膜厚度减少），其透过率逐渐提升，如图4所示。理论上，进入薄膜太阳能电池的光能也越多获得的输出功率也越来越大。当SnO2：F薄膜的方阻超过80/以后，尽管其透过率仍有提高，但薄膜太阳能电池的输出功率开始转折下降。这主要是因为随着SnO2：F薄膜的方阻增加，导致其作为导体的激光刻线区SnO2：F层电阻偏大所致。

从理论上分析，薄膜太阳能电池的串联内阻Rs可以采用以下公式表示：

式（2）中Rt表示薄膜太阳能电池未被激光刻划区的前电极电阻，Rd表示激光刻画区的前电极电阻，Rr表示其它的内阻（包括膜层的接触电阻，光电吸收层薄膜的体电阻，背电极电阻等）。

对于采用Ag/SnO2：F薄膜作为前电极的薄膜太阳能电池，其只是改变了Rt和Rd，而Rr与普通薄膜太阳能电池一致。其中由于采用银薄膜导电，Rt大幅减小，而Rd则随着SnO2：F薄膜的减薄而不断增加，最终当Rd的增幅超过Rt减少的量，将导致电池总的串联电阻Rs增加，电能损耗增加，当串联内阻的损耗超过吸收光能的增加时，电池的输出性能将发生转折。

图4 实验电池输出功率和SnO2：F薄膜透过率，方阻的关系

2.3 采用Ag/SnO2：F透明导电薄膜前电极的非晶硅薄膜太阳能电池性能分析

通过图5可以看到，采用Ag/SnO2：F透明导电薄膜构成的复合透明导电薄膜前电极的非晶硅薄膜太阳能电池性能提升主要是来自于电流的增加以及内部串联电阻的减小。首先，短路电流Isc提升了3.9%，这充分证明该Ag/SnO2：F透明导电薄膜前电极拥有更好的光学透过率，让更多的光能进入非晶硅薄膜被吸收，产生了更大的电流。其次，对比图5 a)与图5 b)IV曲线在电压坐标轴相交处的尾部曲线斜率，可以看到a)图中IV曲线的斜率明显大于b)图，这是由于电池串联电阻的增加会导致光生电流的减少，而对开路电压不会有明显影响，在IV曲线上会表现为与电压轴相交处斜率的下降，下降越多则说明串联电阻越大。说明a)图中的电池拥有更小的串联电阻。

一般情况下，单纯靠提高入射光量来提升薄膜太阳能电池性能，虽然可以获得更高的电流和输出功率，但其填充因子会下降，这是由于薄膜太阳能电池的串联内阻并没有改变，更大的电流意味着更高的内阻损耗，内阻损耗的功率正比于电流的平方，因此随着电流的单一提升，薄膜太阳能电池的内阻损耗会增大，导致填充因子下降。而图5a)中电池相比于图5b)中电池填充因子基本相当，因此这进一步证明图5 a)中的电池拥有更小的串联电阻。

图5 IV特性曲线

3 结论

本文设计了一种采用超薄银薄膜与TCO透明导电薄膜构成的银基复合透明导电薄膜前电极，并通过实验验证了一种Ag/ SnO2:F透明导电薄膜前电极在非晶硅薄膜太阳能电池中的实际效用。实验证明当SnO2:F薄膜的方阻为80左右，透过率在85%左右，银薄膜厚度在10-20nm之间，方块电阻为3左右时为最优结构，其制作的单节非晶硅薄膜初始功率可达54.2W，相比于只采用TCO薄膜作为前电极的普通非晶硅薄膜太阳能电池，可有效提升输出功率4%以上。

镀银薄膜的玻璃具有显著的低辐射性能,采用银基复合透明导电薄膜作为薄膜太阳能电池的前电极，不仅能提升薄膜太阳能电池的性能，还能提升薄膜太阳能电池的节能效果，在BIPV光伏建筑一体化领域更具有吸引力。

[1]Joachim Muller,Bernd Rech,Jiri Springer.TCO and light trapping in silicon thin film solar cells[J].Solar Energy 77(2004)917-930.

[2]Hongli Zhao,Qiying Liu,Yongxiu Cai.Effects of water on the structure and properties of F-doped SnO2 film[J].Materials Letters 62(2008)1294-1296.

[3]Yeon Sik Jung,Dong Wook Lee,Duk Young Jeon. Influence of dc magnetron sputtering parameters on surface morphology of indium tin oxide thin films[J].Applied Surface Science 221(2004)136-142.

[4]Sylvie Fay,Jerome Steinhauser,Sylvain Nicolay. Polycrystalline ZnO:B grown by LPCVD as TCO for thin film silicon solar cells[J].Thin Solid Films 518(2010)2961-2966.

[5]H.Glaser.大面积玻璃镀膜[M].上海：上海交通大学出版社,2006.116～133.

[6]W.Beyer,J.Hüpkes*,H.Stiebig.Transparent conducting oxide films for thin film silicon photovoltaics[J].Thin Solid Films 516(2007)147-154.

[7]W.Beyer,J.Hüpkes,H.Stiebig.Highly stable and textured hydrogenated ZnO thin films[J].Applied physics letters 82(2003)3026—3028.

[8]Yeon Sik Jung,Dong Wook Lee,Duk Young Jeon.Mass productions of thin film silicon PV modules[J]. Applied Surface Science 221(2004)136-142.

陈宇（1982-10-），男，汉族，四川，硕士，工程师（中级），研究方向：新能源技术。

曾祥斌，男，博士，湖北，教授博导，研究方向：太阳能测试系统，光伏发电，纳米技术（通讯作者）。

陈晓晓（1991-11-），女，汉族，湖北，学士，研究方向：光电子器件。

The research on Ag/TCO tandem film front electrode for thin film solar cells

Chen Yu1,Zeng Xiangbin2,Chen Xiaoxiao3
(1.Guangdong Zhicheng Champion Group Co., Ltd., Dongguan, Guangdong, 523718,China; 2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430000,China)

An Ag/TCO tandem film are used as front electrode of thin film solar cells, which are composed of super thin Ag film and a textured thin TCO film. This Ag/TCO tandem film has the advantage of high transparency and high conductivity of super thin Ag film. Meanwhile, it solved the laser scribing problems when use Ag film as front electrode in the industry manufacturing processes of thin film solar cells. In experimental, 9 glasses with different thickness SnO2:F film on it are deposited 3/, optical transparent 89%, thickness in 10-15nm super thin Ag film with DC magnet sputtering technology. And these samples are manufactured as a-Si thin film solar panels in same processes. The result shows that when the SnO2:F film have a 80/ sheet resistance it could get the best performance in a-Si solar cells with 4% increase in output power than traditional a-Si solar cells.

super thin Ag film; TCO film; front electrode; thin film solar cells

TG146.3+2

A

国家自然科学基金，项目批准号51472096