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HIT电池中的TCO技术进展 王文静 中科院电工研究所 中国科学院大学 TCO的要求 ? 电学特性 ? 载流子收集和向前后金属的传递 ? 对于a-Si(n)和a-Si(p)的能带弯曲的优化（功函数匹配） ? 与Ag或Cu的接触电阻低 ? 光学特性 ? 减反射 ? 透光率（300~1200nm），限制在IR处的吸收 ? 没有对a-Si层的损坏 ? 柔和的沉积条件（200℃，无离子轰击） ? 阻止金属杂质的扩散（Cu…） ? 适合组件封装 ? 稳定性 ? 没有蜕化（空气、水汽） 透明导电膜的矛盾 ? TCO要求高电导率 ? σ=Nμ ——应该提高载流子浓度和迁移率，以提高电导率 ? N的提高会造成因自由载流子的等离子震荡而造成的在IR段的吸收（FCA） →高迁移率（μ）的材料→高FF+高Jsc ? 目前大部分人使用的是ITO（In2O3:Sn） ? In稀缺，很贵 →无In材料 透明导电膜的要求 掺杂↓ μ↑ 晶粒尺寸↑ 矛 体电阻↓ 氧空位↓ 盾 II 掺杂↑ N↑ 电阻↓ 氧空位↑ σ=Nμ 接触电阻↓ ΔE↓ 功函数匹配 矛 盾 I 中短波 透过率↑ 透过率↑ 长波 透过率↑ N↓ 掺杂↓ 一、TCO膜的光学特性 ITO的晶体结构 In2O3是方铁锰矿结构 施主杂质 O 空位： In2O3-x多出2个电子 一个晶胞中含16个化学式的In2O3： Sn掺杂：多出1个5S电子 ? 8个In3+处于b位置 ? 24个处于 受主杂质 O 间隙： In2O3+x多出2个空穴 2Sn·O”——补偿 Sn4+ 补偿导致中性杂质，未激活，降低迁 移率，却没有对导电的贡献。 TCO膜中的吸收过程 对于费米能级在禁带中的半导体， 吸收主要来自于： ? 带间跃迁 ? 掺杂杂质到能带边的跃迁 对于ITO，光损失来自于 光吸收：带间跃迁 光反射：带内跃迁—离子散射 TCO的光损失模型 带间跃迁 T 强吸收 带内跃迁 强反射 R 解释带内跃迁的标准模型共 三种： ? OJL模型 ? 简谐振子理论 ? Drude模型 厚度为1.656微米的ITO薄膜的透射谱和反射谱 吸收随迁移率的变化 提高迁移率可以 减低长波吸收 TCO薄膜在固定载流子浓度下，吸收随迁移率的变化 不同的载流子浓度对于反射与吸收特性的影响 ∞ = mc*=0.35me ε∞=4.48 =1320nm 1870nm 2960nm 降低电子浓度：提升透过率 提高迁移率：降低长波吸收 不同的ε∞的透射和反射率 ∞ = mc*=0.35me ε∞= 3.5 5.5 Nc=5X1020cm-3 μ=40cm2/Vs =1650nm 2070nm 提高介电常数：降低长波吸收 改善ITO透明度的建议 ? 重掺杂，以增加有效带隙宽度，减小带间跃迁吸收。 ? 减小载流子浓度，增加振荡波长 ? 在自由电子浓度较大的情况下如何降低载流子浓度： ? 减少不稳定的氧缺陷杂质 ? 降低晶粒边界（增大晶粒） ? 提高载流子的迁移率也可以降低ITO膜的吸收 二、TCO膜的电学特性 TCO膜的迁移率 三种散射导致迁移率的下降： ? 离化杂质散射（i） ? 晶粒边界散射（g） ? 声子散射（l） ? 中性杂质的散射（n） 离化杂质散射 离化杂质散射的BHD（Brooks-Harring-Dingle）表达式： ne— 自由电子密度 Fi— 屏蔽势 ni —离化杂质浓度 Z — 施主杂质荷电态 ? 掺杂浓度越高，受到散射的几率越 大。 ? 离子散射迁移率与温度无关 ? 掺杂离子的荷电状态（Z）对载流子 其中：ε0 — 真空介电常数； εr — 相对介电常数 影响很大（1/Z2） 如果：介质是无补偿的完全离化的半导体，则ni = ne 晶格散射 晶界散射 L为晶粒尺寸，Фb为晶界势（势垒高度），N为施主浓度，W为耗尽层宽度。晶粒 尺寸越大，晶界散射越小。晶界势越大，晶界散射越大。 由于界面态处于费米能级EF之下，因此界面态填充了电子，因此界面电荷等于两侧 耗尽区所载的电荷，eNT=2eNw，NT是界面陷阱态密度（典型值为0.3-3.0X1013cm-2）， 因此有： 典型的TCO掺杂浓度很高，平均自由程只有纳米量级，所以晶粒边界散射效 应相对较小。 其他散射 晶格振动散射 Cl为纵向弹性模量，Ed为形变势常数。常数：ZnO：210cm2/Vs；InO： 250cm2/Vs 中性杂质散射 nN是电中性杂质的浓度，值越大，载流子迁移率越小。在重掺杂半导体中，温度 很低时，才起主要作用。在质量较好的ITO薄膜中，可以忽略。 晶粒尺 寸及 界 面电荷 对迁 移 率影响很大 TCO膜的迁移率 重掺杂 情况 下 In2O3 的 迁移 率 高于ZnO的 M—BDH理论计算的杂质散射迁移率 A — 考虑晶粒边界散射（晶粒尺寸L=50nm，Q