CN101159295A - 高速沉积微晶硅太阳电池p/i界面的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，首先利用超高频等离子体增强化学气相沉积方法，控制辉光功率和硅烷浓度，采用第一沉积速率在P层上沉积第一本征微晶硅薄膜层；然后在等离子体辉光不灭的情况下，调节辉光功率和硅烷浓度，采用第二沉积速率在第一本征本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层，所述的第一沉积速率小于所述的第二沉积速率。本发明首先通过采用较低的辉光功率和较小的硅烷浓度，达到用较低沉积速率在P层上沉积，以获得低缺陷态高晶化的本征微晶硅薄膜层，进而提高电池效率。

Description

高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法
【技术领域】
本发明涉及硅基薄膜太阳电池制备工艺，尤其是一种有助于提高高速沉积微晶硅太阳电池效率的微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法。
【背景技术】
硅基薄膜太阳电池中，微晶硅(μc-Si:H)薄膜太阳电池因其具有高转换效率和高稳定性备受光伏产业界的青睐。微晶硅(μc-Si:H)是一种间接带隙半导体材料，光学带隙为1.1eV左右，为了充分的吸收太阳光需要薄膜厚度大于1μm。因此提高生长速率对于微晶硅薄膜光伏电池生产成本的降低至关重要。
很多研究结果表明超高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)结合高反应气压是高速生长微晶硅薄膜的有效方法，(参见T.Matsui，M.Kondo，A.Matsuda，Proceedings 3rd World Conference Photovoltaic on Solar EnergyConversion，2003，p.1570和U.Graf，J.Meier，U.Kroll，et al.Thin Solid Films 427(2003)37.)，而高的压力下需要高功率分解气体来提高生长速率，产生的高能离子对薄膜表面的轰击会形成缺陷并抑制晶化生长。PIN型微晶硅太阳电池的基本结构是“玻璃/透明导电薄膜/P型微晶硅(20nm左右)/I型(本征)微晶硅(1.5μm左右)/N型非晶硅(30nm左右)/背反射电极”，如果沉积I层时离子轰击作用较强就会使P/I界面处具有较高的缺陷态，这样就会影响光生载流子的收集，从而降低电池性能；另外，I层的生长具有纵向结构不均匀性，即随厚度增加材料的晶化程度增加，如果初始非晶孵化层较厚，薄膜的纵向均匀性较差，也会影响光生载流子的收集降低电池性能。因此，对于离子轰击作用较强的高速沉积本征(I型)微晶硅薄膜来说，降低P/I界面缺陷态密度和降低非晶孵化层厚度成为提高电池性能的重要因素。
在P/I界面引入没有离子轰击作用的热丝法缓冲层(HW-Buffer)可以改善P/I界面特性，即降低界面处缺陷态，改善载流子的输运特性，(参见Y.Mai，S.Klein，R.Carius，and H.Stiebig，X.Geng，F.Finger.APPLIED PHYSICS LETTERS 87，073503(2005))。但这又要引入另一种沉积技术热丝化学气相沉积(HW-CVD)，为工业化生产带来不便。
【发明内容】
本发明目的是提供一种能够提高高速沉积微晶硅电池效率的微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，该方法能够克服高速沉积微晶硅电池时高能离子对薄膜表面的轰击而增加P/I界面缺陷态和非晶孵化层厚度的问题。
本发明为实现上述目的，设计了一种高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，首先利用超高频等离子体增强化学气相沉积方法，控制辉光功率和硅烷浓度，采用第一沉积速率在P层上沉积第一本征微晶硅薄膜层；然后在等离子体辉光不灭的情况下，调节辉光功率和硅烷浓度，采用第二沉积速率在第一本征本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层。在本征微晶硅薄膜的沉积过程中，通过调节辉光功率和硅烷浓度产生第一沉积速率和第二沉积速率，所述的第一沉积速率小于所述的第二沉积速率。
本发明有益效果是：本发明首先通过采用较低的辉光功率和较小的硅烷浓度在P层上沉积，以获得具有较低缺陷态密度和较高晶化率的本征微晶硅薄膜层。在此阶段的沉积过程中，较低的辉光功率可减少对P/I界面的离子轰击，有利于减少界面态；较小的硅烷浓度可以提高初始晶化率，有利于减小孵化层并对高速生长的微晶硅薄膜起到籽晶层的作用，进而提高电池效率。
此外，在其它工艺条件相同的情况下，提高本征微晶硅薄膜的生长速率是通过提高功率和硅烷浓度得到的，即在等离子体辉光不灭的情况下，只改变硅烷浓度和辉光功率达到采用第二沉积速率在第一本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层，方法简单便于操作，适合于工业化生产。
【附图说明】
图1为本发明高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面处理方法的流程图；
图2为本发明微晶硅电池的J-V参数随低速界面层厚度的变化曲线。
【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。
在高速沉积微晶硅太阳电池中，在P层和I层之间低速沉积约100nm厚的本征微晶硅薄膜缓冲层能够提高电池的效率。本发明提供了一种高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面间沉积本征微晶硅薄膜的方法，该方法主要是在P层上先低速沉积本征微晶硅薄膜，然后在等离子体辉光不灭的情况下，改变硅烷浓度和辉光功率来高速生长本征微晶硅薄膜。
在其它工艺条件相同的情况下，提高本征微晶硅薄膜的生长速率是通过提高功率和硅烷浓度得到的。在本征微晶硅薄膜的沉积过程中，通过调节辉光功率和硅烷浓度产生第一沉积速率和第二沉积速率，在本发明的实施例中，所述的第一沉积速率小于所述的第二沉积速率。
请参考图1所示，本发明高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法具体为：
步骤1、利用超高频等离子体增强化学气相沉积VHF-PECVD方法，控制辉光功率和硅烷浓度，采用第一沉积速率在P层上沉积第一本征微晶硅薄膜层(低速界面层)。
在本步骤1中，所述的辉光功率小于第二本征微晶硅薄膜的辉光功率；
在本步骤1中，所述的硅烷浓度小于第二本征微晶硅薄膜的硅烷浓度；
所述的第一沉积速率小于第二沉积速率；
所述的第一本征微晶硅薄膜层厚度范围为50nm～100nm；
所述的第一本征微晶硅薄膜层具有低缺陷高晶化的特点，在本发明中，使用该第一沉积速率在P层上沉积的第一本征微晶硅薄膜层的缺陷率α(0.8eV)＜2cm-1，晶化率Xc～60％。
步骤2、在等离子体辉光不灭的情况下，调节辉光功率和硅烷浓度，采用第二沉积速率在第一本征本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层。
在本步骤2中，所述的第二本征微晶硅薄膜层厚度范围为1500nm～2000nm。
请参考图2所示，该图2为微晶硅电池的J-V参数(电池的短路电流密度Jsc，开路电压Voc和填充因子FF)随低速界面层厚度的变化曲线，其中该图中的横坐标表示低速本征微晶硅薄膜的厚度，本征微晶硅薄膜层厚度为0nm表示没有低速本征微晶硅薄膜层。可以看到加入低速界面层后，电池效率均有增加，随低速界面层厚度的增加，电池的效率先增加后减小，在低速界面厚度为50nm～100nm时，电池效率与没有低速界面层的相比提高了约一个百分点。
根据图2所示，下面介绍本发明的三个实施例：
实施例1，本发明中较为优选的实施条件如下：将衬底置于反应腔室中，反应腔室中的气压保持在1.6torr，电极距离为12mm。通电开始沉积，首先设定辉光功率为25W，硅烷浓度为3％，在此条件下的第一沉积速率约为3/s，保持该第一沉积速率5分钟30秒，约形成100nm低缺陷高晶化的第一本征微晶硅薄膜层；然后其他工艺条件不变的情况下，仅将辉光功率变为50W，硅烷浓度为5％，在此条件下的第二沉积速率约为8.5
Figure S2007101502217D00042
/s，保持该第二沉积速率27分钟，约形成1400nm第二本征微晶硅薄膜层。从图2中可以看出，具有100nm低缺陷高晶化的低速界面层的电池效率与没有低速界面层的相比提高了约一个百分点。
实施例2，若只用第二沉积速率沉积本征微晶硅薄膜，对应图2中的本征微晶硅薄膜层厚度为0nm，即没有低速本征微晶硅薄膜层的实施条件如下：将衬底置于反应腔室中，反应腔室中的气压保持在1.6torr，电极距离为12mm。辉光功率设定为50W，硅烷浓度为5％，在此条件下的沉积速率约为8.5
Figure S2007101502217D00043
/s，保持该沉积速率29分钟(时间)，约形成1500nm(厚度)的本征微晶硅薄膜层。从图2中可以看出，没有低速本征微晶硅薄膜层的电池效率相对于有低速本征微晶硅薄膜层的电池效率是最低的。
实施例3，若采用第一沉积速率沉积的第一本征微晶硅薄膜厚度较厚的实施条件如下：将衬底置于反应腔室中，反应腔室中的气压保持在1.6torr，电极距离为12mm。通电开始沉积，首先设定辉光功率为25W，硅烷浓度为3％，在此条件下的第一沉积速率约为3
Figure S2007101502217D00044
/s，保持该第一沉积速率11分钟，约形成200nm低缺陷高晶化的第一本征微晶硅薄膜层。然后其他工艺条件不变的情况下，仅将辉光功率变为50W，硅烷浓度为5％，在此条件下的第二沉积速率约为8.5
Figure S2007101502217D00045
/s，保持该第二沉积速率25分钟，约形成1300nm第二本征微晶硅薄膜层。从图2中可以看出，200nm低缺陷高晶化低速界面层的电池效率比100nm低缺陷高晶化的本征微晶硅薄膜层的电池效率低。
值得关注的是，本发明首先通过采用较低的辉光功率和较小的硅烷浓度，达到用较低沉积速率在P层上沉积，以获得具有较低缺陷态密度和较高晶化率的本征微晶硅薄膜层。在此阶段的沉积过程中，较低的辉光功率可减少对P/I界面的离子轰击，有利于减少界面态；较小的硅烷浓度可以提高初始晶化率，有利于减小孵化层并对高速生长的微晶硅薄膜起到籽晶层的作用。以上均可明显改善P/I界面特性和本征微晶硅薄膜层结构的纵向均匀性，对于电池的短路电流密度Jsc，开路电压Voc和填充因子FF都有不同程度的提高，进而提高电池效率。
此外，本发明在不断辉的情况下，只改变硅烷浓度和辉光功率达到采用第二沉积速率在第一本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层，方法简单便于操作，适合于工业化生产。
以上所述，仅为本发明在一定工艺条件下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 (6)

1.一种高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、利用超高频等离子体增强化学气相沉积方法，控制辉光功率和硅烷浓度，采用第一沉积速率在P层上沉积第一本征微晶硅薄膜层；
B、在等离子体辉光不灭的情况下，调节辉光功率和硅烷浓度，采用第二沉积速率在第一本征本征微晶硅薄膜上生长形成第二本征微晶硅薄膜层。
2.根据权利要求1所述的高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于：所述的第一沉积速率小于所述的第二沉积速率。
3.根据权利要求1所述的高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于：所述第一本征微晶硅薄膜层厚度范围50nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于：所述第一本征微晶硅薄膜层缺陷率α(0.8eV)＜2cm-1，晶化率Xc＞60％。
5.根据权利要求1所述的高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于：所述第一本征微晶硅薄膜的辉光功率和硅烷浓度均小于第二本征微晶硅薄膜的辉光功率和硅烷浓度。
6.根据权利要求1所述的高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，其特征在于：所述第二本征微晶硅薄膜层厚度范围为1500nm～2000nm。
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