CN100433371C - 以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池及制备方法 - Google Patents

以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池及制备方法，它涉及一种非晶硅太阳电池及其制备方法。它解决了现有p型非晶硅层太阳电池转化效率较低的问题。它的康宁玻璃的上端面与SnO2:F导电薄膜的下端面固定连接，SnO2:F导电薄膜的上端面与p-ta-C:B薄膜的下端面固定连接，p-ta-C:B薄膜的上端面与过渡p-a-Si:H(C)薄膜的下端面固定连接，过渡p-a-Si:H(C)薄膜的上端面与i-a-Si:H薄膜的下端面固定连接，i-a-Si:H薄膜的上端面与n-a-Si:H薄膜的下端面固定连接。本发明的方法按下列步骤进行：a.沉积SnO2:F导电膜，b.激光刻划，c.沉积p-ta-C:B薄膜，d.沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜、i-a-Si:H薄膜和n-a-Si:H薄膜，e.第一次硅刻划，f.蒸铝，g.第二次硅刻划。本发明具有提高电池的转化效率的优点。

Description

以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池及制备方法
技术领域
本发明涉及一种非晶硅太阳电池及制备方法。
背景技术
随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源逐渐成为国际重大战略问题之一。太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，开发利用太阳能已成为世界各国在能源领域可持续发展的战略决策。根据材料的不同，太阳电池主要分为：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、II-VI族多晶薄膜太阳电池以及III-V族化合物太阳电池。其中传统的晶体硅太阳电池和半导体化合物太阳电池由于转化率高和性能稳定，在市场上一直占有重要的地位。但是由于晶体硅和半导体化合物太阳电池的制备成本高，因而在很大程度上限制了它们的应用推广。随着薄膜沉积技术的不断进步，新型太阳电池的制造成本大幅降低，非晶硅太阳电池的理论、工艺和实际应用也都获得了重大发展，也逐步从试验走向生产。特别是柔性基体非晶硅薄膜太阳电池的研制，使得非晶硅薄膜太阳电池作为空间能源的可能性日益增强，并成功地应用于太阳能飞机、太阳能飞艇和平流层气球平台。如为美国发射的铱星就采用了柔性非晶硅太阳电池方阵。另外非晶硅太阳电池由于价格便宜，市场占有额逐年增加。中、小型非晶硅太阳电池电站作为独立电源，为微波中继站、森林防火监察站、无人值守气象站以及部队通讯站等供电，已显示出较强的竞争力。
当前，尽管非晶硅太阳电池已经实现了市场化的生产和应用，但在使用过程中仍然存在着效率偏低的问题。单晶硅太阳电池的单体效率为14～17％，而非晶硅太阳电池组件的转化效率往往才为6～8％，工业生产中的实际转化效率甚至还要低，为4.8～5.0％左右。这是因为现有的p型非晶硅层光学带隙只有1.5eV左右。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有p型非晶硅层太阳电池转化效率较低的问题，而提供一种以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池及制备方法。本发明采用宽带隙(2.0eV)的p型掺硼非晶金刚石薄膜代替现有的p型非晶硅层，减少其对太阳光的吸收损失，从而提高电池的转化效率。本发明的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池由下至上由康宁玻璃1、SnO2:F导电薄膜2、p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5、n-a-Si:H薄膜6、铝膜7、阳极接线8和阴极接线9组成；SnO2:F导电薄膜2上有间隔均为10±0.3mm的激光刻划线10，p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5和n-a-Si:H薄膜6上有与激光刻划线10方向平行并与激光刻划线10的间距为1±0.1mm的第一硅刻线11；铝膜7上有与第一硅刻线11方向平行并与第一硅刻线11的间距为1±0.1mm的第二硅刻线12，康宁玻璃1的上端面与SnO2:F导电薄膜2的下端面固定连接，SnO2:F导电薄膜2的上端面与p-ta-C:B薄膜3的下端面固定连接，p-ta-C:B薄膜3的上端面与过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的下端面固定连接，过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的上端面与i-a-Si:H薄膜5的下端面固定连接，i-a-Si:H薄膜5的上端面与n-a-Si:H薄膜6的下端面固定连接，n-a-Si:H薄膜6的上端面与铝膜7的下端面固定连接，阳极接线8与铝膜7焊接，阴极接线9与铝膜7焊接，阳极接线8与阴极接线9之间有一至二十道第二硅刻线12；康宁玻璃1的厚度小于3mm；SnO2:F导电薄膜2的厚度为720±20nm，SnO2:F导电薄膜层2的电阻率为13.5～14.5Ω/m；p-ta-C:B薄膜3的厚度为10～12nm；过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的厚度小于4nm；i-a-Si:H薄膜5的厚度为400nm；n-a-Si:H薄膜6的厚度为20nm±3nm；铝膜7的厚度为300±10nm。
本发明制备以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的方法按下列步骤进行：
a、沉积SnO2:F导电膜：用化学气相沉积的方法在厚度小于3mm的康宁玻璃1上沉积一层厚为720±20nm的SnO2:F导电薄膜2，SnO2:F导电薄膜2的电阻率为13.5～14.5Ω/m；然后用磨边装置将康宁玻璃1的边缘磨光，并用清洗机进行清洗；
b、激光刻划：用激光刻划切割机在经步骤a处理后的康宁玻璃1表面将SnO2:F导电膜2刻成间隔均匀、宽为10±0.3mm的导电薄膜带，然后用清洗机清除表面碎末；
c、沉积p-ta-C:B薄膜：将经步骤b处理后的康宁玻璃1用丙酮或酒精清洗，然后用吹风机吹干；再放入过滤阴极真空电弧(简称为FCVA)腔中，用Kaufman离子枪刻蚀10分钟清除导电膜表面的吸附物，再将高纯石墨和单质硼的混合粉末压制的靶材作为阴极电弧源沉积厚度为10～12nm的p-ta-C:B薄膜3；
d、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜、i-a-Si:H薄膜和n-a-Si:H薄膜：将步骤c中的康宁玻璃1放入预热炉中在180～220℃的条件下预热2.5小时，再放入六室沉积装置中，先用化学气相沉积的方法沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜4时向沉积室内通入占沉积室体积30％的甲烷气体，沉积时间为14～16s，过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的厚度小于4nm，再用化学气相沉积的方法沉积i-a-Si:H薄膜5，沉积时间为2700～2900s，i-a-Si:H薄膜5的厚度为380～420nm，最后用化学气相沉积的方法沉积n-a-Si:H薄膜6，沉积时间为120s，n-a-Si:H薄膜6的厚度为20nm±3nm；
e、第一次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤d处理后的康宁玻璃的n-a-Si:H薄膜6表面顺着激光刻划线方向对p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5和n-a-Si:H薄膜6进行硅刻，每条第一硅刻线11与激光刻划线10的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；
f、蒸铝：用蒸铝装置在步骤e处理后的康宁玻璃1表面蒸发一层铝膜7作为电极，铝膜7的厚度为300±10nm。
g、第二次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤f处理后的康宁玻璃1的铝膜7表面顺着激光刻划线10方向对铝膜7进行硅刻，每条第二硅刻线12与第一硅刻线11的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；即得到非晶金刚石薄膜窗口层a-Si:H太阳电池。
本发明中使用的碳膜-a-D薄膜，其高硬度、高模量、宽波段的透过性以及具有良好的可掺杂性的性能，而且光学带隙可达2.7eV，而且表现为p型半导体特性。因此将a-D薄膜代替传统的p型非晶硅薄膜用作电池的窗口层，必将减少其对太阳光谱的吸收，从而提高电池的转化效率。
本发明具有提高电池的转化效率的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是本发明的第二种结构示意图；图4是具体实施方式十一光学带隙图；图5是具体实施方式十一与现有太阳电池电池的光谱响应图，图中-●-表示具体实施方式十一的光谱响应曲线，图中-○-表示现有p-a-Si:H太阳电池的光谱响应曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1～图3)本实施方式中以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池由下至上由康宁玻璃1、SnO2:F导电薄膜2、p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5、n-a-Si:H薄膜6、铝膜7、阳极接线8和阴极接线9组成；SnO2:F导电薄膜2上有间隔均为10±0.3mm的激光刻划线10，p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5和n-a-Si:H薄膜6上有与激光刻划线10方向平行并与激光刻划线10的间距为1±0.1mm的第一硅刻线11；铝膜7上有与第一硅刻线11方向平行并与第一硅刻线11的间距为1±0.1mm的第二硅刻线12，康宁玻璃1的上端面与SnO2:F导电薄膜2的下端面固定连接，SnO2:F导电薄膜2的上端面与p-ta-C:B薄膜3的下端面固定连接，p-ta-C:B薄膜3的上端面与过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的下端面固定连接，过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的上端面与i-a-Si:H薄膜5的下端面固定连接，i-a-Si:H薄膜5的上端面与n-a-Si:H薄膜6的下端面固定连接，n-a-Si:H薄膜6的上端面与铝膜7的下端面固定连接，阳极接线8与铝膜7焊接，阴极接线9与铝膜7焊接，阳极接线8与阴极接线9之间有一至二十道第二硅刻线12；康宁玻璃1的厚度小于3mm；SnO2:F导电薄膜2的厚度为720±20nm，SnO2:F导电薄膜层2的电阻率为13.5～14.5Ω/m；p-ta-C:B薄膜3的厚度为10～12nm；过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的厚度小于4nm；i-a-Si:H薄膜5的厚度为400nm；n-a-Si:H薄膜6的厚度为20nm±3nm；铝膜7的厚度为300±10nm。
具体实施方式二：本实施方式中阳极接线8与阴极接线9之间有五道第二硅刻线12。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式中阳极接线8与阴极接线9之间有十道第二硅刻线12。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式中p-ta-C:B薄膜3的厚度为8～12nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式中p-ta-C:B薄膜3的厚度为12nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式中过渡p-a-Si:H(C)的厚度薄膜4为3nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式中制备以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的方法按下列步骤进行：
a、沉积SnO2:F导电膜：用化学气相沉积的方法在厚度小于3mm的康宁玻璃1上沉积一层厚为720±20nm的SnO2:F导电薄膜2，SnO2:F导电薄膜2的电阻率为13.5～14.5Ω/m；然后用磨边装置将康宁玻璃1的边缘磨光，并用清洗机进行清洗；
b、激光刻划：用激光刻划切割机在经步骤a处理后的康宁玻璃1表面将SnO2:F导电膜2刻成间隔均匀、宽为10±0.3mm的导电薄膜带，然后用清洗机清除表面碎末；
c、沉积p-ta-C:B薄膜：将经步骤b处理后的康宁玻璃1用丙酮或酒精清洗，然后用吹风机吹干；再放入过滤阴极真空电弧(简称为FCVA)腔中，用Kaufman离子枪刻蚀10分钟清除导电膜表面的吸附物，再将高纯石墨和单质硼的混合粉末压制的靶材作为阴极电弧源沉积厚度为10～12nm的p-ta-C:B薄膜3；
d、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜、i-a-Si:H薄膜和n-a-Si:H薄膜：将步骤c中的康宁玻璃1放入预热炉中在180～220℃的条件下预热2.5小时，再放入六室沉积装置中，先用化学气相沉积的方法沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜4时向沉积室内通入占沉积室体积30％的甲烷气体，沉积时间为14～16s，过渡p-a-Si:H(C)薄膜4的厚度小于4nm，再用化学气相沉积的方法沉积i-a-Si:H薄膜5，沉积时间为270～2900s，i-a-Si:H薄膜5的厚度为380～420nm，最后用化学气相沉积的方法沉积n-a-Si:H薄膜6，沉积时间为120s，n-a-Si:H薄膜6的厚度为20nm±3nm；
e、第一次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤d处理后的康宁玻璃的n-a-Si:H薄膜6表面顺着激光刻划线方向对p-ta-C:B薄膜3、过渡p-a-Si:H(C)薄膜4、i-a-Si:H薄膜5和n-a-Si:H薄膜6进行硅刻，每条第一硅刻线11与激光刻划线10的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；
f、蒸铝：用蒸铝装置在步骤e处理后的康宁玻璃1表面蒸发一层铝膜7作为电极，铝膜7的厚度为300±10nm。
g、第二次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤f处理后的康宁玻璃1的铝膜7表面顺着激光刻划线10方向对铝膜7进行硅刻，每条第二硅刻线12与第一硅刻线11的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；即得到非晶金刚石薄膜窗口层a-Si:H太阳电池。
本实施方式中在步骤c中p-ta-C:B薄膜3沉积完毕应立即采用塑料膜将玻璃板密封好，防止空气氧化和污染。本实施方式步骤e中由于过渡p-a-Si:H(C)薄膜4硬度较高，所以硅刻时应来回重复刻划2～3次，待观察到刻划线通亮时即可停止。
具体实施方式八：本实施方式在步骤c中沉积p-ta-C:B薄膜3时，系统真空度为2.0×10-6Torr，电弧放电电流为60A，衬底偏压设为-80V。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式在步骤c中刻蚀的工作气体为氩气，氩气的流量为8mL/min，刻蚀时离子束的电压为750V，刻蚀时离子束的电流为100mA，刻蚀的时间不少于10min。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式中在步骤c中阴极靶材中硼粉占高纯石墨和硼的混合粉末质量的3％，靶材采用冷等静压工艺压制成型，成型压力为280±10MPa和时间分别为6～7min。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七、八、九和十不同的是康宁玻璃1的厚度为3mm，长为305mm，宽为305mm。其它与具体实施方式七、八、九和十相同。
参见图4，p-ta-C:B薄膜3中硼的原子百分含量为1.65at.％，光学带隙(E04)为2.0eV。参见图5，本实施方式制得的太阳电池比现有p-a-Si:H太阳电池在短波区域光谱响应提高。
表1
Figure C20071007169800101
由表1可见本实施方式制得的太阳电池比现有p-a-Si:H太阳电池的短路电流从15.6mA/cm2提高到了17.6mA/cm2，开路电压从56.6％提高到了58.7％，转化效率从5.1％提高到了5.6％。
具体实施方式十一：本实施方式在步骤d中六室沉积系统是由哈尔滨克罗拉太阳能电力公司提供。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十二：本实施方式在步骤f中蒸铝装置是哈尔滨克罗拉太阳能电力公司提供。其它与具体实施方式七相同。

Claims (9)

1、一种以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池，其特征在于它由康宁玻璃(1)、SnO2:F导电薄膜(2)、p-ta-C:B薄膜(3)、过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)、i-a-Si:H薄膜(5)、n-a-Si:H薄膜(6)、铝膜(7)、阳极接线(8)和阴极接线(9)组成；SnO2:F导电薄膜(2)上有间隔均为10±0.3mm的激光刻划线(10)，p-ta-C:B薄膜(3)、过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)、i-a-Si:H薄膜(5)和n-a-Si:H薄膜(6)上有与激光刻划线(10)方向平行并与激光刻划线(10)的间距为1±0.1mm的第一硅刻线(11)；铝膜(7)上有与第一硅刻线(11)方向平行并与第一硅刻线(11)的间距为1±0.1mm的第二硅刻线(12)，康宁玻璃(1)的上端面与SnO2:F导电薄膜(2)的下端面固定连接，SnO2:F导电薄膜(2)的上端面与p-ta-C:B薄膜(3)的下端面固定连接，p-ta-C:B薄膜(3)的上端面与过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)的下端面固定连接，过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)的上端面与i-a-Si:H薄膜(5)的下端面固定连接，i-a-Si:H薄膜(5)的上端面与n-a-Si:H薄膜(6)的下端面固定连接，n-a-Si:H薄膜(6)的上端面与铝膜(7)的下端面固定连接，阳极接线(8)与铝膜(7)焊接，阴极接线(9)与铝膜(7)焊接，阳极接线(8)与阴极接线(9)之间有一至二十道第二硅刻线(12)；康宁玻璃(1)的厚度小于3mm；SnO2:F导电薄膜(2)的厚度为720±20nm，SnO2:F导电薄膜层(2)的电阻率为13.5～14.5Ω/m；p-ta-C:B薄膜(3)的厚度为10～12nm；过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)的厚度小于4nm；i-a-Si:H薄膜(5)的厚度为400nm；n-a-Si:H薄膜(6)的厚度为20nm±3nm；铝膜(7)的厚度为300±10nm。
2、根据权利要求1所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池，其特征在于阳极接线(8)与阴极接线(9)之间有五道第二硅刻线(12)。
3、根据权利要求1所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池，其特征在于阳极接线(8)与阴极接线(9)之间有十道第二硅刻线(12)。
4、根据权利要求1所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池，其特征在于p-ta-C:B薄膜(3)的厚度为12nm。
5、根据权利要求1所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池，其特征在于过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)的厚度为3nm。
6、制备权利要求1所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的方法，其特征在于它按下列步骤进行：
a、沉积SnO2:F导电膜：用化学气相沉积的方法在厚度小于3mm的康宁玻璃(1)上沉积一层厚为720±20nm的SnO2:F导电薄膜(2)，SnO2:F导电薄膜(2)的电阻率为13.5～14.5Ω/m；然后用磨边装置将康宁玻璃(1)的边缘磨光，并用清洗机进行清洗；
b、激光刻划：用激光刻划切割机在经步骤a处理后的康宁玻璃(1)表面将SnO2:F导电膜(2)刻成间隔均匀、宽为10±0.3mm的导电薄膜带，然后用清洗机清除表面碎末；
c、沉积p-ta-C:B薄膜：将经步骤b处理后的康宁玻璃(1)用丙酮或酒精清洗，然后用吹风机吹干；再放入过滤阴极真空电弧腔中，用Kaufman离子枪刻蚀10分钟清除导电膜表面的吸附物，再将高纯石墨和单质硼的混合粉末压制的靶材作为阴极电弧源沉积厚度为10～12nm的p-ta-C:B薄膜(3)；
d、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜、i-a-Si:H薄膜和n-a-Si:H薄膜：将步骤c中的康宁玻璃(1)放入预热炉中在180～220℃的条件下预热2.5小时，再放入六室沉积装置中，先用化学气相沉积的方法沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)、沉积过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)时向沉积室内通入占沉积室体积30％的甲烷气体，沉积时间为14～16s，过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)的厚度小于4nm，再用化学气相沉积的方法沉积i-a-Si:H薄膜(5)，沉积时间为2700～2900s，i-a-Si:H薄膜(5)的厚度为380～420nm，最后用化学气相沉积的方法沉积n-a-Si:H薄膜(6)，沉积时间为120s，n-a-Si:H薄膜(6)的厚度为20nm±3nm；
e、第一次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤d处理后的康宁玻璃的n-a-Si:H薄膜(6)表面顺着激光刻划线方向对p-ta-C:B薄膜(3)、过渡p-a-Si:H(C)薄膜(4)、i-a-Si:H薄膜(5)和n-a-Si:H薄膜(6)进行硅刻，每条第一硅刻线(11)与激光刻划线(10)的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；
f、蒸铝：用蒸铝装置在步骤e处理后的康宁玻璃(1)表面蒸发一层铝膜(7)作为电极，铝膜(7)的厚度为300±10nm；
g、第二次硅刻划：采用硅刻划机在经步骤f处理后的康宁玻璃(1)的铝膜(7)表面顺着激光刻划线(10)方向对铝膜(7)进行硅刻，每条第二硅刻线(12)与第一硅刻线(11)的间距为1±0.1mm，同时用高压液氮吹掉薄膜表面的碎片；即得到非晶金刚石薄膜窗口层a-Si:H太阳电池。
7、根据权利要求6所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的制备方法，其特征在于在步骤c中沉积p-ta-C:B薄膜(3)时，系统真空度为2.0×10-6Torr，电弧放电电流为60A，衬底偏压设为-80V。
8、根据权利要求6所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的制备方法，其特征在于在步骤c中刻蚀的工作气体为氩气，氩气的流量为8mL/min，刻蚀时离子束的电压为750V，刻蚀时离子束的电流为100mA，刻蚀的时间不少于10min。
9、根据权利要求6所述的以掺硼非晶金刚石薄膜为窗口层的a-Si:H太阳电池的制备方法，其特征在于在步骤c中阴极靶材中硼粉占高纯石墨和硼的混合粉末质量的3％，靶材采用冷等静压工艺压制成型，成型压力为280±10MPa和时间为6～7min。
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