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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ar•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＞＞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（＜200C,无离子轰击）＞阻止金属杂质的扩散（Cu…）•适合组件封装＞稳定性＞没有蛻化（空气、水汽）透明导电膜的矛盾• TCO要求高电导率> o=N|i 一一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(卩)的材料一高FF+髙Jsc•目前大部分人使用的是ITO (ln2O3:Sn)A In稀缺，很贵-无In材料透明导电膜的要求电阻］gN卩矛盾H 矛盾—透过率t中短波透过率t长波透过率tNl _掺杂I |一,TCO膜的光学特性ITO的晶体结构施主杂质1山3是方铁竄矿结构一个晶胞中含16个化学式的1口2空位：1203小多出2个电子 Lsn掺杂：多出1个5S电子• 8个俨处于b位置• 24个处于d位置受主杂质 //0间隙：血2。

3球多出2个空穴 / 2Sn・O" 一补偿In1: b site/ln2: d site) 0 : Oxygen/ O - Vacant fluorite-type site,，、 |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膜中的吸收过程带间吸收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：带内跃迁一离子散射Ej0.3hwp ] 了10——RropH 30一带隙迁移对数带边界颗粒边界的电子散射Sn离子的部分屏酿所引起的电子散射「Sh离子屏蔽所引起的电子散射 厂自由电子特性声子吸收TCO的光损失模型带间跃迁强吸收带内跃迁强反射 *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200 600 1000 1400 1800Z[nm]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ra芭 aou2d」osq

□E•减小载流子浓度，增加振荡波长;I□E•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e-T卩~m *I I I 1 Rt “g 四三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(I)- •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:3(0%)勺尸竺 !Z2m^*2e3 Hj Fj (5)-2J/3"3?占=阪2)疽"一〃其中：一真空介电常数；与一相对介电常数 如果：介质是无补偿的完全离化的半导体，则n.- = ne- 气一自由电子密度F-屏蔽势ni—离化杂质浓度j 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•摻杂离子的荷电状态(z)对载流子影响很大(1/Z2)晶格散射晶界散射地=（聂厅）唧（一糸）啊=外粧gL为晶粒尺寸，①b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，eN^eNw,山是界面陷阱态密度（典型值为0.3-3.0X1013cm-2）, 因此有：（pb — e2 N f/Ss so N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_ MR"/—3m〃/2 写（打）3/2C|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%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 吼3的迁移率 高于ZnO的1E20 1E21Carrier concentration [cm”80604020【S/VE〕3三 q切0011E191E19Z 1E20 \ 1E21/ Carrier concentration [cRi3]40W/VE荣2M-BDH理论计算的杂质散射迁移率 /A一考虑晶粒边界散射（晶粒尺寸L=50nm, Qt=1.5xl013cm-2）B-考虑晶粒边界散射（晶粒尺寸L=50nm, Qt=3.0xl013cm-2）考虑离化杂质散 射和晶格散射的 维像曲线Sato理论边界上受主缺陷密度TCO的电学特性典型的TCO：• ne： 1019-1021cm-3•卩/ 30 - lOOcmV1^1•对于相对较高的掺杂浓度（＞2XlC）20cm-3）,影响迁移率的 机制主要是杂质离子散射。

•对于相对低的掺杂浓度，晶粒边界散射也有影响（Minami）提高载流子迁移率的建议•降低载流子浓度•增大晶粒尺寸 •减少晶粒边界的势垒（晶粒边界的钝化） •减少补偿度（减少杂质浓度）•减少高价离子数量（如氧空位Ob=1III•提高ITO薄膜的晶化率三,TCO膜的功函数势垒=0.6eV小4.7eV/EvacJC功函数对于HJ电池的影响0(1#) a-Si:H(p) a-Si:H(i) c-Si:H(n) TC0(2#) a-Si:H(p) a-SLfl(i) c-Si:H(n)3.9eV3.9eV1.72e\A4.05eV1.12eV3.8eVEvac5.2(VEcL3.8e\3.9eV3.9eV4.05eV1.72eVUEva-Si:H(p)： WF=0.53eV,EF-Ev=0.3eV功函数为4.7eV的TCO做前电极时能带图 ＞空穴势垒高功函数为5.2eV的TC做前电极时能带图＞空穴势垒低各种材料的共函数范围• WF=3.4~4.5eV： AZO n• WF=4.2~4.7eV： ITO L 大N, T下降• WF=5.l~6.4eV： WOx 一• WF=6.86eV： MoO• WF=6.1eV： Zn-ln-Sn-0 （高WF,高T）可见：•低功函数材料（AZO、ITO）适合制备背面TCO膜（n-Si:H）•高功函数材料（IWO、IMO）适合制备前表面TCO膜（p.Si:H）EcEact：激活能（带边到费米 能级的能量间 距）EvEg^AHTCO层与不同非晶硅层的功函数匹配导致的填充因子的变化虽然重P型重摻杂 可以降低对TCO高 功函数的要求， 但是会增加非晶 硅层的缺陷和“ 收，导致Voc降低4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6WF|p/eVKurt-Ulrich Ritzau, Martin Bivour, Sebastian Schroer, Heiko Steinkempec Patrick Reinecke, Florian Wagner;Martin Hermle, TCO work function related transport losses at the a-Si:H/TCO-contact in SHJ solar cells , Solar EnergyMaterials&SolarCellsl31(2014)9-1322功函数对于HJ电池的影响20 X 1萨 cm<> TCO和P型非晶硅发射极接触, 需要高功函数86420 I 0 12 3 4WTCO—■—5 4eV ―•— 5 3eV —A— 5 2eV—▼—5 1eV —4— 5 OeVThickness of the。