双旋转靶共溅法制备和研究掺铝氧化锌薄膜及其在硅薄膜太阳能电池中的应用

发布时间：2019-09-29 04:21

【摘要】： 本论文对应用于硅基薄膜太阳能电池中的掺铝氧化锌薄膜(ZnO:Al)进行了系统地研究。在本论文中ZnO:Al薄膜主要采用非反应磁控溅射方法和双旋转陶瓷靶(ZnO:Al2O3=99.5:0.5 wt%以及采用反应磁控溅射方法和双旋转金属靶(Zn:Al=99.5:0.5 wt%)制备而得。用于掺铝氧化锌薄膜制备的玻璃衬底尺寸可以达到30 cm×30 cm。由于在溅射过程中管状陶瓷靶以及金属靶始终保持旋转,因此这两种溅射沉积方法极大地提高溅射靶材的利用率从而有效地降低生产成本。此外,高速溅射沉积薄膜也是本论文研究的一个重要的目标和方向。作为一种重要的并具有极大发展潜力的透明导电材料,ZnO:Al薄膜的光学电学属性是本论文的研究重点。在本论文中,制备的ZnO:Al薄膜主要目标是应用于硅基薄膜太阳能电池中,作电池的前电极,因此对其初始和刻蚀后的薄膜表面形貌也进行了深入地考虑和研究。 对于采用中频电源激发从旋转陶瓷靶材中磁控溅射制备ZnO:Al薄膜,本论文系统地研究了衬底温度、工作气压、电功率、氩气流量和氧气流量以及磁场方向等各种不同的实验参数对其各种属性的影响。此外,本文也系统深入地研究了ZnO:Al薄膜在0.5%的稀盐酸中的刻蚀行为以及其均匀性特性。在对低速沉积(2kW) ZnO:Al薄膜研究中,成功地获得了电阻率低至3.6×10-4Ω·cm,载流子迁移率高达50 cm2/Vs以及刻蚀后具有最佳表面形貌的高质量导电透明薄膜。在对高速沉积(14kW) ZnO:Al研究中,薄膜沉积速率可以高达110nm/min且保持优良的光学和电学特性。在对硅薄膜太阳能电池应用研究中,优化的旋转陶瓷靶溅射制备的ZnO:Al薄膜作为前电极被应用于微晶硅(μc-Si:H)及无定形硅／微晶硅叠加(α-Si:H/μc-Si:H)薄膜太阳能电池中,分别取得了8.5%和11.3%高的能量转换效率。 另外,对于采用更加高效低廉的反应磁控溅射技术和双旋转金属靶材制备ZnO:Al薄膜,本文通过利用等离子体发射监控系统,研究了在不同的沉积条件下的反应溅射沉积过程,并高速反应溅射制备出了ZnO:Al薄膜,获得了高达110 nm/min的沉积速率,且所获薄膜具有优良的光电特性。其中电阻率低于3.3×10-4Ω·cm,迁移率可以高达47 cm2/Vs,同时具有很高的光透射率。此外,还系统研究了不同沉积条件下制备的ZnO:Al薄膜呈现出的初始表面形貌和刻蚀后的表面形貌特征。 本论文应用一种独特的两步刻蚀方法,即先采用稀HF刻蚀,然后采用HCl刻蚀,对高速沉积的ZnO:Al薄膜进行刻蚀和表面研究。此高速沉积的ZnO:Al薄膜包括通过非反应溅射沉积的薄膜和反应溅射沉积的薄膜。通过这种独特的刻蚀方法,刻蚀后的高速沉积的ZnO:Al薄膜呈现出适合于硅基薄膜太阳能电池的表面结构。利用此种刻蚀方法处理优化制备的ZnO:Al薄膜,然后应用于μc-Si:H薄膜电池以及α-Si:H/μc-Si:H双节叠加薄膜太阳能电池,分别取得了高达8.2%和11.4%的能量转换效率。本论文工作成果表明高速沉积的ZnO:Al薄膜制备技术结合此双刻蚀方法在硅薄膜太阳能电池的应用方面具有相当大的发展潜力。
【图文】：

人【57」对实际测量中能隙的窄化现象的解释是，当施主浓度增加导致施主态的波函数部分将会简并。另外，S~hus等〔561认为自身固有能量会由于薄膜粒子与杂质粒子发生相互作用而导致能隙变窄，如图2一5所示。换言之，超过Mott载流子临界条件外，，电子与电子和电子与杂质原子散射以及其他样式的多体相互作用需要考虑以深入了解实际测量结果与理论的偏差。价价价一…灯载流子浓度厚度— 2.997x1020em一 1014nm一。 3192x102oem一 953nm·… 3.681x1020em一 953nm一一 3.690xl扩 0em一 3933nm-一 4.168x1020em一 871nm。一。一。 4.744x1020em一 3656nm 3.58eV 3.54eV、 3.53eV 3.51e 3.50e火 3.45eV，.~... SC05甘 022115

本文编号：2543682