摘要：本文研究了纳米织构化金属背接触对非晶硅薄膜太阳电池光俘获和等离子体损失的影响。利用金属背接触的织构化和太阳电池与金属背接触间内插层的介电常数确定了背接触的光损失。研究表明：当背接触表现出纳米特征时，光损失最大，而前接触由于光传播路径穿过叠层，其织构化对光损失仅有微小的影响。
前言
薄膜太阳电池中的光俘获或是光子管理，要同时考虑降低光的反射损失和增大吸收层内入射光的光程长度[1,2]。如果对前接触和背接触进行织构化，能使光俘获最大化。粗糙的背接触能散射和衍射波长较长的光[3,4]，还能增加金属-电介质界面的光吸收[5-9]。通过引入折射率低于非晶硅的织构化的电介质层，可以降低背接触的等离子体吸收。铝掺杂氧化锌（ZnO：Al）被广泛用作金属背接触和硅p-i-n二极管（结构）间的内插层[10,11]。在电介质内插层中，侧向维度接近入射光有效波长的表面织构化能够耦合入射光和等离子体模[13]。图1（e）-1（h）为有/无ZnO内插层的薄膜太阳电池示意图。由于内插层是采用溅射制备，所以通过p-i-n二极管n型层的粗糙度和形貌来确定表面织构化程度。利用盐酸（HCl）对ZnO内插层的湿法化学刻蚀可以对背接触粗糙度进行调控。在本文中，主要考量了ZnO内插层形貌对太阳电池的量子效率和短路电流的影响。
实验
在1.43平方米（m2）的玻璃衬底上，利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备了非晶硅p-i-n太阳电池。由于非晶硅材料极高的缺陷密度和较低的载流子扩散长度[12]，太阳电池非常薄，总厚度仅为320纳米（nm）。玻璃衬底由一层随机织构化的二氧化锡层（SnO2）覆盖。更加详细的非晶硅层光学和电学性质在参考文献12中有所介绍。ZnO内插层和银（Ag）背接触采用直流（DC）磁控溅射制备。ZnO内插层厚度为400nm。有/无ZnO内插层的太阳电池横截面如图1（e）-1（h）所示。
分析
将ZnO内插层放置于3%的HCl溶液内进行不同时间的湿法化学刻蚀，刻蚀工艺会改变ZnO内插层的形貌。图1（a）-1（d）显示了经不同刻蚀时间的ZnO内插层的原子力显微镜（AFM）的扫描结果，扫描面积为5um x 5um。四个AFM扫描结果的高度标尺是相同的。
未经刻蚀的ZnO内插层的表面粗糙度（均方根粗糙度）被确定为38.6nm。而经2s、5s、和10s的HCl刻蚀的样品，其粗糙度分别为66.7nm，126.7nm和44.5nm。表一总结了不同刻蚀时间的ZnO内插层的表面性质。随着刻蚀时间的增加，可以看到表面特征的形状和维度随之变化。而且，ZnO内插层的厚度也随之减小。刻蚀时间超过10s时，ZnO内插层完全从太阳电池移除。
图1 沉积在随机织构化二氧化锡衬底上的，厚度为320nm的非晶硅太阳电池的背接触AFM扫描图像（5 x 5 um2）。显示了：（a）原生沉积，（b）经2s刻蚀，（c）经5s刻蚀，（d）经10s刻蚀的ZnO内插层AFM扫描图像。图（e）-（h）示意了图（a）-（d）中不同背接触图案的太阳电池。
表一 非晶硅太阳电池背接触的表面参数
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均方根粗糙度（nm） 平均周期（nm） 平均高度（nm） 纳米特征
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前接触 39.6 251 55.5 -
背接触（n型层） 37.3 276 51.0 ++
背接触+400nmZnO 38.6 315 46.0 ++
背接触+400nmZnO+2sHCl刻蚀 66.7 241 93.7 ++++
背接触+400nmZnO+5sHCl刻蚀 126.7 260 193.0 +++
背接触+400nmZnO+10sHCl刻蚀 44.5 275 50.5 ++
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经不同刻蚀时间的ZnO内插层非晶硅太阳电池的实测量子效率和总吸收率如图2所示。
ZnO内插层的刻蚀能获得较高的总吸收率，而无论刻蚀时间长短，620nm以上波长的量子效率都较低。因为四个非晶硅太阳电池的叠层顺序是相同，总吸收率的增大和量子效率的减小只能归因于银背接触的光损失增加[13]。ZnO内插层的刻蚀时间为2s时，观察到的背接触的光损失最大。表二总结了经不同刻蚀时间的ZnO内插层非晶硅太阳电池的参数。
图2 有/无ZnO内插层和ZnO内插层经不同刻蚀时间的太阳电池的吸收谱和量子效率
表二 不同内插层图案的非晶硅太阳电池电学参数
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内插层 Voc Jsc FF Eff Rs Rsh
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无内插层 889 14.1 66 8.27 7.6 716
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背接触+400nmZnO 896 15.0 71 9.54 5.7 1330
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背接触+400nmZnO+2sHCl刻蚀 885 13.1 70 8.11 5.8 1350
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背接触+400nmZnO+5sHCl刻蚀 865 13.8 62 7.36 10.9 723
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背接触+400nmZnO+10sHCl刻蚀 880 14.3 69 8.66 6.6 1190
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注：Voc--开路电压（单位：毫伏）； Jsc--短路电流密度（单位：毫安/平方厘米）； FF--填充因子（百分比） Eff--光电转换效率（百分比）；Rs--电池串联电阻（单位：欧姆*平方厘米）；Rsh--电池并联电阻（单位：欧姆*平方厘米）。
ZnO内插层刻蚀时间为2s的电池较未经刻蚀的电池，其短路电流减少了1.9毫安/平方厘米（mA/cm2）。继续增加刻蚀时间，短路电流逐渐增大，并接近无ZnO内插层的电池的短路电流值。然而，经刻蚀的ZnO内插层非晶硅太阳电池，其短路电流还是低于未经刻蚀的电池。此外，相关电池的串联、并联电阻信息也在表二中列出。串联电阻的最高值和并联电阻的最低值在背接触形貌最粗糙时获得，这也导致填充因子的下降。然而，短路电流最高（未经刻蚀）和最低（经2s刻蚀）的电池表现出几乎相同的串并联电阻，所以由电接触导致的电学损失可以排除，短路电流的下降并非来源于电接触的差异，而是背接触引起的光损失增加导致的。对四个样品进行表面特征分析表明：四个样品的表面织构化平均周期仍然相差无几，但薄膜的均方根粗糙度和平均粗糙度显著增大。这似乎能得出结论：光吸收随表面粗糙度的增大而增加。因此，我们预测经5s刻蚀的背接触，其光吸收最高。但是，最高的光吸收却在经2s刻蚀的背接触的样品中观察到。对此，我们进行了进一步的分析，结论是：刻蚀薄膜的形成对背接触光吸收有很大影响，经2s刻蚀的薄膜表面，其特点是在较大尺度（150-350nm）的结构上还形成了纳米尺度（30-70nm）特征的结构。我们对不同刻蚀时间的衬底进行功率谱密度（PSD）计算（如图3），并把PSD相对于均方根粗糙度的平方做归一化处理，最终结果也印证了这一结论。
图3 ZnO内插层未经过/经过湿法刻蚀后，背接触实测并经归一化处理的功率谱密度
经2s刻蚀的样品表现出最高密度的纳米尺度特征。太阳电池中，光波传播的光学模拟则表明：特征维度在20-50nm的纳米织构化金属背接触展现出强吸收[14]。为了能够全面的描述背接触的光损失行为，必须考虑金属/电介质界面的形貌，包括纳米粗糙度等[15,16]。维度在30-70nm的微小表面特征会导致光在背反射过程中的吸收增加。这类纳米尺度特征会在材料的生长过程和/或刻蚀工艺中引入。以湿法化学刻蚀背接触为例，我们可以清晰的看到：经2s的刻蚀，背接触表现出最高密度的纳米尺度特征。因此，对背接触纳米粗糙度进行优化，使等离子体吸收所导致的光损失最小化，是至关重要的。
结论
本文研究了背接触形貌对非晶硅太阳电池光俘获和等离子体吸收的影响。通过背接触材料及其形貌确定了太阳电池背接触的光学性质。对溅射ZnO薄膜进行湿法化学刻蚀会导致其均方根粗糙度的显著增加和纳米尺度特征的形成。额外的光吸收损失主要发生在具有纳米尺度特征的背接触中，而且实测量子效率和短路电流也会下降。背接触的光损失和其形貌的功率谱密度函数相关。
（作者：U. Palanchoke， V. Jovanov， H. Kurz，R. Dewan， P. Magnus，H. Stiebig， D. Knipp 编译/missyou4ever）
参考文献：
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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