摘要

采用辉光放电沉积非晶硅的方法在硅烷气氛中制备了约1微米厚度的薄膜太阳能电池。在辉光放电过程中通过掺杂气体的方式形成P-I-N结构电池。至今，在AM-1光照强度下的最优功率转换效率为2.4%。非晶硅薄膜太阳能电池的预估极值转换效率约为14%~15%。

高效薄膜太阳能电池具有相对单晶电池较低的成本优势，因此有可能成为传统能源的有力竞争。本文报道了一种约1微米厚的新型薄膜太阳能电池，利用硅烷辉光放电沉积非晶硅的方法进行制备。其采用p-i-n非晶硅结构，获得了在AM-1条件下2.4%的转换效率。

制备高效的薄膜太阳能电池，要求具备：（1）对入射光尽量大的吸收;（2）对光生电子和电洞的有效收集；（3）具有大约1V内建电势的结； （4）低的串联电阻。因放电产生非晶硅独特的光电特性我们选择其作为太阳能电池材料。

辉光放电产生的非晶硅最早是由Chittick等进行研究的，其发现辉光放电产生制备的非晶硅在光电转换方面性能优于采用蒸镀或溅射方法制备的非晶硅。随后，LeComber和Spear指出辉光放电产生非晶硅的电子迁移率约为0.1cm2/Vs，并且隙态密度随着沉积温度的增加而降低。当沉积温度不低于200℃时，放电产生的非晶硅具有较其他非晶半导体小的键缺陷密度。对波长大于550nm吸收系数的测量表明，当膜厚约1微米时，大部分波长小于700nm的光被吸收。并且，非晶硅的光学禁带宽度为1.55eV，其接近于半导体同质结光电能量转换最优值。

77°K测量荧光光谱表明在高于200℃条件下沉积的薄膜量子辐射效应趋于一，而蒸镀方法制备的非晶硅未发现该现象。近期Spear等发现，辉光放电制备的非晶硅电学性质可以通过替位掺杂控制，从而形成pn结。本实验室制备了与其相似的结并重点研究了在太阳能电池方面的应用。

在沉积有ITO膜层的玻璃上通过辉光放电制备非晶硅层，沉积温度在250~400℃。ITO的面电阻为2~5Ω/□,因此在器件有效面积内无需电流收集栅极。典型的太阳能电池结构为首先沉积几百埃的掺硼非晶硅，硼烷的浓度为1%。然后沉积约1微米的本征非晶硅和数百埃的磷化非晶硅，磷烷浓度为1%。最后沉积铝电极，与n层形成低电阻接触。示意结构如图1。

图1 AM-1条件下电池的I-V曲线及电池结构示意图

如图1所示I-V曲线测量使用钨丝灯管作为光源。非晶硅膜约1.6微米厚，电极面积为5*10^-3cm2。灯管通过与在阳光AM-1条件下照射具有相同短路电流密度值的方式进行校正（开路电压和填充因子与之相同）。以单晶硅太阳能电池作为校准片，在AM-1条件下功率转换效率估算为2.4（±0.2）%。类似更大面积电池（~3.5cm²）在AM-1条件下具有~1.1%的转换效率。

图2

如图2所示，电池的收集效率通过校准的Bausch-Lomb 单色仪进行测量。在测量的范围内，短路光电流呈线性变化。短波方向收集效率的降低是因为p层的重新复合。长波方向的降低是因为如图3所示的低的吸收系数。重叠区域与Loveland等测试的吸收数据较好吻合。另外由图3也可以看出在0.315~0.75微米的范围内，非晶硅的吸收系数超过了晶体硅的吸收系数，并且以明显比例超出。这些数据可以用于计算AM-1强度下短路电流密度的最大值。对于单程的辐照度，通过3微米的非晶硅，短路电流密度的最大值约22mA/cm2。在未吸收的辐照被背电极反射情况下，1.5微米厚度的电池可达到相同的数值。

图3 辉光放电沉积非晶硅和单晶硅的光学吸收系数与波长关系曲线。虚线为Loveland等的研究数据，实体线为目前工作。

室温下测量的短路电流密度的最大值（AM-1）是10.5mA/cm2，如图1，但相同的电池在125℃条件下测得的值为14mA/cm2。在大部分电池中可以发现电流密度随温度增加而增加的现象，此表明部分光生载流子被限制产生了串联电阻。该串联电阻限制了填充因子低于0.45。对厚度大于1微米的非晶硅膜，短路电流未有增加，表明电洞的扩散长度不超过1微米。若本征层掺杂硼或磷后，其短路电流密度降低，此表明扩散长度随掺杂而降低。

正偏压大于0.5V时，暗电流密度满足J∝Vⁿ, 式中n为3。这是因为陷阱作用向带间呈指数降低引起的空间电荷限制电流效应；正偏压不大于0.5V时，符合暗I-V特性，表明电池中电流传导为复合限制电流。

AM-1条件下获得的开路电压最大值为790mV。此值可能很接近实际能达到极限值，这是因为带尾态的存在导致很难完全利用起整个能带。即，虽然光学带隙为1.55eV，但在0.2V的扩展态范围内带尾态密度迅速增加。因此，很难将费米能级向Ec或Ev移动0.2V,正如经荧光测量与电导率数据确认的那样。Voc遵从对数关系式,式中F为相对光强，。

薄膜非晶硅电池效率的理论极限可以通过Voc极限值和Jsc极限值进行估算，Voc和Jsc分别为800 mV和22 mA/cm2，因为填充因子的理论极限为0.78~0.87，最大转换效率极限值为14~15%。

总之，制备了转换效率为2.4%的p-i-n结构非晶硅太阳能电池，该电池的进一步研发将可能引领在地面使用的低成本电池。