双结非晶/微晶硅叠层太阳电池结构性缺陷问题的基础研究

采用双结micromorph叠层电池结构，能较好地解决非晶硅太阳电池光衰退问题和提高其效率。但这种电池存在如下结构性缺陷：（1）顶、底电池的np连接缺陷，pn结反偏影响光生载流子收集效率；（2）顶电池本征层减薄，影响电池对入射光的吸收效率；（3）顶、底电池电流不匹配，影响电池性能。提出用n+_ZnO:Al/p+_μc-Si:H薄膜结构的重掺杂n+p+隧道结串接叠层电池顶、底电池方案，及采用偏光源方法实现顶、底电池电流匹配的研究内容。用隧道结隧穿特性和其自身的陷光性能，综合地解决双结micromorph的np连接缺陷和内部陷光问题，是本项目研究的创新点。研究中，n+p+隧道结高透光性、高电导特性、良好隧穿性能和陷光特性工艺的解决，是研究拟解决的关键问题。研究预期成果揭示双结micromorph叠层电池结构性缺陷影响电池性能的机理，及电池效率大于13％目标的实现，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目主要研究了一种具有良好隧穿性能和陷光性能的ZnO:Al/p+-μc-Si:H遂道结薄膜材料，同时研究用这种遂道结薄膜材料来连接双结非晶硅/微晶硅叠层电池的顶电池与底电池的连接缺陷问题，达到了计划合同书要求。项目完成过程中：（1）首先，研究了导电性能、透光性能和陷光性能优异的ZnO:Al薄膜制备工艺及在太阳电池前电极上应用，具体开展的研究内容为：①通过二步法直接制备出具有金字塔结构的绒面ZnO:Al薄膜。ZnO:Al薄膜透过率达到了85%以上，最低的电阻率也达到了7.8×10-4Ω•cm。将这种薄膜应用到非晶硅太阳能电池前电极上时，发现前电极与电池窗口层之间接触势垒高，影响电池性能，插入一层微晶硅层后，电池填充因子达到70.5%，转换率也达到了7.9%。②研究了ZnO透明导电薄膜带隙宽度和电阻的调控规律。采用溶胶-凝胶制备Mg-Sn共掺杂ZnO薄膜，发现Mg、Sn掺杂量的变化，可以达到调控ZnO薄膜带隙宽度和电阻的目的，当Mg:Sn掺杂比例为2at%:0.5at%时，ZnO薄膜带隙宽度为3.27eV、电阻率为3.1×10-2Ω•cm的最佳值。③进行了对ZnO薄膜的氢化处理以减小ZnO层与a-Si:H的接触势垒的研究，研究结果发现：对ZnO薄膜的氢化处理可以改善ZnO:Al-H薄膜的电学性能，起到降低ZnO层与a-Si:H的接触势垒高度的目的，电阻率最低达到7.58×10-4 Ω•cm、透过率保持在80%左右；同时，发明了一种对SEM图像进行二维傅立叶变换分析的方法，定量地分析薄膜表面形貌；（2）第二，利用优化工艺制备的ZnO:Al薄膜基础上，研究了ZnO:Al/p+_μc-Si:H隧道结制备及性能，获得了具有优异电学性能和光学性能的ZnO:Al/p+_μc-Si:H隧道结：光透过率大于80%，电阻率为8.89×10-4Ω.cm，当测试电压为0.08V时，其隧穿电流为24.5mA/cm2。（3）最后，研究了用ZnO:Al/ p+_μc-Si:H隧道结，来连接双结非晶硅/微晶硅叠层电池的顶电池与底电池，发现当隧道结厚度为51nm时，非晶硅/微晶硅叠层电池的顶/底电池电流匹配最好，电池的性能参数为：短路电流为Jsc =15.69 mA/cm2, 开路电压Voc=1.44 V, 填充因子FF=64.49%, 转换效率Eff=14.67 %。