CN100546050C - 硅基薄膜太阳电池用窗口材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了硅基薄膜太阳电池用窗口材料及其制备方法。所述窗口材料为磷掺杂硅基薄膜N，包括磷掺杂N型微晶硅氧薄膜，或者磷掺杂的N型纳米硅氧。该窗口材料的制备是将待处理样品放入沉积系统中，在待处理样品的本征硅基薄膜I上或透明导电薄膜T1上沉积作为硅基薄膜太阳电池用窗口材料的磷掺杂硅基薄膜N。本发明利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，提出了新的硅基薄膜太阳电池用窗口层材料，可在不透明或透明衬底上制备P/I/N型的薄膜太阳电池，也可以在透明衬底上制备N/I/P型的薄膜太阳电池，工艺灵活性提升，更容易获得比较好的电池效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及薄膜太阳电池领域，尤其是硅基薄膜太阳电池用窗口材料及其制备方法。
【背景技术】
太阳电池可直接将太阳能转变成电能。大规模的光伏发电，近期可解决我国广大中西部无电地区居民的能源问题，使这些地区走出能源困境。从长远来看，要使光伏发电真正成为未来能源体系的重要组成部分，关键是实现其性能/价格比可与常规能源相当。根据我国的基本国情，为实现太阳电池服务于国民经济的未来目标，降低太阳电池成本和实现太阳电池的薄膜化已被我国定为发展太阳电池的主要方向。
硅基薄膜太阳电池除了具有薄膜太阳电池共有的省材、低能耗、便于大面积连续生产等低成本优势外，还具有原材料丰富、无毒、无污染，能耗低(＜200℃)等优点。非晶硅薄膜太阳电池由于其存在光致衰退效应，因而限制了其应用，而微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池由于其有序性的提高，几乎没有衰退问题，而且微晶硅基或纳米硅基电池可拓展光谱响应范围(非晶硅的光谱响应范围大约400-800nm，而微晶硅的大约在400-1200nm)，提高电池光电转换效率的潜力很大，微晶硅基薄膜太阳电池的研究已经成为硅薄膜太阳电池领域关注的热点。
作为太阳电池中的关键材料之一的窗口材料，其带隙的宽窄、电导率的高低，将直接影响电池的短路电流及填充因子的大小。现有的硅基薄膜太阳电池中，不论是非晶硅薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池以及硅锗薄膜太阳电池，其窗口材料均是P型材料，即太阳光从电池的P方向入射。
随着太阳电池应用发展，人们在研究开发高效率、低成本太阳电池的同时，越来越注重提高电池的柔性可展开和质量比功率。因为刚性太阳电池的质量比功率大，且其几何形状不易改变，在一定程度上限制了其应用的范围。而柔性衬底太阳电池可以采用塑料等廉价衬底，降低成本的潜力很大；同时，柔性衬底太阳电池还具有重量轻、柔软可卷曲、不怕碰撞等特点。因此，高效柔性衬底太阳电池的获得具有很重要的意义。
目前，硅基薄膜太阳电池结构的核心部分为硼掺杂硅基薄膜P、本征硅基薄膜I和磷掺杂硅基薄膜N。已实现产业化的成熟的硅基薄膜太阳电池，主要为透明玻璃衬底，而且考虑到非晶硅基薄膜太阳电池中，空穴的迁移率要比电子的迁移率低将近2个数量级，因此要求太阳光必须从电池的P型层入射，因此玻璃衬底上要求的太阳电池结构为P/I/N。对于应用于柔性衬底的薄膜太阳电池，柔性衬底例如不锈钢或塑料衬底(聚酰亚胺)均为不透明材料，为了让光从P层入射，电池的结构需要为N/I/P，这样较为成熟的制备玻璃衬底上P/I/N结构太阳电池所对应的沉积工艺，将不能很好的转移到柔性衬底太阳电池中。
【发明内容】
本发明目的旨在为克服现有技术的不足，而提出硅基薄膜太阳电池用新的窗口材料及其制备方法。
使用该窗口材料制作的硅基薄膜太阳电池可为柔性或刚性衬底，且太阳电池结构为P/I/N，因此窗口材料为N型材料；也可以为透明柔性或刚性衬底，且电池的结构可为N/I/P，因此窗口材料为N型材料。
本发明为实现上述目的，设计了新的硅基薄膜太阳电池用窗口材料，所述的窗口材料为磷掺杂硅基薄膜N，是在待处理样品的本征硅基薄膜I上或透明导电薄膜T1上沉积磷掺杂硅基薄膜N而制成，该磷掺杂硅基薄膜N为磷掺杂微晶硅氧薄膜，或者磷掺杂的N型纳米硅氧；反应沉积参数为：反应气体压强0.1托以上，辉光功率密度为10-1000毫瓦/平方厘米，待处理样品表面温度为80-350℃，氢稀释硅烷浓度SC＜10％，辉光激励频率为13.56MHz-100MHz，含磷气体与硅烷之比PS≤2％。
上述硅基薄膜太阳电池用窗口材料的制备方法，包括以下步骤：
第一、将待处理样品放入沉积系统中，本底真空高于10-4托；
第二、通入反应气体，包括：硅烷、氢气、磷烷、二氧化碳等气体；
第三、在第一步所述的待处理样品的本征硅基薄膜I上或透明导电薄膜T1上沉积作为硅基薄膜太阳电池用窗口材料的磷掺杂硅基薄膜N，所述的磷掺杂硅基薄膜N为磷掺杂微晶硅氧薄膜，或者磷掺杂的N型纳米硅氧；
其中反应沉积参数为：反应气体压强0.1托以上，辉光功率密度为10-1000毫瓦/平方厘米，待处理样品表面温度为80-350℃，氢稀释硅烷浓度SC＜10％，辉光激励频率为13.56MHz-100MHz，含磷气体与硅烷之比PS≤2％。
上述第一步沉积系统中采用的沉积方法是等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法或甚高频等离子体增强化学气相沉积法。
第一步中所述的待处理样品为依次具有衬底S、金属M和/或透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P和本征硅基薄膜I的样品，或者具有透明衬底S和透明导电薄膜T1的样品。
本发明在提供新的窗口材料及制备方法的基础上，给出了两种结构的含有上述窗口材料的硅基薄膜太阳电池，其中：
一种结构的硅基薄膜太阳电池，包括衬底S、金属M和/或透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P、本征硅基薄膜I、磷掺杂硅基薄膜N和透明导电薄膜T2，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池采用柔性或刚性衬底，所述硅基薄膜太阳电池结构为硼掺杂硅基薄膜P/本征硅基薄膜I/磷掺杂硅基薄膜N，且硅基薄膜太阳电池用窗口材料为以上所述的窗口材料。
该电池中所述衬底为柔性或刚性衬底，金属M为Al或Ag，透明导电薄膜T1为ZnO、SnO2和ITO，透明导电薄膜T2为ITO或ZnO/ITO，所述硼掺杂硅基薄膜P为硼掺杂的P型微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧，或者硼掺杂的P型纳米硅、纳米硅碳、纳米硅氧、非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氧，本征硅基薄膜I为微晶硅、纳米硅、微晶硅锗或纳米硅锗。
所述硅基薄膜太阳电池还包括在P/I或I/N界面加入的缓冲层，其厚度0～500nm。
另一种结构的硅基薄膜太阳电池，包括衬底S、透明导电薄膜T1、磷掺杂硅基薄膜N、本征硅基薄膜I、硼掺杂硅基薄膜P、透明导电薄膜T2和金属M，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池采用透明柔性或刚性衬底，所述硅基薄膜太阳电池结构为磷掺杂硅基薄膜N/本征硅基薄膜I/硼掺杂硅基薄膜P，且硅基薄膜太阳电池用窗口材料为权利要求1所述窗口材料。
所述硅基薄膜太阳电池还包括在N/I或I/P界面加入的缓冲层，其厚度0～500nm。
本发明有益效果是：
利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，将目前应用于玻璃衬底上比较成熟的制备P/I/N型硅基薄膜电池技术合理转移到柔性衬底太阳电池上，较容易实现工艺的转移；且本发明的硅基薄膜太阳电池结构保证太阳光的N方向入射，不需要耗费大量的时间去优化如何在N层材料上获得器件质量级的电池用有源I层材料，以实现不透明柔性衬底太阳电池中传统的N/I/P结构。
利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，在柔性或刚性衬底上制备P/I/N型的薄膜太阳电池，也可以在透明柔性或刚性衬底上制备N/I/P型的薄膜太阳电池，工艺灵活性提升，更容易获得比较好的电池效率。
【附图说明】
图1是在柔性或刚性衬底上制备的P/I/N型硅基薄膜太阳电池结构示意图。
图2是在透明柔性或刚性衬底上制备的N/I/P型硅基薄膜太阳电池结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。
本发明利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料的电子和空穴的迁移率具有相同数量级的特性，提供一种能够容易实现工艺转移的微晶硅或纳米硅基薄膜太阳电池，该硅基薄膜太阳电池可以在柔性或刚性衬底上制备P/I/N型的薄膜太阳电池，也可以在透明柔性或刚性衬底上制备N/I/P型的薄膜太阳电池，本发明中的太阳电池为微晶硅或纳米硅基薄膜太阳电池，可实现窗口材料在两种结构的太阳电池中皆为N型层，不同于现有技术中由于在不透明柔性衬底或透明刚性衬底上硅基薄膜太阳电池的P型层。
本发明的硅基薄膜太阳电池结构如图1所示，包括衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P、本征硅基薄膜I、磷掺杂硅基薄膜N和透明导电薄膜T2。其中，衬底S可为不透明的不锈钢、塑料等或为玻璃等；金属M可为Al或Ag；透明导电薄膜T1可为ZnO、SnO2和ITO；硼掺杂硅基薄膜P为硼掺杂的P型微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为硼掺杂的P型纳米硅、纳米硅碳、纳米硅氧、非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氧；本征硅基薄膜I为微晶硅、纳米硅、微晶硅锗或纳米硅锗等；磷掺杂硅基薄膜N为磷掺杂的N型微晶硅氧或纳米硅氧薄膜；透明导电薄膜T2可为ITO、ZnO/ITO。
本发明的硅基薄膜太阳电池的另一种结构为如图2所示，包括衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、磷掺杂硅基薄膜N、本征硅基薄膜I、硼掺杂硅基薄膜P、透明导电薄膜T2和金属M。其中，衬底S可为透明的刚性衬底如玻璃或透明的柔性衬底如塑料等；透明导电薄膜T1可为ZnO、SnO2和ITO；磷掺杂硅基薄膜N为磷掺杂的N型微晶硅氧或纳米硅氧薄膜；本征硅基薄膜I为微晶硅、纳米硅、微晶硅锗或纳米硅锗等；硼掺杂硅基薄膜P为硼掺杂的P型微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为硼掺杂的P型纳米硅、纳米硅碳、纳米硅氧、非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氧；透明导电薄膜T2可为ZnO、SnO2和ITO；金属M可为Al或Ag。
本发明是针对太阳光从太阳电池N方向入射的微晶硅或纳米硅基薄膜太阳电池，提出硅基薄膜电池结构中关键N型窗口材料及其制备方法，具体的实施方式如下：
在衬底上制备硅基薄膜太阳电池，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积(HW-CVD)、甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)等沉积方法。
实施例
基于图1和图2所示的在柔性或刚性衬底上制备P/I/N型和透明柔性或刚性衬底上制备N/I/P型的薄膜太阳电池，以采用PECVD方法为例，介绍沉积N型微晶硅氧(μc-SiO:H)功能材料作为本发明硅基薄膜太阳电池的窗口材料，具体制备工艺为：
1、对于图1，将具有衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P、本征硅基薄膜I的样品；或对于图2，将具有衬底S、透明导电薄膜T1的样品放入PECVD沉积系统中，本底真空高于10-4托；
2、控制反应沉积参数，在上述样品上沉积微晶硅氧薄膜；
在步骤2中，采用反应气体为：硅烷、氢气、磷烷、二氧化碳等气体，制备的反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1托以上；
辉光功率密度：10-1000毫瓦/平方厘米；
衬底表面温度：80-350℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))＜10％；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
含磷气体与硅烷之比(磷掺杂剂浓度)：PS≤2％。
实施例中制备N型微晶硅氧较为优选的一个实施条件如下：将衬底置于反应腔室中，反应气体中硅烷(氢稀释，浓度为20％)＝15SCCM，氢气＝135SCCM，磷烷(氢稀释，浓度为5％)＝1.5SCCM，二氧化碳(100％)＝0.1SCCM。反应腔室中的反应气压保持在70Pa，衬底表面温度保持在180℃，设定辉光功率密度为200毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为70MHz。沉积4分30秒，所制得的微晶硅氧薄膜25nm左右，其暗电导率约为0.05S/cm。
实施例中制备N型微晶硅氧较为优选的另一个实施条件如下：将衬底置于反应腔室中，反应气中硅烷(氢稀释，浓度为20％)＝10SCCM，氢气＝190SCCM，二氧化碳(100％)＝0.2SCCM。应腔室中的反应气压保持在70Pa，衬底表面温度保持在180℃，设定辉光功率密度为200毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为70MHz。沉积6分，所制得的微晶硅氧薄膜25nm左右，其暗电导率约为5S/cm。
3、在窗口层材料N沉积后，对如图1所示的电池需要沉积透明导电薄膜T2，而对于图2所示的电池需要随后沉积本征硅基薄膜I、硼掺杂硅基薄膜P、透明导电薄膜T2和金属M。
考虑到目前微晶硅薄膜也称之为纳米硅薄膜，因此，对于本发明涉及的窗口材料纳米硅氧薄膜材料，其制备的技术方法和微晶硅氧的技术路线相类似，故在此不再赘述。
综上所述，本发明在微晶硅或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，提出了新型硅基薄膜太阳电池用的窗口材料及其制备方法，即N型微晶硅氧薄膜和N型纳米硅氧薄膜材料及其制备方法。
将目前应用于玻璃衬底上比较成熟的制备P/I/N硅基薄膜电池技术合理转移到柔性衬底上，提出了一种不同于现有不透明柔性衬底太阳电池结构(N/I/P)的一种新型柔性衬底的硅基薄膜太阳电池。同时也拓展到常规的玻璃或透明柔性衬底，其电池结构即可为P/I/N，也可为N/I/P。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1、硅基薄膜太阳电池用窗口材料，其特征在于所述的硅基薄膜太阳电池用窗口材料为磷掺杂硅基薄膜N，是在待处理样品的本征硅基薄膜I上或透明导电薄膜T1上沉积磷掺杂硅基薄膜N而制成，该磷掺杂硅基薄膜N为微晶硅氧薄膜，或者磷掺杂的N型纳米硅氧；反应沉积参数为：反应气体压强0.1托以上，辉光功率密度为10-1000毫瓦/平方厘米，待处理样品表面温度为80-350℃，氢稀释硅烷浓度SC＜10％，辉光激励频率为13.56MHz-100MHz，含磷气体与硅烷之比PS≤2％。
2、一种权利要求1所述的硅基薄膜太阳电池用窗口材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一、将待处理样品放入沉积系统中，本底真空高于10-4托；
第二、通入反应气体，包括：硅烷、氢气、磷烷、二氧化碳气体；
第三、在第一步所述的待处理样品的本征硅基薄膜I上或透明导电薄膜T1上沉积作为硅基薄膜太阳电池用窗口材料的磷掺杂硅基薄膜N，所述的磷掺杂硅基薄膜N为磷掺杂微晶硅氧薄膜，或者磷掺杂的N型纳米硅氧；其中反应沉积参数为：反应气体压强0.1托以上，辉光功率密度为10-1000毫瓦/平方厘米，待处理样品表面温度为80-350℃，氢稀释硅烷浓度SC＜10％，辉光激励频率为13.56MHz-100MHz，含磷气体与硅烷之比PS≤2％。
3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：第一步沉积系统中采用的沉积方法是等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法或甚高频等离子体增强化学气相沉积法。
4、根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于第一步中所述的待处理样品为依次具有衬底S、金属M和/或透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P和本征硅基薄膜I的样品，或者具有透明衬底S和透明导电薄膜T1的样品。
5、一种含有权利要求1所述窗口材料的硅基薄膜太阳电池，该硅基薄膜太阳电池包括衬底S、金属M和/或透明导电薄膜T1、硼掺杂硅基薄膜P、本征硅基薄膜I、磷掺杂硅基薄膜N和透明导电薄膜T2，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池采用柔性或刚性衬底，所述硅基薄膜太阳电池结构为硼掺杂硅基薄膜P/本征硅基薄膜I/磷掺杂硅基薄膜N，且硅基薄膜太阳电池用窗口材料为权利要求1所述窗口材料。
6、根据权利要求5所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述衬底为柔性或刚性衬底，金属M为Al或Ag，透明导电薄膜T1为ZnO、SnO2和ITO，透明导电薄膜T2为ITO或ZnO/ITO，所述硼掺杂硅基薄膜P为硼掺杂的P型微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧，或者硼掺杂的P型纳米硅、纳米硅碳、纳米硅氧、非晶硅、非晶硅碳、非晶硅氧，本征硅基薄膜I为微晶硅、纳米硅、微晶硅锗或纳米硅锗。
7、根据权利要求5或6所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池还包括在P/I或I/N界面加入的缓冲层，其厚度0～500nm。
8、一种含有权利要求1所述窗口材料的硅基薄膜太阳电池，该硅基薄膜太阳电池包括衬底S、透明导电薄膜T1、磷掺杂硅基薄膜N、本征硅基薄膜I、硼掺杂硅基薄膜P、透明导电薄膜T2和金属M、其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池采用透明柔性或刚性衬底，所述硅基薄膜太阳电池结构为磷掺杂硅基薄膜N/本征硅基薄膜I/硼掺杂硅基薄膜P，且硅基薄膜太阳电池用窗口材料为权利要求1所述窗口材料。
9、根据权利要求8所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池还包括在N/I或I/P界面加入的缓冲层，其厚度0～500nm。
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