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)電池中實現(xiàn)載流子的橫向傳輸及對外進行電流運輸?shù)耐ǖ?，良好的透明?dǎo)電膜可以實現(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世紀初，近年來顯示技術(shù)和光通信技術(shù)的高速發(fā)展極大的推動了TCO薄膜的研究進程，同時也對其光電性能提出了更多、更高的要求。
國內(nèi)外多個研究機構(gòu)和公司對其進行了相關(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鈍化層的質(zhì)量影響較小，而溫度升高會引起鈍化質(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，降低制備成本并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為研究的熱點。
本文采用不同的技術(shù)手段進行TCO導(dǎo)電薄膜工藝參數(shù)對薄膜性能參數(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)電池制備工藝及實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)儲備。
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，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)，不會產(chǎn)生類似非晶硅薄膜電池因長時間光照而導(dǎo)致性能衰退的現(xiàn)象。
同時由于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，在光照一段時間后不會產(chǎn)生由B-O復(fù)合對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IWO薄膜透光率、方塊電阻的影響，沉積時間對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，實驗以高純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。實驗設(shè)計O2／Ar2流量比例分別為10%、12.5%、15%。條件下測試樣品的透光性。
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。
這是因為實驗采用的蒸發(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)。
當氧氣比例加大時，已經(jīng)沉積到基底上的In2O3由于受到大量氧負離子的轟擊而產(chǎn)生逆向反應(yīng)。
同時大量氧負離子轟擊產(chǎn)生的機械力，使已經(jīng)生長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。當氬氣與氧氣總流量為40SCCm時，氧氣比例為30%時達到最大；當總流量為60SCCm時，氧氣比例為20%時達到最大。
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。
這是由兩個原因造成:
1）氧氬比增加導(dǎo)致氬氣含量相對減少，對靶材的轟擊能力減弱，蒸發(fā)出的靶材離化率相對降低。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）過量的氧會進入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，電子遷移率降低，薄膜導(dǎo)電性能降低，方塊電阻增大。大量的氧負離子還會產(chǎn)生機械力，造成已經(jīng)生長到襯底的薄膜顆粒脫離襯底，產(chǎn)生大量位錯和吸附氧原子。
氧氣繼續(xù)增加而電阻又呈下降趨勢是由于沉積薄膜的過程中保持功率不變的同時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。
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)測試儀分別測量在不同沉積時間條件下生成的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)率隨著沉積時間的增加而提高，濺射時間超過30min后其基本保持不變。
這是由于在鍍膜初期，載流子遷移率對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的高價態(tài)離子替代晶格中的In3＋，得到更多的自由載流子。
于此同時，界面的散射也嚴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)機理及性能優(yōu)勢，并通過實驗研究了氧氬比對IWO薄膜透光率、方塊電阻的影響及沉積時間對IWO薄膜電導(dǎo)率的影響，通過分析實驗結(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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隨著沉積時間增加，薄膜的電導(dǎo)率越來越高，濺射時間超過30min后薄膜電導(dǎo)率基本不變。
近幾年國際光伏電池行業(yè)研究勢頭強勁，國內(nèi)許多知名企業(yè)也已著手研發(fā)異質(zhì)結(jié)電池。
原文始發(fā)于微信公眾號（光伏產(chǎn)業(yè)通）：異質(zhì)結(jié)光伏電池TCO薄膜主要性能影響因素研究
