铜铟镓硒薄膜太阳能电池新型图形化透明前电极研究
在职研究生论文GUO Kai;ZHANG Chuan-sheng
【摘 要】为了优化铜铟镓硒薄膜太阳能电池的前电极,提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池的效率,提出了一种可应用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的AZO/图案化Ag薄膜/AZO结构的前电极,中间层的Ag薄膜与电池顶层的金属栅线具有完全相同的图案和尺寸,并且位于金属栅线的正下方,这种新型结构可以提高电池前电极的电学性能,但对电池来说不会带来额外的光学损失.对比了新型前电极结构与几种传统前电极的电学和光学性能,并且制备了相应的电池进行了性能对比.实验结果表明,新型的前电极结构可以提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池的短路电流,相对传统AZO电极,电池效率从13.83％提高到14.53％.本结构可以明显提高电池效率.
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】教务处英文2019(040)002
【总页数】5页(P204-208)
embed【关键词】铜铟镓硒;前电极;AZO/图案化Ag/AZO;AZO/Ag/AZO;溅射
【作 者】GUO Kai;ZHANG Chuan-sheng
【作者单位】;
【正文语种】中 文
deppon【中图分类】TN304.2+1
1 引 言
目前铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池最高实验室效率可达到22.6%[1]，是效率最高的薄膜太阳能电池之一，并且具有优异的稳定性，在许多领域展现出良好的应用前景。CIGS的结构一般由Mo背电极、CIGS吸收层、n型CdS层、透明氧化物(TCO)前电极层、栅线电极组成。前电极层在CIGS薄膜电池中有非常重要的作用，一方面需要在宽光谱范围内有较高的透光率以使更多的光进入吸收层，同时需要其具有优异的电学性能，利于电子导出[2]。氧化锌是一种N型的Ⅱ-Ⅳ族半导体材料，禁带宽度为3.3 eV，在可见光范围内具有良好的透过率[3-5]。掺铝氧化锌(ZnO∶Al,AZO)是将Al掺入氧化锌中，Al可以提供电子，从而增加ZnO的导电性，是一种常见的透明导电薄膜，具有高电导率、高稳定性、低成本及无毒的
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优点，被广泛应用在太阳能电池[6]、平板显示[7]、LED照明[8-9]等领域。
虽然AZO具有较好的性能，但在实现高的光学透过率和优异的电子传输特性之间需要平衡。较薄的AZO可以实现宽光谱高透光率，但方块电阻增大、电子传输变差；较厚的AZO电学性能提升，但光学性能降低。为了优化前电极的电学性能，Aoshima 等提出了AZO/metal/AZO的结构，利用中间金属层提高TCO薄膜的导电性[10]。中间金属层的材料选择有Ag[11]、Cu[12-13]、Mo[14]、Au[15]等，其中由于Ag具有良好的电导率被广泛使用在这种结构中。虽然这种结构可以极大地提高TCO薄膜的电学性能，但同时由于金属的引入，会引起光吸收的增加，从而降低了TCO薄膜的透过率。因此，如何在利用金属材料改进TCO导电率的同时保持其良好的透过率是AZO前电极改进的关键。
本文提出了一种可以在不降低前电极透过率的情况下增加电极电学性能的方法。与传统AZO/Ag/AZO电极不同的是，我们设计了图案化、与电池栅线电极形状和尺寸相同的Ag薄膜作为中间层，图案化的Ag薄膜位于金属栅线的正下方。这种方法使电极导电性得到有效提高，但对电池来说不会带来额外的光学损失。基于这种结构前电极的CIGS薄膜太阳能电池，获得了高于14%的平均光电转换效率，明显高于基于AZO/Ag薄膜/AZO电极及相同AZO厚度的纯AZO电极的电池转换效率(分别为8.5%和13.8%)。英文句子翻译
2 实 验
2.1 前电极制备
设计的新型AZO/图案化Ag/AZO(AZO/patterned Ag/AZO)复合薄膜连同顶层金属栅线的结构示意图如图1所示。AZO中间的图案化Ag膜层是采用金属栅线电极的掩膜版制备的，在沉积Ag薄膜的时候用掩膜版进行遮挡，并且固定好掩膜版和电池的相对位置，制备完成AZO/patterned Ag/AZO前电极。其中，AZO上下两层的厚度均为90 nm，Ag的厚度为8 nm。蒸发Ni/Ag栅线时，以图案化Ag中间电极层作标定，确保顶层金属栅线电极完全与图案化的Ag薄膜相重叠。作为对比，我们也制备了标准AZO电极及AZO/Ag薄膜/AZO复合电极。
图1 AZO/patterned Ag/AZO复合薄膜示意图Fig.1 Schematic diagram of AZO/patterned Ag/AZO multilayer
bearshare传统的AZO/Ag/AZO薄膜被沉积在普通的钠钙薄膜上，钠钙玻璃厚度为28 mm。AZO/Ag/AZO薄膜的厚度分别为50/8/50 nm。同时还制备了CIGS薄膜电池制备时常用的300 nm厚的AZO以及180 nm的AZO，以和本文中提出的结构进行对比。
温州翻译公司>entryAZO薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，本底真空为1.2×10-5 Pa，工作压力为0.1 Pa，靶基距为10 cm，溅射时衬底旋转速度为10 r/min。银薄膜采用电子束蒸发的方法制备。Ag采用Alfa公司的银粒，纯度为99.999%；本底真空为1.2×10-5 Pa，沉积速率0.5 nm/s。
2.2 电池制备
为了验证本文中提出的新型前电极结构对电池的影响，制备了一批CIGS电池，衬底为普通的钠钙玻璃，厚度3 mm，依次生长Mo、CIGS、CdS、i-ZnO，生长完不同的AZO或AZO/Ag/AZO透明前电极后制备Ni/Ag栅线前电极。上述工艺除透明前电极外，都采用同一批次生长的样品，以确保电池的一致性。前电极生长完成后进行电池划线，电池长度1 cm，宽度0.5 cm，面积为0.5 cm2。其中Mo采用直流溅射方式沉积，厚度为700 nm；CIGS层采用三步共蒸发制备，厚度为2 μm；CdS采用化学水浴法制备；i-ZnO采用射频磁控溅射方法制备，厚度为50 nm。
2.3 薄膜与器件测试
所有薄膜的厚度用Bruker公司的Dektek台阶仪测量，方块电阻用Bridge Technology公司的lineup
RM3000四探针测阻仪测量。透过率采用日本岛津的UV-3600紫外可见近红外分光光度计测量，测量波长范围为350～1 300 nm。电池的电流-电压曲线采用Keithley 2400测量，太阳光模拟器测试，采用Newport的3A太阳光模拟器。量子效率曲线测试采用PV Measurement的QEX-10量子效率测量系统。
3 结果与讨论
3.1 不同透明前电极薄膜的光学及电学性能
我们首先研究了不同透明前电极的光透射特性，如图2所示。透明前电极包括厚度分别为300 nm及180 nm的AZO薄膜、AZO(50 nm)/Ag(8 nm)/AZO(50 nm)以及AZO(50 nm)/patterned Ag(8 nm)/AZO(50 nm)。其中300 nm的AZO薄膜是本组优化后的CIGS电池制备时常用的透明前电极厚度。为了接近实际电池的情况，所有的透明前电极薄膜上都生长了电池所用的Ni/Ag金属栅线，Ni的厚度为50 nm，Ag的厚度为1 000 nm，衬底玻璃都采用同一批钠钙玻璃，透过率数据是带衬底玻璃的数据。从图2的透射曲线可以看出，相比优化的300 nm AZO电极，较薄的AZO电极(180 nm)在较宽光谱范围内(650～1 300 nm)的透光率相对更高，这有利于电池对太阳光的吸收。采用AZO和Ag膜复合电极的AZO(50 nm)/
Ag(8 nm)/AZO(50 nm)，虽然AZO厚度更薄，但由于Ag较差的透光性，在长波长范围内透光率急剧降低，不利于电池对长波长太阳光的吸收。采用图案化的Ag膜与AZO制备复合电极，AZO(50 nm)/patterned Ag(8 nm)/AZO(50 nm)电极呈现了与180 nm AZO电极相类似的透光率，在350～1 300 nm范围内都可以达到70%以上。不同电极的加权透过率数据如表1所示，可以看出，采用图案化的Ag与AZO复合电极透过率接近80%，可以达到较薄AZO电极(180 nm)的透光性能，并且优于优化的AZO电极(300 nm)透过率性能。除透光率之外，导电性能是衡量透明电极性能的另一个重要参数。我们测试了不同透明前电极薄膜的方块电阻，如表1所示。相对于300 nm厚度的AZO薄膜，180 μm 的AZO薄膜虽然具有较高的透过率，但是方块电阻明显提高，达到63.1 Ω/。较大的方块电阻在制备电池时不利于载流子的收集，因而在前期研究中其电池性能低于采用优化的300 nm AZO的电池。引入Ag薄膜制备成AZO/Ag/AZO薄膜后，方块电阻被大幅度降低至6.0 Ω/，证明了Ag电极在提高AZO电极导电性能上具有非常明显的作用。采用图案化的Ag薄膜，即AZO/patterned Ag/AZO结构的电极，方块电阻为38.2 Ω/，相比具有类似透光率的180 nm的AZO薄膜来说，方块电阻明显变小，有利于电子的传输和收集。因此，AZO/patterned Ag/AZO 薄膜电极可以在保持优异透过率的情况下获得较好的薄膜导电性。
图2 300 nm AZO、180 nm AZO、AZO/Ag/AZO及AZO/patterned Ag/AZO前电极的透过率曲线。Fig.2 Optical transmittance spectra of 300，180 nm AZO thin film, AZO/Ag/AZO thin film and AZO/patterned Ag/AZO thin film.表1 300 nm和180 nm AZO、AZO/Ag/AZO及AZO/patterned Ag/AZO前电极的方块电阻和透过率Tab.1 Sheet resistance and transmittance of AZO，AZO/Ag/AZO and AZO/patterned Ag/AZO种类透过率/%方块电阻/(Ω·□-1)300 nm AZO77.5316.2180 nm AZO79.9463.1AZO/Ag/AZO62.96.0AZO/Patterned Ag/AZO79.7438.2
3.2 采用不同类型透明前电极的CIGS电池性能
我们采用300 nm和180 nm AZO、AZO/Ag/AZO及AZO/patterned Ag/AZO 4种透明前电极制备了CIGS太阳能电池，电池的光电流-电压曲线如图3所示。电池的开路电压、短路电流、填充因子及转换效率特征参数的平均值及最大值如表2所示。
表2 采用不同类型前电极的CIGS电池光伏特性参数Tab.2 Phovoltaic parameters of the CIGS solar cells with different front contact
从表2的电池数据可以看出，相对优化的300 nm AZO来说，使用180 nm 厚的AZO作为前电极电池的填充因子下降，短路电流略高，因而，平均效率上略低于使用300 nm AZO前电极的电池。采用AZO/Ag/AZO复合前电极的电池，短路电流密度明显降低，填充因子也降低，导致电池效率下降到不足9%。采用图案化的Ag与AZO复合电极，电池的短路电流相比优化的300 nm AZO电极的电池增大了1.28 mA/cm2，填充因子略低，最终平均电池效率达到14.14%，最高效率为14.53%。
