透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜具有以下光電特性，主要包括禁帶寬、可見光譜區(qū)光透射率高、電阻率低等，也因此在光伏電池、平面顯示、特殊功能窗口涂層及其他光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
它是異質(zhì)結(jié)電池中實(shí)現(xiàn)載流子的橫向傳輸及對(duì)外進(jìn)行電流運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃己玫耐该鲗?dǎo)電膜可以實(shí)現(xiàn)較高的透光率和電導(dǎo)率，使得制備出的HIT電池具有較小的串聯(lián)電阻和較高的填充因子，從而可大幅提升HIT電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
其最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，近年來(lái)顯示技術(shù)和光通信技術(shù)的高速發(fā)展極大的推動(dòng)了TCO薄膜的研究進(jìn)程，同時(shí)也對(duì)其光電性能提出了更多、更高的要求。
國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和公司對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究，有學(xué)氣相沉積（LPCVD）摻硼的ZnO，由于制備的TCO表面具有一定絨度，可直接用在電池上。
研究人員通過優(yōu)化LPCVD沉積工藝參數(shù)獲得的ZnO:B整體性能優(yōu)于FTO，在此基礎(chǔ)上獲得單結(jié)非晶硅薄膜電池穩(wěn)定效率達(dá)到9.1%。
研究人員研究了不同襯底溫度及不同濺射功率密度等因素對(duì)ITO薄膜性能的影響，得出了較佳的ITO濺射工藝，研究得到較低的濺射功率密度對(duì)鈍化層的質(zhì)量影響較小，而溫度升高會(huì)引起鈍化質(zhì)量衰減。
研究人員在溫度100℃、100%Ar的氣氛中采用直流磁控濺射法制備出了光電性能優(yōu)良的ITO薄膜，經(jīng)過測(cè)試得到濺射功率增大，ITO薄膜方阻降低的結(jié)論。
ITO薄膜經(jīng)過熱處理后，其在可見光范圍的透光率由60.4%增加到88.3%；ITO薄膜在360~380nm的紫光區(qū)域透光率最低，而在760~800nm的紅光區(qū)域透光率達(dá)到最高。任丙彥等采用射頻磁控濺射技術(shù)在不同射頻功率下沉積了ITO薄膜，并將其應(yīng)用于異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。
如何找到合適的材料，提高TCO導(dǎo)電薄膜的電導(dǎo)率，改善光學(xué)性能，提高透光率，降低制備成本并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為研究的熱點(diǎn)。
本文采用不同的技術(shù)手段進(jìn)行TCO導(dǎo)電薄膜工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能參數(shù)的影響分析，為提升異質(zhì)結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率，開發(fā)異質(zhì)結(jié)電池制備工藝及實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備。
如圖1所示，以N型硅片為襯底，在經(jīng)過清洗制絨后，形成HIT所需的潔凈表面和陷光結(jié)構(gòu)，然后依次在正面沉積本征非晶硅薄膜（I-A-SI:H）、P型非晶硅薄膜（p-A-SI:H），形成光生載流子分離的p-n異質(zhì)結(jié)；在硅片的背面依次沉積本征非晶硅薄膜（I-A-SI:H）、n型非晶硅薄膜（n-A-SI:H）形成背表面場(chǎng)，減少載流子在背表面的復(fù)合；
然后在正反兩面沉積一層具有導(dǎo)電功能的透明導(dǎo)電薄膜TCO層，作為載流子的傳輸層，最后通過絲網(wǎng)印刷在電池正面及反印刷金屬電極，烘干退火后形成具有雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)電池。
圖1 異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖
異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以改變禁帶寬度，改變真空能級(jí)差，增加開路電壓范圍。
并且由于本征層的加入，使得晶體硅表面缺陷得到有效鈍化，表面少數(shù)載流子的復(fù)合也得到降低。
因而HIT電池與常規(guī)晶硅電池相比較開路電壓高許多，從而可以獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。目前HIT電池的開路電壓已達(dá)750mＶ。
低溫工藝不僅可以降低能耗，而且可以降低電池在制備過程中因溫度過高產(chǎn)生的形變和熱損傷，使得硅片可以向薄片化發(fā)展，降低原材料的使用量，降低成本。
HIT電池結(jié)合了非晶硅薄膜和晶硅電池的優(yōu)異性能，溫度特性更優(yōu)。
常規(guī)晶硅太陽(yáng)電池的溫度系數(shù)為-0.45%，而HIT電池的溫度系數(shù)僅為-0.25%，使得HIT電池在光照升溫條件下的輸出性能更好，并且由于HIT電池中非晶硅薄膜的加入，弱光性能比常規(guī)晶硅電池優(yōu)越。
HIT電池中加入TCO導(dǎo)電膜層實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)濃度和導(dǎo)電性的分離，在低摻雜的前提下，也可以降低載流子橫向輸運(yùn)過程中的損耗，提升電流的收集能力。
并且TCO導(dǎo)電膜層的存在，使得電極金屬化的技術(shù)路線的拓展空間增大。
HIT電池雖包含非晶硅薄膜，但是理論研究發(fā)現(xiàn)HIT電池并不存在非晶硅薄膜電池中的S-W效應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生類似非晶硅薄膜電池因長(zhǎng)時(shí)間光照而導(dǎo)致性能衰退的現(xiàn)象。
同時(shí)由于HIT電池使用N型硅片作為襯底，不存在P型硅片中的B-O復(fù)合對(duì)，在光照一段時(shí)間后不會(huì)產(chǎn)生由B-O復(fù)合對(duì)引起的光致衰減問題。
摻鎢氧化銦（In2O3:W，IWO）薄膜由于具有較高的載流子遷移率、較低的載流子濃度，因而能夠在近紅外區(qū)域獲得較大透過率的同時(shí)保持較好的導(dǎo)電性能，它是一種新型TCO薄膜。
影響IWO薄膜光學(xué)性能、電學(xué)性能的因素很多，本文主要研究了氧氬比（O2／Ar2）對(duì)IWO薄膜透光率、方塊電阻的影響，沉積時(shí)間對(duì)IWO薄膜電導(dǎo)率的影響。
真空度抽至1.5×103PA以下，將RPＤ槍頭氬氣調(diào)至180SCCm保障正常啟輝，固定槍頭氬氣流量Ar2＝80SCCm，電子槍電流30A，沉積室氣壓維持在0.35PA，實(shí)驗(yàn)以高純O2（純度為99.999%）作為反應(yīng)氣體，高純Ar2為輔助反應(yīng)氣體。
靶材為1WT%WO3摻雜的In2O3，薄膜厚度在110nm左右。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)O2／Ar2流量比例分別為10%、12.5%、15%。條件下測(cè)試樣品的透光性。
如圖2所示，隨著氧氬比的增加，薄膜的平均透光率不升反降。
這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)采用的蒸發(fā)靶材含氧量充足，符合化學(xué)配比，通入氧氣之后薄膜中的氧處于過量狀態(tài)。
當(dāng)氧氣比例加大時(shí)，已經(jīng)沉積到基底上的In2O3由于受到大量氧負(fù)離子的轟擊而產(chǎn)生逆向反應(yīng)。
同時(shí)大量氧負(fù)離子轟擊產(chǎn)生的機(jī)械力，使已經(jīng)生長(zhǎng)到襯底的薄膜顆粒脫離襯底，薄膜結(jié)構(gòu)遭到損壞，產(chǎn)生大量空位、錯(cuò)位及吸附氧原子，薄膜宏觀結(jié)構(gòu)變得疏松。
因此較高的氧氬比會(huì)導(dǎo)致IWO薄膜透光率降低。
如圖3所示，隨著氧氬比的增加方塊電阻先上升后下降。當(dāng)氬氣與氧氣總流量為40SCCm時(shí)，氧氣比例為30%時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)總流量為60SCCm時(shí)，氧氣比例為20%時(shí)達(dá)到最大。
引入氧氣比例大于10%，氧氣處于過量狀態(tài)，在一定時(shí)間內(nèi)，方塊電阻隨氧氣含量的增加有明顯上升。
這是由兩個(gè)原因造成:
1）氧氬比增加導(dǎo)致氬氣含量相對(duì)減少，對(duì)靶材的轟擊能力減弱，蒸發(fā)出的靶材離化率相對(duì)降低。而且IWO靶材本身存在微量的氧缺陷，引入氧氣后有助于靶材表面氧化，沉積速率有微量降低；
2）過量的氧會(huì)進(jìn)入IWO薄膜晶格中，產(chǎn)生缺陷作用，捕獲由氧缺陷產(chǎn)生的自由電子。
并且氧分子作為散射中心，使自由電子的散射作用增強(qiáng)，電子遷移率降低，薄膜導(dǎo)電性能降低，方塊電阻增大。大量的氧負(fù)離子還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械力，造成已經(jīng)生長(zhǎng)到襯底的薄膜顆粒脫離襯底，產(chǎn)生大量位錯(cuò)和吸附氧原子。
氧氣繼續(xù)增加而電阻又呈下降趨勢(shì)是由于沉積薄膜的過程中保持功率不變的同時(shí)氣體總流量也保持不變，氧氣流量雖然增加，但氧氣的離化減弱，平均到每個(gè)氧離子中的能量減弱，從而參與到反應(yīng)中的氧并沒有隨著氧氣含量的增加而增加。
沉積時(shí)間對(duì)IWO薄膜電導(dǎo)率的影響
將RPＤ槍頭氬氣流量調(diào)至180SCCm，等離子源電流30A保障正常啟輝，固定O2／Ar2流量比例為10%，沉積室氣壓維持在0.35PA。
設(shè)置沉積時(shí)間分別為20、25、30、35min，通過改變薄膜厚度40~130nm，研究其光電和結(jié)構(gòu)變化。采用霍爾效應(yīng)測(cè)試儀分別測(cè)量在不同沉積時(shí)間條件下生成的IWO薄膜載流子濃度和載流子遷移率:
式中:σ為電導(dǎo)率；n為載流子濃度；e為電子電荷；μ為載流子遷移率。
則根據(jù)式（1）可計(jì)算出電導(dǎo)率的大小。
如圖4所示，薄膜的電導(dǎo)率隨著沉積時(shí)間的增加而提高，濺射時(shí)間超過30min后其基本保持不變。
圖4 不同沉積時(shí)間下IWO薄膜的電導(dǎo)率
這是由于在鍍膜初期，載流子遷移率對(duì)薄膜電阻率起著較大作用，隨著薄膜厚度增加，更多的鎢原子以正六價(jià)的高價(jià)態(tài)離子替代晶格中的In3＋，得到更多的自由載流子。
于此同時(shí)，界面的散射也嚴(yán)重影響載流子的遷移率。隨著薄膜厚度增加，界面的散射變小，其對(duì)載流子的遷移率影響變小，載流子遷移率增大，從而導(dǎo)致薄膜的電阻率降低，電導(dǎo)率升高。
30min后，界面的散射對(duì)載流子遷移率的影響微乎其微，因此在30min后薄膜電導(dǎo)率基本保持不變。
本文分析了異質(zhì)結(jié)電池的結(jié)構(gòu)機(jī)理及性能優(yōu)勢(shì)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了氧氬比對(duì)IWO薄膜透光率、方塊電阻的影響及沉積時(shí)間對(duì)IWO薄膜電導(dǎo)率的影響，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論:
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隨著氧氬比增加，薄膜的平均透光率降低；
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隨著氧氬比增加，方塊電阻先升后降；
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隨著沉積時(shí)間增加，薄膜的電導(dǎo)率越來(lái)越高，濺射時(shí)間超過30min后薄膜電導(dǎo)率基本不變。
近幾年國(guó)際光伏電池行業(yè)研究勢(shì)頭強(qiáng)勁，國(guó)內(nèi)許多知名企業(yè)也已著手研發(fā)異質(zhì)結(jié)電池。
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