CN101159297B - SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法 - Google Patents

SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法，所述透明导电薄膜为非晶硅碳、非晶硅氧，所述在SnO2衬底上制备透明导电薄膜的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积、热丝化学气相沉积或者甚高频等离子体增强化学气相沉积。本发明采用与制备微晶硅太阳电池相同的化学气相沉积技术，在制备微晶硅太阳电池制备同时，原位沉积具有高光透过、种子层和保护层功能的微晶硅太阳电池用透明导电薄膜，不需要更换沉积系统，工艺简单且有利于降低成本。

Description

SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法
【技术领域】
本发明涉及薄膜太阳电池领域，尤其是一种应用在SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法。
【背景技术】
随着人类社会的高速发展，对能源的需求也日益加剧。化石燃料和工业革命的结合创造了人类历史上辉煌的现在文明，但同时也造成了当代人类发展所面临的能源危机与环境污染。太阳能用之不竭、取之不尽，因而光伏发电倍受人们瞩目。实践证明，大规模应用太阳电池的一个关键，就是大幅度的降低成本，发展薄膜太阳电池是降低成本的一个有效途径。
对于硅基薄膜太阳电池来说，薄膜非晶硅(a-Si:H)材料适合作太阳电池的最大特点是光吸收系数大，具有较高的光敏性，其吸收峰与太阳光谱峰相近，有利于对太阳光的利用，是极富吸引力的光伏材料。非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳电池因其生长温度低、便于大面积生产、耗材少等优点受到人们的重视并得到迅速发展。尽管非晶硅是一种很好的太阳电池材料，但是由于其光学带隙为1.7eV左右，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳电池转换效率的进一步提高，而且非晶硅电池本身所固有的S-W效应，使其稳定性不够理想，因而限制了其产业化进程。
氢化微晶硅薄膜(μc-Si:H)是由微晶粒、晶粒边界、空洞和非晶硅共存的复相材料组成，相对于非晶硅材料有很高的有序性，微晶硅电池稳定性大大提高，且微晶硅光学带隙在1.1eV左右，相对于非晶硅，电池响应光谱得到扩展，从0.9μm扩展到1.1μm，提高太阳电池效率的潜力很大，在新能源领域中成为当前的研究热点。
但同非晶硅太阳电池相比，微晶硅太阳电池所需要的P层材料是微晶硅P，此材料的制备往往需要氢稀释。由于成本因素，SnO2作为衬底材料被广泛应用，但对于目前商业化的SnO2衬底来说，大量的氢会使SnO2中的Sn被还原，导致材料的透过率和电学特性劣化，从而影响微晶硅太阳电池的效率。因此，为了实现SnO2衬底能够应用于微晶硅太阳电池中，需要在沉积微晶硅太阳电池之前在SnO2衬底上预先沉积保护层，此保护层既能起到保护SnO2不被氢还原的作用，同时具有很好的光透性。目前通过在SnO2表面沉积ZnO或TiO2等透明导电薄膜起到上述保护层功能，但沉积ZnO或TiO2需要采用溅射或者金属有机物化学气相沉积等技术，而制备微晶硅电池常用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或热丝化学气相沉积等技术，制备过程中沉积系统的不同不利于降低成本。
【发明内容】
本发明目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种能够提高微晶硅薄膜太阳电池的电池效率且工艺简单、成本低的SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法。
本发明为实现上述目的，设计了一种SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法，所述微晶硅薄膜太阳电池包括SnO2衬底及依次沉积在SnO2衬底上的透明导电薄膜、P型微晶硅、I型本征微晶硅和N型非晶硅，所述透明导电薄膜为非晶硅碳、非晶硅氧，所述在SnO2衬底上制备透明导电薄膜的沉积方法为等离子体增强化学气相沉积、热丝化学气相沉积或者甚高频等离子体增强化学气相沉积，该制备透明导电薄膜的沉积方法和制备P型微晶硅、I型本征微晶硅、N型非晶硅的沉积方法相同。
本发明有益效果是：本发明采用如等离子体增强化学气相沉积、热丝化学气相沉积、甚高频等离子体增强化学气相沉积等与制备微晶硅太阳电池相同的化学气相沉积技术，在制备微晶硅太阳电池制备同时，原位沉积具有高光透过、种子层和保护层功能的微晶硅太阳电池用透明导电薄膜，即在SnO2衬底上依次沉积透明导电薄膜、P型微晶硅、I型本征微晶硅及N型非晶硅具有技术兼容性，可以使用相同的沉积方法，所以针对不同层材料，沉积过程只需要变换反应气体或宏观沉积参数，不需要更换沉积系统，工艺简单且有利于降低成本。
【附图说明】
图1为本发明SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池的示意图。
【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。
请参考图1所示，本发明SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池，包括衬底、透明导电薄膜、P型微晶硅、I型本征微晶硅、N型非晶硅和背电极，其中该透明导电薄膜具有高光透过、保护SnO2衬底和对随后沉积的P层起到种子层的功能。在本发明实施例中，该透明导电薄膜可为非晶硅碳、非晶硅氧，所使用的衬底是透明导电SnO2衬底，背电极由金属Ag、Al、ZnO等组成。
本发明在SnO2衬底上制备透明导电薄膜，采用与制备微晶硅太阳电池相同的沉积技术，例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积、甚高频等离子体增强化学气相沉积等。所使用的气源为以氢稀释的硅烷类气体，甲烷和二氧化碳为主，以不同的含硼的有机类气体或用惰性气体携带的含硼的液态化合物作为掺杂剂。
下面分别以制备非晶硅碳、非晶硅氧功能材料为例来说明本发明SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法。
实施例1
采用PECVD方法沉积非晶硅碳功能材料作为本发明的透明导电薄膜，具体制备工艺为：
1、将SnO2衬底放入PECVD沉积系统中，本底真空高于10-5托；
2、控制反应沉积参数，在SnO2衬底沉积非晶硅碳薄膜；
本发明中，采用反应气为：硅烷、氢气、硼烷、三甲基硼、甲烷、二氧化碳等气体的组合，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：10-100毫瓦/平方厘米；
衬底表面温度：100-300℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))％≤80％；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
含硼气体与硅烷之比(硼掺杂剂浓度)：BS≤3％。
实施例1中制备非晶硅碳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10％)＝40SCCM，硼烷(氢稀释，浓度为5％)＝0.8SCCM，甲烷(100％)＝4.5SCCM。应腔室中的反应气压保持在65.4Pa，衬底表面温度保持在225℃，设定辉光功率密度为45毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为13.56MHz。沉积1分20秒，所制得的非晶硅氧薄膜20nm，其暗电导率约为10-6s/cm。
实施例1中制备非晶硅碳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10％)＝40SCCM，硼烷(氢稀释，浓度为5％)＝0.4SCCM，甲烷(100％)＝4.5SCCM。应腔室中的反应气压保持在80Pa，衬底表面温度保持在185℃，设定辉光功率密度为50毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为13.56MHz。沉积1分40秒，所制得的非晶硅氧薄膜25nm，其暗电导率约为10-7s/cm。
实施例2
采用PECVD方法沉积非晶硅氧功能材料作为本发明的透明导电薄膜，在此实施例2中，制备非晶硅氧薄膜和制备非晶硅碳的工艺步骤相同，只是反应沉积参数不同，故下面仅介绍制备非晶硅氧薄膜的反应沉积参数：
反应气：硅烷、氢气、硼烷、三甲基硼、氧气、二氧化碳等气体的组合；
反应气体压强0.1托以上；
辉光功率密度：10-500毫瓦/平方厘米；
衬底表面温度：100-300℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))％≤80％；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
含硼气体与硅烷之比(硼掺杂剂浓度)：BS≤3％。
实施例2中制备非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，反应气中硅烷(氢稀释，浓度为20％)＝15SCCM，硼烷(氢稀释，浓度为1％)＝3SCCM，二氧化碳(100％)＝3SCCM，氢气(100％)＝12SCCM。应腔室中的反应气压保持在60Pa，衬底表面温度保持在215℃，设定辉光功率密度为300毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为13.56MHz。沉积3分钟，所制得的非晶硅氧薄膜20nm，其暗电导率约为10-7s/cm。
实施例2中制备非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％)＝15SCCM，硼烷(氢稀释，浓度为1％)＝6SCCM，二氧化碳(100％)＝3SCCM，氢气(100％)＝12SCCM。应腔室中的反应气压保持在60Pa，衬底表面温度保持在215℃，设定辉光功率密度为400毫瓦/平方厘米，辉光激励频率为13.56MHz。沉积3分钟左右，所制得的非晶硅氧薄膜25nm，其暗电导率约为10-6s/cm。
综上所述，本发明通过控制反应沉积参数，在SnO2衬底上沉积厚度为5～40nm的非晶硅碳或非晶硅氧，SnO2衬底上覆盖该层薄膜材料后，在随后制备微晶硅电池的微晶P层材料时，过多的氢不会影响到SnO2衬底，对SnO2衬底起到保护层的作用，同时由于该层非晶硅碳薄膜中有Si，因此还对随后生长的微晶硅起到一定的种子层作用。
本发明在制备微晶硅太阳电池制备同时，原位沉积具有高光透过、种子层和保护层功能的微晶硅太阳电池用透明导电薄膜，即在SnO2衬底上依次沉积透明导电薄膜、P型微晶硅、I型本征微晶硅及N型非晶硅使用相同的沉积方法，只是针对不同层材料，沉积过程仅需变换反应气体或宏观沉积参数，而不需要更换沉积系统，工艺简单且有利于降低成本。
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 (3)

1.一种SnO2为衬底的微晶硅薄膜太阳电池用透明导电薄膜的制备方法，所述微晶硅薄膜太阳电池包括SnO2衬底及依次沉积在SnO2衬底上的透明导电薄膜、P型微晶硅、I型本征微晶硅和N型非晶硅，所述透明导电薄膜具有高光透过、保护SnO2衬底和对随后沉积的P层起到种子层的功能，其特征在于：在SnO2衬底上制备透明导电薄膜的沉积方法和制备P型微晶硅、I型本征微晶硅、N型非晶硅的沉积方法相同，该沉积方法采用等离子体增强化学气相沉积或者热丝化学气相沉积；所述透明导电薄膜为非晶硅碳或者非晶硅氧；所述在SnO2衬底上制备透明导电薄膜的沉积方法中所使用的气源包括以氢稀释的硅烷气体，以及含硼的有机类气体或用惰性气体携带的含硼的液态化合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氢稀释硅烷的浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))％≤80％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述含硼的有机类气体或用惰性气体携带的含硼的液态化合物为掺杂剂的浓度BS为含硼气体与硅烷之比，该BS≤3％。
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