非晶硅锗单结电池长波响应提升的初步研究

摘要

: 采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术，对用于中间电池的非晶

硅锗

P/I/N 型单结电池进行研究。针对中间电池需要较高的长波响应，以实现太阳光谱的合

理分配的问题，采用各种工艺优化手段来提升非晶硅锗电池的长波响应。通过对锗硅气体流
量比、以及采用锗流量梯度对本征层带隙分布等进行调控，有效提高了电池的长波响应。以
Al 为接触电极的单结非晶硅锗长波典型波段 800 nm 量子效率达到 10%，>530nm 积分电流
密度达到

10.14mA/cm2，并保持较高的 Voc 和 FF；a-Si:H/a-SiGe:H 双叠层的 800 nm 量子

效率达到

20%，a-SiGe:H 子电池短路电流密度达 9.77mA/cm2，效率达 8.6%。

　　

1 引言　　氢化非晶硅锗合金（a-SiGe:H）由于其光学特性而被广泛应用于三结叠层电

池的中间电池和底电池。锗的掺入可以有效降低氢化非晶硅（

a-Si:H）材料的带隙，通过调

节锗硅掺入比，其光学带隙在

1.1~1.8eV 范围可调[1]，材料的长波吸收系数相比于 a-Si:H 

更高。应用于电池上可以增强其长波区域（

600~900nm）的吸收，从而拓宽对太阳光谱的响

应。
　　三结叠层中间电池的有效吸收波段为

510nm~900nm。Unisolar  公司制备的 a-Si:H/a-

SiGe:H/nc-Si:H  三 结 叠 层 电 池 效 率 达 到 16.3% ，   其 中 中 间 电 池 短 路 电 流 密 度 达
9.43mA/cm2，与顶、底子电池短路电流密度达到良好的电流匹配[2]。为实现中间电池与顶、
底子电池的电流匹配，我们需要采取工艺手段以及设计器件结构以提高该光谱波段在

a-

SiGe:H 中间电池中的吸收和收集。本文采用射频等离子体化学气相沉积(RF-PECVD)技术，
通过对

a-SiGe:H 材料本征层的锗硅比的调控，以及对本征层带隙分布等进行设计，有效提

高单结非晶硅锗电池在中间电池有效吸收波段的响应，同时保证电池具有高的

Voc 以及

FF。我们初步将单结电池工艺应用于 a-Si:H/a-SiGe:H  叠层电池中，使用 Al  背电极其 a-
SiGe:H 底电池短路电流密度达 9.77mA/cm2。
　　

2 实验　　本论文所有系列样品都在本研究所的辐射型多功能薄膜沉积系统（Cluster 

CVD）中制备。实验腔室的本底真空都保持 10-6 量级。电池结构为 Glass/SnO2:F/(p)a-
SiC:H/buffer/a-SiGe:H/ buffer /(n)a-Si:H/Al。电池 P、I、N 三层均采用射频等离子体化学气相沉
积

(RF-PECVD)技术制备。本征层采用的制备气体为锗烷(GeH4)、乙硅烷(Si2H6)气体和氢气，

热蒸发

Al 制备背电极，电池面积为 0.253cm2。

　　本征层锗含量采用

X 射线荧光光谱(XRF) 测试获得， 所采用的测试设备是 Panalytical 

PW2403 全自动 X 射线荧光光谱仪。采用 UV-VIS-NIR 分光光度计(Cary 5000)测试获得材料
的透过谱，通过采用无条件优化拟合法获得材料的吸收系数，对其进行

Tauc 拟合从而获得

材料的光学带隙。

a-SiGe:H 材料的厚度通过台阶仪测试获得。

　　电池进行了光态

IV，QE 测试以及反偏压 QE 测试，光态 IV 测试在 25

℃温度下进行，

测试采用光谱为

AM1.5。对光态 J-V 曲线采用 Crandall 均匀电场模型[3]进行拟合计算，在已

知厚度的条件下，获得本征层材料的

μτ 积参数，以此作为本征层材料质量的表征。通过测

试电池量子效率

(QE)来获得电池不同波长光子的响应，以及载流子在电池不同位置的收集

水平。反偏压测试外加负偏压为

-1V。通过大于 530 nm 波段的量子效率曲线进行积分，获得

该长波段贡献的短路电流密度，以此作为长波响应的表征。
　　

3 结果与讨论