ITO薄膜制备过程中影响其性能的因素

2024-03-05

随着太阳能电池技术的快速迭代,异质结太阳能电池因其高转换效率、高开路电压、低温度系数、低工艺温度、可双面发电等优点而受到广泛关注。其中ITO薄膜在异质结太阳能电池中发挥着重要作用,其制备过程中,氧含量、沉积温度和溅射功率对其电学光学性能会产生一定的影响。美能扫描四探针方阻测试仪分光光度计,能分别检测太阳能电池的薄膜方阻薄膜材料的反射率和透过率,帮助用户在不同条件制备薄膜后,选择出最优的制备方案。

本篇文章将给大家讲解氧含量对ITO薄膜的电学和光学性能的影响。

异质结太阳能电池概述

n型硅片为衬底,经过清洗制绒,采用等离子沉积法依次沉积本征非晶硅薄膜(ia-Si:H)和n/p型非晶硅薄膜。在正面和背面进行增强化学气相沉积(PECVD),形成背面场和PN异质结,以减少载流子的复合。然后通过直流磁控溅射(SP)在正面和背面沉积TCO薄膜作为载流子传输。最后,通过丝网印刷在太阳能电池的正面和背面印刷金属,形成双面对称结构的异质结,TCO层/P掺杂a-Si:H层/本征a-Si:H钝化层/c-Si晶片/本征a-Si:H钝化层/N掺杂a-Si:H层/TCO层。但异质结太阳能电池的发射极为非晶硅,因此需要在非晶硅层与金属电极之间引入TCO薄膜,以保证电流的横向传输,并减少传统太阳能电池因横向传输性能差而带来的热损失高的缺点。ITO薄膜制备过程中影响其性能的因素 (https://ic.work/) 电源管理 第1张HJT太阳能电池的结构图

在众多TCO薄膜中,ITO薄膜是一种n型半导体透明导电氧化物薄膜,其带隙大于3.5 eV,电阻率低至10-4Ω cm 。它具有独特的光学性能,如紫外线截止特性、可见光高透过率、红外光反射率高等。而在制备ITO薄膜的过程中,氧含量、沉积温度和溅射功率对ITO薄膜透光率和电导率有一定影响,也对HJT太阳能电池性能产生影响。

氧含量对ITO薄膜的电学和光学性能的影响

1. 电学性能

氧含量对ITO薄膜的透过率和电阻率较为敏感。不同氧含量制备的ITO薄膜的载流子迁移率、载流子浓度、电阻率、透过率都不同,ITO薄膜的导电率主要依靠氧空位和杂原子掺杂提供载流子。1个Sn4+取代In3+可以提供1个电子,1个氧空位可以提供2个电子;然而,迁移率与薄膜中的散射机制有关。

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不同氧含量的ITO薄膜的电学特性

从上图可以看出,载流子浓度随着氧含量的增加而降低,这是由氧空位减少引起的。随着氧含量的增加,迁移率呈现先增加后减少的趋势。当氧含量为2.2%时,迁移率达到最大值29.9 cm-2/V-2·s-1;然而,当氧含量超过2.2%时,迁移率降低。丰富的氧含量使薄膜中的氧离子成为氧杂质。因此,载流子的散射随着氧含量的增加而增强,导致载流子迁移率下降,电阻率随着氧含量的增加而增加。根据ρ=Nμ,ITO薄膜的电阻率与载流子浓度和迁移率有关,并且与载流子浓度和迁移率的乘积成反比。一开始,由于氧气不足,ITO薄膜中存在很多氧空位,导致载流子浓度较高,电阻率较低。此后,随着氧含量的增加,薄膜中的载流子浓度和迁移率均下降,电阻率增大。

2. 光学性能

ITO薄膜的透过率主要与两个波长区域有关,即中短波区域长波长区域。中短波区的透过率主要与材料的禁带宽度有关,而长波区的透过率主要与载流子浓度有关。过高的载流子浓度会与入射光产生强烈的相互作用,从而影响薄膜的透过率。从下图可以看出,随着氧含量的增加,ITO薄膜的透过率先增加后略有下降。由于在高氧含量条件下形成高价化合物,薄膜的透光率上升至90%以上。当继续增加氧含量时,透光率再次下降,这可能是由于晶界吸收了过量的氧离子以及样品中的缺陷增强了样品的散射。ITO薄膜制备过程中影响其性能的因素 (https://ic.work/) 电源管理 第3张

不同氧含量的ITO薄膜的光学特性

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