[发明专利]一种交替生长技术制备绒面结构ZnO薄膜及其应用

说明书

【技术领域】

本发明属于透明导电氧化物薄膜领域，特别是一种交替生长技术制备绒面结构ZnO薄膜其其应用。

【背景技术】

透明导电氧化物(Transparent conductive oxides-TCO)薄膜指对可见光(λ＝380～800nm)的平均透过率高(T≥80％)，低电阻率(ρ≤10^-3Ωcm)的氧化物薄膜。广泛研究和应用的TCO薄膜主要是F掺杂的SnO₂:F薄膜、Sn掺杂的In₂O₃:Sn(ITO)薄膜和Al掺杂的ZnO:Al薄膜。在太阳电池应用领域，由于ITO和SnO₂薄膜在氢等离子环境中容易被还原变黑导致其光学特性恶化，成为应用的障碍。近年来，ZnO薄膜具有成本低，无毒，易于光刻加工并且在H等离子体环境中化学稳定性好，在Si薄膜太阳电池中获得了良好应用研究[参见J.Meier，S.Dubail，R.Platz，etc.Solar Energy Materials and Solar Cells，49(1997)35.]。

对于Si薄膜太阳电池，主要包括非晶硅a-Si:H电池、微晶硅μc-Si:H电池以及非晶/微晶叠层“micromorph”电池来说，TCO薄膜的陷光(light trapping)作用对器件性能尤为重要[参见Arvind Shah，J.Meier，E Vallat-Sauvain，etc.Thin Solid Films，403-404(2002)179.和A.V.Shah，H.Schade，M.Vanecek，etc.Progress in Photovoltaics，12(2004)113.]，即提高光散射能力，增加入射光的光程。陷光结构的应用可以有效增强本征层(有源层)的光学吸收，提高短路电流密度，从而提高电池效率。通常绒面结构前电极和背反射电极可实现陷光作用。绒面结构可通过调节薄膜晶粒尺寸大小、晶粒形状等特征实现粗糙表面，并且其物理化学性能有助于后续薄膜沉积(如Si薄膜)。

磁控溅射技术应用最为广泛。但磁控溅射技术获得的ZnO薄膜表面平整，晶粒较小(30nm-100nm)，难以形成良好的光散射作用；此外，取得良好光电性能的ZnO-TCO通常需要的生长温度较高(＞200℃)。然而，MOCVD技术(金属有机化学气相沉积技术)可实现低温(135-150℃)薄膜生长，晶粒较大(300nm-500nm)，能直接形成绒面结构[参见X.L.Chen，X.H.Geng，J.M.Xue，etc.Journal of Crystal Growth，296(2006)43.；陈新亮，薛俊明，孙建等，半导体学报，2007，28(7)：1072；S.，U.Kroll，C.Bucher，etc.Sol.Energy Mater.Sol.Cells 86(2005)385和S.，L.Feitknecht，R.Schluchter，etc.Sol.Energy Mater.Sol.Cells90(2006)2960.]，可以实现高速率大面积薄膜沉积。

因此，利用MOCVD技术(金属有机化学气相沉积技术)生长绒面结构ZnO-TCO薄膜，可作为绒面结构前电极和背反射电极应用于柔性衬底硅基薄膜太阳电池，提高电池光电转换效率和稳定性。然而，为了进一步提高薄膜在可见光及近红外区域的光学性能，主要是应用于微晶硅(μc-Si:H)薄膜电池及非晶硅(a-Si:H)/微晶硅(μc-Si:H)叠层薄膜电池，ZnO-TCO薄膜性能仍需改进和提高。MOCVD生长硼掺杂ZnO薄膜过程中，B掺杂的主要影响是：1)适当的B掺杂有利于提高薄膜电学性能；2)B掺杂容易导致薄膜晶粒尺寸变小，从而绒度降低，薄膜光散射能力下降；3)B掺杂将引入过多的自由载流子，影响薄膜在近红外区域的透过率。

因此，基于以上分析，为实现ZnO-TCO薄膜在可见光及近红外区域的具有良好的光电性能，并且具有良好的光散射特性，本发明提出利用MOCVD交替生长多层ZnO薄膜及其应用的方法，其适用于Si薄膜太阳电池应用，尤其是叠层薄膜太阳电池。此方法有助于实现光电性能平衡，并且薄膜具有良好的光散射特性。

【发明内容】