衬底材料表面形貌和特性对太阳电池性能影响

方晓敏， 廖东进

(衢州职业技术学院，浙江衢州324000)

随着清洁能源产业的发展，新一代的微晶硅薄膜太阳电池因具有极低的S-W效应逐渐受到业内青睐。为了使微晶硅薄膜太阳电池达到量产，成本控制非常关键[1]。目前控制该类电池的成本有两种方法，一是提高微晶硅材料的本征层厚度，促进薄膜生长；二是借助光管理技术提高微晶硅的光吸收效率[2]。本文利用等离子体化学气相沉积技术提高了微晶硅薄膜的沉积速度，达到了本征层吸光率的最优。

1 实验

本文所用本征层及所有膜层均在多功能辐射型薄膜沉积系统中生产，电池结构如图1所示。为了提高可见光波长的响应，本结构中采用ZnO:B/Ag/Al作为电池背反射组织，ZnO:Al衬底作为透明的电池导电前极 (TCO)。分别以0、10、20、30、40、50 s的时间间隔对TCO进行腐蚀，腐蚀液为浓度0.8%的盐酸溶液。将腐蚀后的TCO在电子显微镜下观察，扫描范围为 20 μm2。

本研究中所有电池本征层厚度均为1 800 nm，有效面积均为0.272 cm2。样品电池的光电特性通过500～1 000 nm的偏压外量子效率测定。利用太阳模拟器 (100 mW/cm2、26℃、AM2.0)测试I-V特性。

图1 微晶硅薄膜太阳电池结构

2 结果与讨论

2.1 衬底的腐蚀形貌

图2所示为不同腐蚀时间下的衬底表面形貌表征[3]。由图2看出，0 s未经腐蚀时，ZnO:Al衬底表面平滑，随着腐蚀时间的增加，衬底表面开始出现坑洼。坑洼的尺寸和稀疏状态随着腐蚀时间的增加而增大。当腐蚀时间为50 s时，坑洼布满衬底且尺寸较大。为了进一步分析衬底的散射特性与形貌改变的关系，实验引入相关长度与表面粗糙度的计算关系：相关长度可表征衬底坑洼的横向特征，表面粗糙度可表征坑洼的纵向特征，如图3所示。由图3看出，随着腐蚀时间的延长，表面粗糙度和相关长度均有所增加。40 s腐蚀后，表面粗糙度和相关长度增长缓慢，这说明基本腐蚀到基底。

图2 不同腐蚀时间下的衬底表面形貌表征

图3 表面粗糙度、相关长度与腐蚀时间的关系

2.2 衬底的特性变化

随着腐蚀时间的变化，衬底出现不同的形貌，从而导致衬底呈现出不同的散射结构，对入射光的光学作用也不同。通过测试上述不同腐蚀时间段衬底的直接透射谱和积分透射谱，可评估衬底形貌对入射光的散射能力。图4所示为典型波长900 nm处Haze散射率与腐蚀时间的变化情况。由图4可见，随着腐蚀时间的延长，Haze散射率逐渐增大；40 s时，散射率基本达到饱和且无变化。该结果与上述的衬底腐蚀结构变化有关。

图4 900 nm处Haze散射率与腐蚀时间的变化情况

研究表明，增强衬底表面散射率可以提高微晶硅本征层内散射光的行程，行程的增加可使本征层吸收更多的光[4]。因此，为了使本征层对散射光的吸收最大化，所有电池采用相同的工艺来研究0～50 s腐蚀时间内，最大化所对应的衬底表面形貌导致的电池光学特性的变化。图5所示为不同腐蚀时间下各波长与外量子效率的变化曲线，可以看出，在这个波段范围内未经过腐蚀的衬底外量子效率曲线呈现出多波峰、波谷，这是因为，未经过腐蚀的衬底表面平滑、光整，会导致干涉现象增多。随着腐蚀时间的延长，干涉现象逐渐消失(波峰、波谷数量减少)。到40 s腐蚀时，电池响应强度达到峰值，50 s腐蚀后其长波段外量子效率迅速下降。由此推断，实验所用微晶硅薄膜太阳电池衬底存在最佳的腐蚀时间，以获得最佳的光谱响应。

图5 不同腐蚀时间下各波长与外量子效率的变化曲线

2.3 电池电学性能

从上文分析可知，调控衬底表面尺寸可以显著增强入射光散射率，进而提高微晶硅太阳电池的性能，但调控过程中需要注意衬底表面尺寸对电池电学性能的影响。本实验测定的不同腐蚀时间内衬底上生长的微晶硅电池参数如表1所示。由表1看出，因为衬底表面腐蚀形貌所具有的光学作用，随着腐蚀时间的延长，电池的短路电流密度逐渐增加，当腐蚀时间40 s后开始下降，与图5结果基本相符。反向饱和电流密度随着腐蚀时间的延长，尚处于同一个数量级1×10－4。由于衬底诱导延伸到电池内部的裂纹会使本征层产生漏电沟道，会引起反向饱和电流密度增加，开路电压降低[5]。处于同一数量级说明，0～50 s腐蚀时间内本征层并未产生漏电沟道。可推断，0～50 s腐蚀时间内衬底表面形貌变化并未对微晶硅电池的电学特性造成很大影响。

表1 不同腐蚀时间下衬底微晶硅电池性能

然而，腐蚀会导致衬底自身的电学性能变化，同时对微晶硅电池串联电阻产生一定的影响，填充因子在40 s后会显著降低。这是因为，衬底电学性能变化会使电池性能有所损失，同时产生光学增益效果。综合考虑，腐蚀时间为40 s时微晶硅太阳电池能获得最佳的转换效率。

3 结论

高效微晶硅太阳电池的设计过程中，高性能陷光结构是其关键。这是因为，陷光结果影响散射光在电池中的有效行程，提高衬底对光的吸收率。因此，为了进一步提高电池器件的光稳定性、降低成本，可将本征层减薄。本文通过实验获得了微晶硅电池获得最佳转换效率的衬底条件，即衬底光学特性、相关长度以及粗糙度刚好达到饱和的临界条件，该研究可为微晶硅太阳电池的进一步优化提供参考。

[1]王亚兰，陈渊睿.光伏电池通用模型及自适应MPPT控制方法[J].电源技术，2015(1)：75-77.

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[4]林家辉，彭启才.n-ZnO/i-ZnO/p-nc-Si结构薄膜太阳能电池的模拟研究[J].电子元件与材料，2012(5)：27-30.

[5]郑君，王冬松，胡宏勋.非晶硅太阳电池作为空间能源的性能特点[J].电源技术，2003(1)：50-53.