薄膜太阳能电池经过高温后退火对其光电性能的影响

太阳能电池是一种光电能量转换器件，可以将光能转变为电能并且在转换过程中没有任何污染物排放，是最重要的清洁能源之一。随着人们环保意识的提高，地球上石油能源的日益衰竭，对于清洁能源的需求越来越旺盛。相比于其他清洁能源，利用半导体的光伏特性进行太阳能的能量转换，具有不受地域限制的优点，地球上有阳光的地方，就能利用太阳能电池转换太阳的直接能量和漫射能量硅基的太阳能电池基于电池体材料的差别可以分为：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池虽然在电池的转换效率上仅有8%~10%，但制备成本低，应用场合广泛，如可以应用于柔性衬底和节能建筑上，成为了人们研究的重点。

非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率低于晶硅太阳能电池的主要原因在于非晶硅薄膜中的各种复合中心密度远远高于晶体硅，这导致非晶硅薄膜太阳能电池所产生的光生载流子在电池中运动过程中被复合，降低了电池的利用效率。因此，如何降低非晶硅薄膜太阳能电池的载流子复合率成为提高非晶硅薄膜太阳能电池效率的主要研究方向。

一般来说，减少载流子在半导体中的复合率主要的方法有2种：1）减少材料中的复合中心密度，从而降低复合率达到增大光生电流密度的作用；2）减小载流子扩散到电极的距离，从而提高光生电流密度。为了达到以上两种方法的效果，本文在非晶硅薄膜太阳能电池的生产工艺中设计了高温快速退火工艺过程，并对高温退火后的非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应进行了研究。

1薄膜电池的光电特性分析当太阳光照射到太阳能电池上，由于存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降，因此，光生载流子产生率随着光照的深入而减小。光生电流如式1所示。

其中q为电子电量，Q为在结的扩散长度内非平衡载流子的平均产生率，A为PN结面积，Lp为空穴的扩散长度，Ln为电子的扩散长度。由于电子和空穴必须在势垒区内实现电荷的分离，因此，发射区厚度必须要小于电子或空穴的扩散长度，这是光伏电压产生的必要条件。

由于非晶硅材料中的缺陷密度较高，其载流子的扩散长度与晶体硅电池相比小很多，因此，非晶硅薄膜太阳能电池的发射区厚度必须小于晶体硅的发射区厚度。利用高温快速退火的方法一方面可以减少非晶硅薄膜中缺陷的密度，另一方面可以达到通过杂质的扩散和相互的补偿实现减小发射区厚度的目的。因此，本文利用SILVACO软件进行了非晶硅薄膜太阳能电池的后退火工艺仿真研究。

2非晶硅薄膜太阳能电池模型设计与参数优化2.1非晶硅薄膜太阳能电池模型本文设计的非晶硅薄膜太阳能电池结构如a所示，仿真电池结构如b所示。该电池的顶电极为ITO（氧化铟锡）透明导电薄膜，电池体由非晶硅PN结构成，底电极为铝。该结构为传统的薄膜太阳能电池结构。

2.2传统工艺下电池参数优化所示为非晶硅薄膜太阳能电池中N型区杂质浓度导致电池光谱响应及短路电流（4）的变化。从图中可以看出随着N型区杂质浓度的增加，电池光谱响应及短路电流均下降。随着N区杂质浓度的增加，N区的载流子复合中心密度增加，这必然导致电池的电流密度下降，从而降低了电池的光电性能。

所示为非晶硅薄膜太阳能电池中P型区杂质浓度导致电池光谱响应及短路电流的变化。从图中可以看出随着P型区杂质浓度的增加，电池的光谱响应在短波方向增加，在长波方向降低。这主要因为随着P型区杂质浓度的增加，PN结N型耗尽区展宽，P型耗尽区变窄，由于短波的吸收主要在表面的N型区中，因此，N型耗尽区的扩展有利于提高短波的光谱响应同。长波的吸收主要发生在P型耗尽区，由于杂质浓度增加，P型耗尽区宽度减小，导致长波的光谱响应下降。从b中可以看出，短路电流先增加后减少。

通过对电池掺杂浓度的研究，可以看出较好的非晶硅薄膜太阳能电池掺杂浓度为：N区杂质浓度为1x1016cm-3；P区杂质浓度为1x1017cm-3.3后退火工艺对非晶硅薄膜太阳能电池性能的影响3.1非晶硅薄膜太阳能电池工艺流程分析传统的非晶硅薄膜太阳能电池的生产工艺流a原理结构图b仿真结构图非晶硅薄膜太阳能电池结构示意图a对光谱响应的影响b对短路电流的影响非晶硅薄膜太阳能电池P区杂质浓度对光谱响应和短路电流性能的影响程如下：为950.匕起始衬底为：导电玻璃N型非晶娃淀积保护层及电气联接P型非晶硅淀积。设计后退火工艺制备的非晶硅薄膜太阳能电池的工艺流程如下：3.2退火温度对电池光电性能的影响所示为退火温度对非晶硅薄膜太阳能电池光谱响应的影响。退火温度为9001000°C，退火时间为1min.从图中可以看出，随着退火温度的增加，电池的光谱响应特性得到改善，在1000C时，可以提高约5.39%.为减小后退火对于非晶硅薄膜中杂质再分布的影响且达到退火的效果，且由于N层较薄，P层浓度较高，1000C退火易将N层完全补偿，工艺控制难度大，因此选取退火温度3.3退火时间对电池光电性能的影响所示为退火时间对电池光谱响应的影响。选用950C退火，分别进行1~5min的退火。从图中可以看出，随着时间的增加，电池的短波光谱响应强度逐步增强，但是与退火时间不存在线性关系，5min退火后，电池的短路电流提高约为6.37%.从中看，经过4min退火后，光谱响应变化不大，因此，确定在950C退火的条件下，4min的退火时间最为理想。

3.4结果与分析从和中可以看出经过退火处理后，非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应性能获得了提高。且其性能随着退火温度和时间的增加而增加。从光谱响应上看，经过后退火的非晶硅薄膜太阳能电池在短波段的光谱响应性能提高，其原因在于经过后退火，非晶硅薄膜太阳能电池P型区和N型区的杂质互相扩散，由于N型区的杂质浓度较P型区低一个数量级，高温退火将使电池中的杂质互相扩散、补偿，减小了电池的结深，减少了发射区厚度，从而提高了电池的短波响应。所示分别为1min退火后，非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应曲线。这2种方式退火后，其电池的结深接近，光谱响应性能接近。说明提高退火温度和增加退火时间可以达到相同的实验效果，但是，由于在较高温度下退火所用的时光波长/pma对光谱响应的影响b对短路电流的影响退火温度对非晶硅薄膜太阳能电池光谱响应及短路电流的影响光波长/pma对光谱响应的影响时间/minb对短路电流的影响电池光谱响应及短路电流的影响退火时间对非晶硅薄膜太阳间较短，工艺控制难度大，因此，选用较低的温度和较长的退火时间更为理想。

光波长/pm2种退火方式对非晶硅薄膜太阳能电池的光谱响应的4结语本文应用SILVACO仿真软件，对非晶硅薄膜太阳能电池的后退火工艺进行了探索。仿真结果表明，在非晶硅薄膜太阳能电池的生产中增加后退火工艺可以有效地提高薄膜太阳能电池的光谱响应性能，特别是短波响应。通过比较不同退火工艺条件下电池的光谱响应性能，发现后退火工艺是通过减薄非晶硅薄膜太阳能电池中PN结的结深，达到减小发射区厚度，提高非晶硅薄膜太阳能电池的光电性能的目的。由于应用较高的退火温度进行退火，需要严格控制退火的时间。因此，选用较低退火温度（950QC），较长退火时间（4mln）的退火工艺更适合非晶硅薄膜太阳能电池的实际生产需要。