CN101237000A - 基于薄膜硅的多结光伏器件的纳米晶硅和非晶锗混合型吸收层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一个p－i－n型光伏电池，该光伏电池包含一个新颖的带隙较窄的i层吸收层。该吸收层的前部分由纳米晶硅制成，中间部分由非晶锗材料制成，后部分由非晶锗硅制成。这种含有混合型i层的光伏电池，可以很好地作为基于硅薄膜的多结光伏器件的底层电池。它的性能优良，稳定性强，生产成本低。

Description

基于薄膜硅的多结光伏器件的纳米晶硅和非晶锗混合型吸收层

技术领域

本发明涉及一种p-i-n型薄膜硅光伏器件，这种器件内部含有带隙较窄的半导体光电转化层。本发明特别涉及混合型窄带隙本征i层，该本征i层包含纳米晶硅和非晶锗，它们经等离子体化学气相沉积法，在i层内形成连续的叠层结构。

背景技术

最近几年，薄膜光伏电池和大面积光伏模块引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出了巨大潜力。在低于260℃这样的相对低的温度下生产薄膜硅光伏器件，一个显著的特点是，可以大面积沉积与硅相关的性能优良的半导体膜层和电接触膜层。同时，可以使用成熟先进的镀膜设备和程序而制成生产成本较低的基板。施加在同一基板上的不同薄膜的激光划线成型(laser patterning)工艺，允许多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模板。

光伏器件，也叫太阳能电池或光电转换器，用来把辐射，比如太阳光、白炽光或者荧光等转化成电能。这种转化是通过所谓的光电效应产生的。当光线照射到光伏器件时，被器件的活跃区域所吸收，形成电子和空穴对，然后这些电子和空穴被器件的内置电场隔开。

根据已知的使用氢化非晶硅和纳米晶硅及其合金的太阳能电池的结构分析，内部电场是在含有由非晶硅和/或纳米晶硅及其合金制成的p型、本征(i)型和n型膜层(p-i-n)的结构中产生。在下面的描述中，基于硅的薄膜材料非晶锗硅合金(a-SiGe)，实际上是指一种氢化材料，即氢化非晶锗硅。

在包含p-i-n型结构的光伏电池中，当适当波长的光线被吸收时，电池的非掺杂型本征i层中就会生成电子-空穴对。在内置电场的影响下，电子-空穴被分开，电子流向n型导电区，而空穴流向另外一个p型导电区。光伏电池吸收了光之后，这种电子-空穴流就会生成光电压。

制作光伏器件的半导体材料要有吸光能力，产生大量的电子和空穴，并且能够尽可能多地把入射的光能转化成有用的电能，进而提高转化效率。在这方面，非晶硅是制作光伏器件的理想材料，因为和其它光伏电池中使用的材料，如多晶硅相比，它能够吸收大部分的入射辐射。实际上，厚度小于1000纳米的非晶硅能够比同样厚的多晶硅多吸收40％或者更多的入射辐射。其它与非晶硅紧密联系的材料，如非晶锗硅，也是制作薄膜光伏电池的理想材料。在下文中，“基于薄膜硅的材料”指的是非晶硅、纳米晶硅及相关合金制成的薄膜。

正如当前技术中所知，在p-i-n型基于薄膜硅的光伏电池中，p层和n层之间的非掺杂型本征i层比p层和n层要厚得多。本征i层的作用是阻止电子和空穴在内置电场中被分离之前重新结合。通常情况下，如果辐射入射在p层上，这种结构被称为″p-i-n″结构；而如果入射在n层上，被称为″n-i-p″结构。当前市场上的所有基于薄膜硅的光伏模板，都是p-i-n型的。

对于基于薄膜硅的光伏器件的另外一个考虑，是它在持续的阳光照射下的稳定性。因为随着光照时间的增长，基于非晶硅材料的光电转化能力会逐渐衰退。因此为了保证器件长期的性能，要限制p-i-n型的光伏电池中非晶硅本征i层的厚度。但是，如果用纳米晶硅作为p-i-n型光伏电池本征i层或转化层(吸收层)的材料，就不会出现上述问题了。

光伏电池能够高效的把光能转化成电能。为了增强它的转化效率和延长使用寿命，人们进行了各种各样的研究。一个已知的能够增强转化效率的措施是，建构一个叠层的太阳能电池，也就是多结太阳能电池。这种电池能吸收更多的不同能量和波长的光子，同时它能有效抑制含有非晶硅及其合金的本征i层光伏器件的由光导致的退化现象。多结的设计可以使光伏器件生成的光电流量最大化。一个光吸收能力更强的多结光伏器件包含两个或多个单结光伏电池，这些电池形成一种叠合的结构，一结在另一结的上面。每个光伏电池(光伏元件)或每个p-i-n序列通常被称为一“结”，两结或两结以上的电池构成一个由数个p-i-n光伏元件叠加而成的光伏器件。这种多结光伏器件，在现有技术中也被称为“串极”或叠式(tandem)太阳能电池。美国专利号为4272641和4891074的专利中描述了这样的太阳能电池，这在本文中有所参考。值得注意的是，这些专利阐述了叠式组合的非晶硅太阳能电池，其中每个光伏电池(每结)都有上面所描述的p-i-n型结构。和单结光伏器件相比，多结太阳能电池有更高的转化率、更好的稳定性和更长的使用寿命。

通常在多结器件中，短波光被最顶层的光伏电池吸收，长波的光被第二层吸收，如果存在后续层，则被后续层电池吸收。多结光伏器件的首层、第二层和后续层光伏电池最好有各自不同的带隙宽度，这些带隙连续递减，以保证高效的阳光吸收度。这种多结光伏器件中的两个或更多个p-i-n元件，在光学和电学上都紧紧地连成系列。也就是说，每个包含p层、i层和n层的光伏结都和另外一个结直接联电，入射光依次进入每结。因此，多结光伏电池每结的本征i层都被设计成对太阳光谱中的某一部分光有最佳的光感。比如说，带隙较宽的非掺杂型非晶硅或非晶硅碳常被用来制作首结电池(最顶层光伏元件)，该层电池离光线的入射面最近(离受光的基板最近)。非晶锗硅的带隙较窄，通常用来制作离入射面较远的光伏电池元件。因为非晶锗硅的i层可以吸收红外线区的长波光，这种长波光很难被非晶硅吸收。这使叠层的太阳能电池能够高效地吸收大范围的太阳光来发电。对于多结光伏器件来说，底层的光伏电池必须能够高度吸收不被上层电池吸收的长波光，以产生和其它结电池等量的光电流。

目前已经找出了另外一种长波光吸收层的材料。这种纳米晶硅材料(nano-crystalline Si，即nc-Si)的带隙在1.1-1.2eV之间，具体数值取决于嵌入无定形基体中的晶硅体积比值。这种材料的带隙比非晶硅的带隙(大约1.76eV)小，使它成为制作多结光伏器件中底层电池(底结)的理想材料。

纳米晶硅的另外一个优点是，它能在长时间的强光照射下保持良好的稳定性。因此纳米晶硅已经成为基于薄膜硅的多结太阳能电池底层光伏电池本征i层的通用材料。然而有较高光伏性质的本征纳米晶硅只能用精密而且昂贵的等离子体沉积设备生产，生产率非常低，在6-12纳米/分钟左右，同时会消耗大量高纯度的源气体(主要是氢气)。因为纳米晶硅有间接的带隙(和晶体硅相似)，它的光吸收系数比非晶体材料(非晶锗硅)小得多。因此在双结或三结太阳能电池，比如非晶硅/非晶锗硅/纳米晶硅(a-Si/a-SiGe/nc-Si)型电池中，用纳米晶硅作为第三节本征i层材料，要吸收足够的光子，其薄膜厚度需要在2000-3000纳米的范围内。在全日照辐射条件下，每结电池产生的光电流密度大概是8mA/cm²。

传统意义上说，非晶锗硅和纳米晶硅已经分别用作p-i-n型太阳能电池i层的材料。均匀地、快速地、大面积沉积纳米晶硅，同时保留光伏级薄膜的性质，是非常困难的。因此，纳米晶硅(稳定性和高传导性)就不那么有优势了。由于较厚的纳米晶硅薄膜需要吸收足够的长波光，它的沉积需要较长的时间，这使得它的产量较低，而生产成本较高。此外，因为纳米晶硅更容易被杂质所掺杂，所以纳米晶硅i层薄膜的制作需要有较高真空标准的多真空室等离子体化学气相沉积设备。

相比之下，非晶锗所需的i层厚度较小(比如说150纳米)，可以在短时间内均匀沉积。它所用的镀膜设备花费较低，和晶体材料相比，非晶体半导体对其纯度(掺杂物)不那么敏感。当单独用作i层的材料时，非晶锗硅的高缺陷密度和较差的稳定性使它无法和纳米晶硅相比。非晶锗硅太阳能电池的另一个缺点是它的开路电压较低，一般低于450mV。相比之下，只要i层不是过于晶体化，含有纳米晶硅i层(在接近非晶硅沉积的条件下沉积)的太阳能电池开路电压会大于510毫伏(mV)。工业上实际应用窄带隙、长波光感能力强的太阳能电池时，应该考虑使用含有非晶锗硅或纳米晶硅作为本征i层的窄带隙太阳能电池的性能和成本问题。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提供一个p-i-n型薄膜光伏电池，该电池有良好的长波光感应，并且运行稳定。

本发明的进一步目的是，提供一个混合型本征i层，该本征i层由两种大不相同的材料制成，这两种材料可以用同一个等离子体沉积设备在大面积基板上短时间地连续沉积。

本发明的第三个目的是，提供一种高性能的基于薄膜硅的多结光伏器件的底层电池(底结)，这种电池效率高，生产成本低。

为了达到上述发明目的，如文中所述，本发明提出了一种合成的复合型本征i层，该本征i层带隙不大于1.2eV，有较强的吸收红光和红外线的能力。它包含氢化纳米晶硅和非掺杂硅的氢化非晶锗，它们连续的、无缝的结合在一起，作为一个单一的本征i层用于p-i-n型太阳能电池当中，尤其用于基于薄膜硅的多结光伏器件当中。这种器件有较强的载流子收集能力和光谱响应能力，运行稳定。混合型纳米晶硅和非晶锗双层结构比其单独用纳米晶硅或非晶锗制成的器件成本更低，性能更优良。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1a显示的是p-i-n型薄膜太阳能电池的膜层结构。该太阳能电池包含由非掺杂型纳米晶硅和非晶锗制成的混合型i层。

图1b是一个p-i-n型太阳能电池的带隙示意图。其中窄带隙的i层包含非掺杂型纳米晶硅层、一个非晶锗硅膜层和一个非晶锗硅缓冲层。

图2是一个基于薄膜硅的双结光伏器件的膜层示意图。该光伏器件包含两个光伏电池，其中底结包含由纳米晶硅薄膜和非晶锗结合的混合型i层。

图3是一个基于薄膜硅的三结光伏器件的膜层结构示意图。该光伏器件含有三个光伏电池，其中底结包含由纳米晶硅薄膜和非晶锗薄膜结合的混合型i层。

具体实施方式

本发明涉及一个新颖的、性能良好的、窄带隙的半导体薄膜集成结构。这种有良好的短波光吸收能力的高性能、稳定的半导体薄膜，是由连续沉积的氢化钠米晶硅(nc-Si)和氢化非晶锗(a-Ge)无缝粘合而成的。该薄膜间没有联接障碍，适合光电应用。同时，这类非掺杂型薄膜可被用作p-i-n型光伏电池的吸收层(i层)材料。这种光伏电池有较好的载流子收集能力，对波长大于1000纳米的光有强烈的反应，并且操作性能稳定。此外，这种薄膜可以在大面积基板上沉积，生产成本低。可用于大批量生产高效多结光伏器件。这种纳米晶硅和非晶锗的双层叠合体作为半导体叠合层所制构的器件，在成本和性能上优于其它单独使用纳米晶硅和非晶锗的器件。

把两种看起来不同类型的薄膜，纳米晶硅和非晶锗，无缝地集合成一个单元，是一种新颖的概念。这种异类膜层结构包含不同的子层，可以用兼容的、良好的薄膜沉积技术来生产。根据这一概念，两个半导体(一个在另一个之上)合并成一个单一的半导体“膜层”(太阳能电池吸收层)，这比任何相同价位的单一的半导体的性能更好。这种方法尤其适合光伏应用，在这种光伏元件中，p-i-n型光伏电池中含有本征i层，它是由纳米晶硅膜层和非晶锗膜层叠合而成的双层结构。这种结构便于生产，同时能够使薄膜对长波光有更强的吸收能力，产生较高的光电压。把纳米晶硅和非晶锗结合到一个混合型i层中，可以很好地平衡性能和成本两者之间的关系。较厚的纳米晶硅制成的i层性能良好，但是生产困难；而非晶锗制成的i层光吸收度好但生成的光伏电压低，光电流收集能力低。如果把纳米晶硅置于i层更重要位置——前部分，就可以使其i层具有较高的光电压和良好的光电流收集能力。

现以图1a为例进行阐述。一个p-i-n型薄膜光伏电池包括一个p层36，一个n层39，和一个夹在p层和n层之间的i层38。一般来说，i层38是由单一材料制成，如纳米晶硅或非晶锗硅这样带隙较窄的材料。为了得到纳米晶硅产生的较高的光电压和较强的光电流收集能力(高填充因子)，同时不需要较厚的纳米晶硅薄膜(大于1200纳米)所需的沉积时间，i层38中只是前面的部分38a是由纳米晶硅制成，其它的部分是非晶锗材料的38b，在非晶锗38b下面的是由非晶锗硅制成的有递进带隙的缓冲层38c。本征非晶锗层38b的作用是尽可能多地吸收透过纳米晶硅38a膜层的光，同时不会给i层38带来太多的缺陷。因为非晶锗硅的带隙可以通过改变合成材料中硅的原子浓度来调节，所以缓冲层38c的带隙从膜层38b的带隙(1.1eV)平缓地递增到接近非晶硅的带隙(～1.76eV)。这种带隙的依次递增(递进)避免了光电传输过程中因带隙突变导致的明显的阻止现象。因此，非晶锗硅缓冲层38c的主要作用是帮助收集38a和38b中生成的光电流。

图1b是图1a中所示太阳能电池的带隙剖视图。图中p-i-n型太阳能电池的本征i层38包括三个部分：纳米晶硅层38a，非晶锗层38b和硅原子密度变化的非晶锗硅层38c。要注意，适度纳米晶体含量(大约50％)的纳米晶硅的带隙和非晶锗的带隙(稍大于1.1eV)非常接近。因此，这两种带隙的薄膜可以结合成一个没有明显带隙中断的单一i层薄膜。而在这种薄膜中，纳米晶硅层38a和非晶锗层38b之间不存在明显的“结”，这是它独特的地方。多数其它不同半导体材料结合时，其间都会存在有“整流效应”的界面。

还应注意的是，纳米晶硅中的晶体部分可以随厚度的增大(或等离子体气相沉积时间的增长)而增大。因此如图1b中所示，薄膜越厚，纳米晶硅层38a的带隙越小。

本发明的核心是在建构过程中综合两种膜层的优点，避免它们的缺点，从而生成一种性能优良的、稳定的单一活跃i层。经显示，高质量的纳米晶硅不会随吸收光的时间而衰退。由于它的非晶体原子结构和较窄的带隙，既定厚度的非晶锗膜层比纳米晶硅膜层有更强的吸收长波光的能力。纳米晶硅和非晶锗的结合避免了较厚纳米晶硅所需的很长的沉积时间，因为很薄的非晶锗层(比如，150纳米)就能和厚度为1500纳米的纳米晶硅吸收等量的红光(波长大于800纳米)。另外，我们不用担心纳米晶硅在长成较厚的膜层时演化成晶体成分过高的材料，从而严重影响光伏模块的性能。此外，非晶锗可以大面积均匀地快速生长，在等离子体化学气相沉积过程中对纯度要求也不高。其较高的产量可以减少操作和设备方面的花费。

厚度大于600纳米的纳米晶硅膜层一个重要作用就是明显减少i层内部的分流(shunt)。而在使用较薄的i层时，分流是一个非常严重的问题。例如，当非晶锗单独作为i层的材料时，它的厚度在150纳米到250纳米之间(包括非晶锗硅缓冲层)。这种光伏电池太薄，很难避免大面积基板上镀膜时的分流问题。

诸如辉光放电(等离子体增强化学气相沉积或简称为等离子体气相沉积)，磁控溅射法，和热丝化学气相沉积等多种薄膜沉积技术都可用于生产均匀的、高质量、集成的纳米晶硅和非晶锗双层薄膜。另外一种薄膜生长技术是VHF(极高频率)等离子体化学气相沉积法。这种技术需要经过精心策划以进行均匀地大面积沉积。有利的是，纳米晶硅和非晶锗都可以均匀地在同一类型的等离子体化学气相沉积反应器中沉积，就像加工光伏模块中基于薄膜硅的膜层所使用的真空反应器一样。因此，生产这种新颖的混合型太阳能电池的本征层不需要额外的设备。

生产这种含有非晶锗硅缓冲层的纳米晶硅及非晶锗硅双层叠合的混合型薄膜，可以应用多种薄膜生长程序。生长纳米晶硅薄膜，一般使用不同体积比的H₂和SiH₄混合气体。p-i-n结构中纳米晶硅的p层会促进纳米晶硅籽晶的生成。其它生产纳米晶硅i层的含硅的原料气体包括SiH_XCl_4-X(X＝1，2，3，4。例如SiH₂Cl₂，二氯硅烷)，SiF₄和Si₂H₆。在等离子体中如果有卤族元素(F，Cl)的参与，可以促进纳米晶硅薄膜的生长。

非掺杂型非晶锗可以通过等离子体气相沉积过程快速、可靠地生产，例如原料气体可以是H₂+GeH₄或者H₂+GeF₄应该注意，在原料混合气中加入少量的含硅的气体，可以生成窄带隙的a-Ge_xSi_1-x，其带隙略微高于非合金的非晶锗(x＝1)。对于本发明来说，非晶锗和y值较大的a-Ge_ySi_1-y合金(y＞0.9，或硅浓度不太于10个原子百分数，10 at.％)可被视为同类材料。同理，a-Ge_yC_1-y中，y＞0.95(碳原子浓度较低的非晶锗碳合金)也可被看成窄带隙的非晶锗的延伸材料。

这里关键的是怎样使两种不同半导体薄膜有序地沉积，让它们在光电器件中作为一个单一的“本征层”。我们一般用一个单一的半导体薄膜作为特定的“结”。这两种薄膜不仅化学成分不同(硅和锗)，而且结构特征(纳米晶体和非晶体)也不同，因此在任何一种高性能器件中，它们的结合都不明显。本发明中使用混合型的i层，这使得纳米晶硅成为多结光伏电池中底层电池的吸收层更实际的材料，因为沉积时间大大缩短了。包含纳米晶硅和非晶锗混合型层的太阳能电池的另外一个特点是，传统太阳能电池中较厚的纳米晶硅i层被部分替换成了更厚的非晶锗膜层38b。在光吸收能力相同的情况下，纳米晶硅薄膜的厚度是非晶锗薄膜厚度的十倍，需要用传统的低温等离子体技术进行大面积沉积。因此和纳米晶硅薄膜相比，生产非常薄的，厚度小于200纳米的非晶锗膜层更简单更快捷。

总之，把纳米晶硅的优良性能和稳定性与非晶锗较强的光吸收能力及高产出能力结合起来，可形成一种可靠(分流较少)、经济效应明显的大面积太阳能光电转换材料。它的加工程序更简单，更能适应设备和程序的变化。在这种叠层的结构中，单独的纳米晶硅膜层和非晶锗膜层的缺点可以被有效地避免。关键的是，在同一个p-i-n型光伏电池中，让纳米晶硅膜层38a和非晶锗膜层38b形成一个双层结构的本征i层，而不是在不同的光伏电池中不同的i层。

下面的例子阐述在基于薄膜硅的多结光伏器件中，使用窄带隙的混合型薄膜光伏电池。

实施例一：

图2涉及一个双结基于薄膜硅的光伏器件。该器件包括两结光伏电池，一结顶层电池6-8-9(p1-i1-n1)和一结底层电池26-28-29(p2-i2-n2)。该双结光伏电池置于有基板1支撑的透明电极2之上。透明电极一般是由像氟掺杂的氧化锡(SnO₂)这样的透明导电氧化物(TCO)薄膜制成。氧化锡表面粗糙(有纹理)，适合分散光线，从而增强光伏层的光吸收能力。透明导电氧化物膜层22与金属膜层45一起组成光伏器件背面的反光电极。这一设备被封装在膜层46和保护膜21中。顶层电池的p1层6材料通常是硼掺杂的宽带隙的非晶硅合金，如非晶硅碳，非晶硅氮或非晶硅氧，有时候也使用n型的纳米晶硅。磷掺杂的n层9一般是由非晶硅或纳米晶硅制成。运作过程中，阳光照射在光伏器件前盖的外侧或基板1上，图中用箭头表示。

顶层光伏电池J1包含膜层6-8-9(p1-i1-n1)，该电池的本征i层8最好是用带隙在1.7-1.8eV之间的非晶硅制成，而底部的光伏电池J2包括膜层26-28-29(p2-i2-n2)，其i层28一般是由本征的(非掺杂型)，带隙在1.4-1.5eV之间的非晶锗硅或者带隙在1.1-1.2eV之间的纳米晶硅制成。

为了给i层28中的纳米晶硅成核制造一个“模板”，底部电池的p2层26必须至少是部分晶体型的。根据本发明，底层的电池J2是根据图1a和图1b中所示结构制造的。也就是说，底层电池包含硼掺杂纳米晶硅(混合相位的硅)制成的p层，一个由磷掺杂的薄膜硅制成的n层，一个由纳米晶硅和非晶锗制成的本征i层，该本征i层包含一个非晶锗硅制成的缓冲层(如图1b)。在此双结光伏器件中，顶层光伏电池J1吸收大部分的蓝光和绿光，而底层电池J2包含混合型i层，它主要吸收红光和红外线。因为非晶锗硅有很强的吸收长波光的能力，所以当纳米晶硅制成的前部分厚度不大于750纳米时，底层电池中i层28的总厚度可控制在1000纳米以下。如图2所示，底部电池包含纳米晶硅和非晶锗结合的本征i层，其性能相当于i层完全由本征纳米晶硅(a-Si/nc-Si一前一后电池)制成的双结光伏器件的性能。混合型纳米晶硅和非晶锗制成的本征层的沉积时间大大缩短了，这使得产量有所提高，同时降低了生产成本。

实施例二：

一个基于薄膜硅的三结光伏器件包含三个叠层结构的p-i-n型光伏电池，它们具有同一个光学路径和同一个电学路径。各结光伏电池中i层的带隙可以相同但最好不同。如图3所示，一个三结的基于薄膜硅的光伏器件包含三个罗列在一起的p-i-n型电池J1，J2和J3。前电极2沉积在基板1之上，反光电极22和45，封装剂46和背部保护片21，都和图2中所示的双结光伏器件中的相同。顶层，中间和底层的电池分别包含p1-i1-n1(6-8-9)，p2-i2-n2(26-28-29)，和p3-i3-n3(36-38-39)。顶层和中层电池的吸收层或本征层i1，i2(8，28)最好是由非晶硅和非晶锗硅，或者非晶硅和纳米晶硅制成(顶层电池J1中是非晶硅，中间层电池中J2是纳米晶硅)。应该注意，对于一个三结光伏电池，第二结(中间光伏电池)不需要像双结光伏设备中的第二结那样生成那么多光电流(如例1中图2所示)。顶层电池更薄，以允许更多的光到达中间结和底结。这样三结器件(图3)中的本征吸收层28可以明显比双结器件中的本征吸收层薄。在双结器件中，第二层也是底层。一般说来，三结光伏电池的i层(8，28，38)包括像a-Si/a-SiGe/a-SiGe，a-Si/a-SiGe/nc-Si，a-Si/nc-Si/nc-Si和a-Si/a-Si/nc-Si这样的结合。

根据本发明，基于薄膜硅的三结光伏器件中底结光伏电池是根据图1a和图1b中的结构设计的。也就是，底层光伏电池J3包含：一个硼掺杂的或部分纳米晶硅制成的p型膜层36；一个本征i层，该i层由连续沉寂的纳米晶硅和非晶锗制成，后部有一个非晶锗硅制成的缓冲层(如图1b所示)；一个由磷掺杂的薄膜硅或硅的合金制成的n型膜层39。底结(底层光伏电池)包含一个混合型本征i层38，用来吸收顶层和中间层不能吸收的红光和红外线。这一设计优于传统的基于薄膜硅的三结光伏器件。传统器件中的底层电池的本征层是由带隙在1.4-15eV之间的非晶锗硅或纳米晶硅制成的。

非晶锗硅制成的本征i层不如带隙大约是1.1eV的非晶锗的光吸收能力强。因为非晶锗吸收长波光的能力强，所以如果纳米晶硅制成的膜层38的前部i3层厚度小于850纳米，底层电池中i层38的总厚度可控制在1100纳米以下。图3中三结电池的底结电池中包含纳米晶硅和非晶锗制成的本征i层，其性能及稳定性相当于或高于传统的本征i层完全由纳米晶硅(如a-S/nc-Si/nc-Si或a-Si/a-SiGe/nc-Si)制成的三结光伏器件。混合型纳米晶硅和非晶锗制成的本征层的沉积时间大大缩短，这使得产量有所提高，同时降低了生产成本。

Claims (8)

1. 一个p-i-n型光伏电池，包括：

a.一个p型膜层。该膜层由硼掺杂的薄膜硅，包括纳米晶硅和部分纳米晶硅制成；

b.一个n型膜层。该膜层由磷掺杂的薄膜硅或硅的合金制成；

c.一个本征i层。该本征i层置于所述p型膜层和所述n型膜层之间，所述本征i层包含：

i.一个本征纳米晶硅薄膜。该薄膜厚度不大于800纳米；

ii.一个本征非晶锗膜层。该膜层厚度不大于300纳米；

iii.一个非晶锗硅合金层。该合金层有递进的硅原子密度和递进的能带隙，其厚度不大于120纳米。

2. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏电池，其特征在于：所述的本征i层的本征纳米晶硅薄膜由部分晶体状的硅或混合相位的硅制成，有递进的纳米晶硅体积含量和连续变化的能带隙。

3. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏电池，其特征在于：所述的本征i层的本征非晶锗膜层带隙不大于1.15eV，厚度在10-110nm范围内。

4. 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏电池，其特征在于：所述的本征i层的非晶锗层是硅掺杂型的，硅原子比例不超过10％，且带隙不大于1.25eV。

5. 一个多结光伏器件，它由多个p-i-n型光伏电池叠加而成，其中至少有一个是根据权利要求1所述的p-i-n型光伏电池。每个光伏电池包括：

a.一个p层，该膜层由硼掺杂的薄膜硅或其合金制成；

b.一个n层，该膜层由磷掺杂的薄膜硅或其合金制成；

c.一个本征i层，该膜层由基于薄膜硅的材料制成并可包括本征非晶锗，置于所述p型和所述n型薄膜之间。

所述多个p-i-n型光伏电池是连续依序形成的，每个后续光伏电池中所述i层的能带隙都不大于前一个光伏电池i层的能带隙。

6. 一个生产权利要求1所述的p-i-n型光伏电池的所述本证i层的方法，其特征在于：它用于生成一种混合型的本征i层，其实施需要下列步骤：

a.通过等离子体气相沉积技术制作一个本征纳米晶硅膜层，过程中所使用的混合气体包含至少一种含硅的气体和氢气；

b.通过等离子体气相沉积技术制作一个本征非晶锗膜层，过程中所使用的混合气体包含至少一种含锗气体和氢气；

c.通过等离子体气相沉积技术制作一个本征非晶锗硅合金膜层。过程中所使用的混合气体包含至少一种含锗气体，一种含硅气体和氢气。

7. 根据权利要求5所述的多结光伏器件，其特征在于：第一个和第二个p-i-n型光伏电池所述的本征i层都是由不含锗的氢化非晶硅薄膜制成，包括氢化非晶硅和纳米晶硅薄膜。

8. 根据权利要求5所述的多结光伏器件，其特征在于：多个p-i-n型光伏电池中的最后一个是根据权利要求1所述的p-i-n型光伏电池制成。

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