摘要：本文研究了納米織構化金屬背接觸對非晶硅薄膜太陽電池光俘獲和等離子體損失的影響。利用金屬背接觸的織構化和太陽電池與金屬背接觸間內插層的介電常數確定了背接觸的光損失。研究表明：當背接觸表現出納米特征時，光損失最大，而前接觸由于光傳播路徑穿過疊層，其織構化對光損失僅有微小的影響。
前言
薄膜太陽電池中的光俘獲或是光子管理，要同時考慮降低光的反射損失和增大吸收層內入射光的光程長度[1,2]。如果對前接觸和背接觸進行織構化，能使光俘獲最大化。粗糙的背接觸能散射和衍射波長較長的光[3,4]，還能增加金屬-電介質界面的光吸收[5-9]。通過引入折射率低于非晶硅的織構化的電介質層，可以降低背接觸的等離子體吸收。鋁摻雜氧化鋅（ZnO：Al）被廣泛用作金屬背接觸和硅p-i-n二極管（結構）間的內插層[10,11]。在電介質內插層中，側向維度接近入射光有效波長的表面織構化能夠耦合入射光和等離子體模[13]。圖1（e）-1（h）為有/無ZnO內插層的薄膜太陽電池示意圖。由于內插層是采用濺射制備，所以通過p-i-n二極管n型層的粗糙度和形貌來確定表面織構化程度。利用鹽酸（HCl）對ZnO內插層的濕法化學刻蝕可以對背接觸粗糙度進行調控。在本文中，主要考量了ZnO內插層形貌對太陽電池的量子效率和短路電流的影響。
實驗
在1.43平方米（m2）的玻璃襯底上，利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）制備了非晶硅p-i-n太陽電池。由于非晶硅材料極高的缺陷密度和較低的載流子擴散長度[12]，太陽電池非常薄，總厚度僅為320納米（nm）。玻璃襯底由一層隨機織構化的二氧化錫層（SnO2）覆蓋。更加詳細的非晶硅層光學和電學性質在參考文獻12中有所介紹。ZnO內插層和銀（Ag）背接觸采用直流（DC）磁控濺射制備。ZnO內插層厚度為400nm。有/無ZnO內插層的太陽電池橫截面如圖1（e）-1（h）所示。
分析
將ZnO內插層放置于3%的HCl溶液內進行不同時間的濕法化學刻蝕，刻蝕工藝會改變ZnO內插層的形貌。圖1（a）-1（d）顯示了經不同刻蝕時間的ZnO內插層的原子力顯微鏡（AFM）的掃描結果，掃描面積為5um x 5um。四個AFM掃描結果的高度標尺是相同的。
未經刻蝕的ZnO內插層的表面粗糙度（均方根粗糙度）被確定為38.6nm。而經2s、5s、和10s的HCl刻蝕的樣品，其粗糙度分別為66.7nm，126.7nm和44.5nm。表一總結了不同刻蝕時間的ZnO內插層的表面性質。隨著刻蝕時間的增加，可以看到表面特征的形狀和維度隨之變化。而且，ZnO內插層的厚度也隨之減小。刻蝕時間超過10s時，ZnO內插層完全從太陽電池移除。
圖1 沉積在隨機織構化二氧化錫襯底上的，厚度為320nm的非晶硅太陽電池的背接觸AFM掃描圖像（5 x 5 um2）。顯示了：（a）原生沉積，（b）經2s刻蝕，（c）經5s刻蝕，（d）經10s刻蝕的ZnO內插層AFM掃描圖像。圖（e）-（h）示意了圖（a）-（d）中不同背接觸圖案的太陽電池。
表一 非晶硅太陽電池背接觸的表面參數
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均方根粗糙度（nm） 平均周期（nm） 平均高度（nm） 納米特征
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前接觸 39.6 251 55.5 -
背接觸（n型層） 37.3 276 51.0 ++
背接觸+400nmZnO 38.6 315 46.0 ++
背接觸+400nmZnO+2sHCl刻蝕 66.7 241 93.7 ++++
背接觸+400nmZnO+5sHCl刻蝕 126.7 260 193.0 +++
背接觸+400nmZnO+10sHCl刻蝕 44.5 275 50.5 ++
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經不同刻蝕時間的ZnO內插層非晶硅太陽電池的實測量子效率和總吸收率如圖2所示。
ZnO內插層的刻蝕能獲得較高的總吸收率，而無論刻蝕時間長短，620nm以上波長的量子效率都較低。因為四個非晶硅太陽電池的疊層順序是相同，總吸收率的增大和量子效率的減小只能歸因于銀背接觸的光損失增加[13]。ZnO內插層的刻蝕時間為2s時，觀察到的背接觸的光損失最大。表二總結了經不同刻蝕時間的ZnO內插層非晶硅太陽電池的參數。
圖2 有/無ZnO內插層和ZnO內插層經不同刻蝕時間的太陽電池的吸收譜和量子效率
表二 不同內插層圖案的非晶硅太陽電池電學參數
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內插層 Voc Jsc FF Eff Rs Rsh
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無內插層 889 14.1 66 8.27 7.6 716
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背接觸+400nmZnO 896 15.0 71 9.54 5.7 1330
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背接觸+400nmZnO+2sHCl刻蝕 885 13.1 70 8.11 5.8 1350
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背接觸+400nmZnO+5sHCl刻蝕 865 13.8 62 7.36 10.9 723
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背接觸+400nmZnO+10sHCl刻蝕 880 14.3 69 8.66 6.6 1190
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注：Voc--開路電壓（單位：毫伏）； Jsc--短路電流密度（單位：毫安/平方厘米）； FF--填充因子（百分比） Eff--光電轉換效率（百分比）；Rs--電池串聯電阻（單位：歐姆*平方厘米）；Rsh--電池并聯電阻（單位：歐姆*平方厘米）。
ZnO內插層刻蝕時間為2s的電池較未經刻蝕的電池，其短路電流減少了1.9毫安/平方厘米（mA/cm2）。繼續增加刻蝕時間，短路電流逐漸增大，并接近無ZnO內插層的電池的短路電流值。然而，經刻蝕的ZnO內插層非晶硅太陽電池，其短路電流還是低于未經刻蝕的電池。此外，相關電池的串聯、并聯電阻信息也在表二中列出。串聯電阻的最高值和并聯電阻的最低值在背接觸形貌最粗糙時獲得，這也導致填充因子的下降。然而，短路電流最高（未經刻蝕）和最低（經2s刻蝕）的電池表現出幾乎相同的串并聯電阻，所以由電接觸導致的電學損失可以排除，短路電流的下降并非來源于電接觸的差異，而是背接觸引起的光損失增加導致的。對四個樣品進行表面特征分析表明：四個樣品的表面織構化平均周期仍然相差無幾，但薄膜的均方根粗糙度和平均粗糙度顯著增大。這似乎能得出結論：光吸收隨表面粗糙度的增大而增加。因此，我們預測經5s刻蝕的背接觸，其光吸收最高。但是，最高的光吸收卻在經2s刻蝕的背接觸的樣品中觀察到。對此，我們進行了進一步的分析，結論是：刻蝕薄膜的形成對背接觸光吸收有很大影響，經2s刻蝕的薄膜表面，其特點是在較大尺度（150-350nm）的結構上還形成了納米尺度（30-70nm）特征的結構。我們對不同刻蝕時間的襯底進行功率譜密度（PSD）計算（如圖3），并把PSD相對于均方根粗糙度的平方做歸一化處理，最終結果也印證了這一結論。
圖3 ZnO內插層未經過/經過濕法刻蝕后，背接觸實測并經歸一化處理的功率譜密度
經2s刻蝕的樣品表現出最高密度的納米尺度特征。太陽電池中，光波傳播的光學模擬則表明：特征維度在20-50nm的納米織構化金屬背接觸展現出強吸收[14]。為了能夠全面的描述背接觸的光損失行為，必須考慮金屬/電介質界面的形貌，包括納米粗糙度等[15,16]。維度在30-70nm的微小表面特征會導致光在背反射過程中的吸收增加。這類納米尺度特征會在材料的生長過程和/或刻蝕工藝中引入。以濕法化學刻蝕背接觸為例，我們可以清晰的看到：經2s的刻蝕，背接觸表現出最高密度的納米尺度特征。因此，對背接觸納米粗糙度進行優化，使等離子體吸收所導致的光損失最小化，是至關重要的。
結論
本文研究了背接觸形貌對非晶硅太陽電池光俘獲和等離子體吸收的影響。通過背接觸材料及其形貌確定了太陽電池背接觸的光學性質。對濺射ZnO薄膜進行濕法化學刻蝕會導致其均方根粗糙度的顯著增加和納米尺度特征的形成。額外的光吸收損失主要發生在具有納米尺度特征的背接觸中，而且實測量子效率和短路電流也會下降。背接觸的光損失和其形貌的功率譜密度函數相關。
（作者：U. Palanchoke， V. Jovanov， H. Kurz，R. Dewan， P. Magnus，H. Stiebig， D. Knipp 編譯/missyou4ever）
參考文獻：
1 A. V. Shah, H. Schade, M. Vanecek, J. Meier, E. Vallat-Sauvain, N. Wyrsch, U. Kroll, C. Droz, and J. Bailat, Prog. Photovoltaics 12（23）， 113-142 （2004）等
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