CN101556971B - 硅基薄膜太阳电池用背反射电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

硅基薄膜太阳电池用背反射电极及其制备方法，涉及薄膜太阳电池领域。本发明的硅基薄膜太阳电池用背反射电极为n型SiOx材料(x＝0.1～1.5)，其导电类型为n型。背反射电极的制备，采用射频等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或甚高频等离子体增强化学气相沉积技术。本发明采用与硅基薄膜太阳电池相同的化学气相沉积技术，在制备硅基薄膜太阳电池n层后，原位沉积具有和ZnO背反射电极相类似作用的n型SiOx材料，所使用的制备技术和电池中n层材料的制备技术有很好的兼容性，可以使用相同的沉积方法，不需要更换沉积系统，只需要变换反应气体或宏观沉积参数，工艺简单且有利于降低成本。

Description

硅基薄膜太阳电池用背反射电极及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及薄膜太阳电池领域，尤其是一种应用在硅基薄膜太阳电池领域的背反射电极及其制备方法。
【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代文明，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。太阳能取之不尽、用之不竭，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。目前已经大规模实现产业化的薄膜太阳电池就是非晶硅薄膜太阳电池，仅2008年国内外非晶硅薄膜企业增加十几家。
另，随着科学技术的不断向前发展，在逐步扩大非晶硅薄膜太阳电池产业化规模的同时，人们也逐步在进行更高、更稳定硅基薄膜太阳电池的研制，比如非晶硅/微晶硅双叠层太阳电池，非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三叠层太阳电池等，其目的都是为了更充分地利用太阳光谱提高太阳电池的光电转换效率。
实际上，为了提高太阳电池的效率，除了本身电池材料特性的优化研究和新型吸收层材料的研究外，光管理工程中的陷光结构的研究也是提高太阳电池效率的一个很重要的方法。从陷光角度来看，对于硅基薄膜太阳电池，除了电池本身要求的p/i/n基本结构外，前电极和背反射电极也是非常重要的，因为两者之间的合理匹配，就会让光尽可能的限制在太阳电池中间，充分地利用太阳光，进而提高电池的光电转换效率。
本发明这里所要关注的是背反射电极，对所有现有的硅基薄膜太阳电池，其背反射电极通常为Al或Ag/Al或ZnO/Al或ZnO/Ag/Al，金属电极可以有很好的电学接触特性，它作为背反射电极是必须要求的材料之一，为了进一步提高背反射电极的效果，人们引入了上面的ZnO。而对于ZnO薄膜的制备，人们通常采用的办法为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或溅射方法(Sputtering)，但是从产业化应用的角度看，此背反射电极ZnO的加入在激光切割中遇到了一定的难题，背反射电极加入ZnO后，切割工艺很难控制，产业化要求的集成化切割受到影响，而且沉积的技术MOCVD或Sputtering是不同于电池用三层材料的沉积技术等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的。
【发明内容】
本发明目的旨在提供一种能够提高硅基薄膜太阳电池短路电流密度，进而提高电池光电转换效率的新型背反射电极材料n型SiOx，同时给出其基本制备方法。
本发明的硅基薄膜太阳电池用背反射电极，背反射电极为n型SiOx材料，(x＝0.1～1.5)，其导电类型为n型。
硅基薄膜太阳电池用背反射电极的制备方法，采用等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或甚高频等离子体增强化学气相沉积技术。
硅基薄膜太阳电池用背反射电极的制备方法，制备中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，以不同的含磷的有机类气体或用惰性气体携带的含磷的液态化合物作为掺杂剂。
本发明的硅基薄膜太阳电池，其背反射电极的n型SiOx材料(x＝0.1～1.5)，其导电类型为n型的背反射电极。
前述的硅基薄膜太阳电池的制备方法，制备单结p/i/n型非晶硅薄膜太阳电池，具有背反射电极n型SiOx的非晶硅薄膜太阳电池的基本结构为glass/SnO2/p(a-SiC:H)/i(a-Si:H/n(μc-Si:H)/n(SiOx)/Al)，具体制备工艺为：
1)将具有SnO2的玻璃衬底放入PECVD沉积系统中，本底真空高于10-5Torr；
2)控制反应沉积参数，在SnO2衬底上依次沉积p型非晶硅碳薄膜、本征非晶硅薄膜和n型微晶硅薄膜；
3)然后采用PECVD技术沉积背反射电极n型SiOx材料；
采用反应气为：硅烷、氢气、磷烷、甲烷或二氧化碳气体的组合，制备的反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1Torr以上；
辉光功率密度：10-1000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％；
含磷气体与硅烷之比(磷掺杂剂浓度)：PS≤5％；
含氧气体与硅烷之比：OS＝0.5～5；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
本发明的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的应用于多结硅基薄膜太阳电池，具有其背发射电极电池的结构为glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Al或者glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Ag，或者glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Ag/Al。
本发明的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的应用，应用于单结或多结的p/i/n型硅基薄膜太阳电池，电池的类型针对本征i层而言，包括非晶硅基，微晶硅基薄膜太阳电池。
本发明，提出采用n型SiOx材料，利用其具有和ZnO作为背反射电极要求相类似的性质，提出新的背反射电极。其目的是：通过调控n型SiOx中x的值，使得制备材料的性质达到背反射材料ZnO的要求。此技术的优点是：n型SiOx材料的制备和电池的p/i/n基本结构中n层材料的制备技术完全是兼容的，即也是等离子体增强化学气相沉积，而且恰好是在完成电池的n层材料沉积后，随后继续沉积n型的SiOx。
本发明有益效果是：本发明采用如射频等离子体增强化学气相沉积、甚高频等离子体增强化学气相沉积或热丝化学气相沉积等与硅基薄膜太阳电池相同的化学气相沉积技术，在制备硅基薄膜太阳电池n层后，原位沉积具有和ZnO背反射电极相类似作用的n型SiOx材料，所使用的制备技术和电池中n层材料的制备技术有很好的兼容性，可以使用相同的沉积方法，不需要更换沉积系统，只需要变换反应气体或宏观沉积参数，工艺简单且有利于降低成本。
【具体实施方式】
下面结合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n型SiOx材料作为硅基薄膜太阳电池的背反射电极。适用于单结或多结的p/i/n型硅基薄膜太阳电池。电池的类型针对本征i层而言，即包括非晶硅基(非晶硅、非晶硅锗、非晶硅碳或非晶硅氧等)、也包括微晶硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)、也包括纳米硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)的薄膜太阳电池。此新型背反射电极为n型SiOx材料，其导电类型为n型，同时其制备技术采用等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术。
本发明新型背反射电极为n型SiOx材料，采用与制备硅基薄膜太阳电池n层材料相同的沉积技术，例如射频等离子体增强化学气相沉积(RF-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，以不同的含磷的有机类气体或用惰性气体携带的含磷的液态化合物作为掺杂剂。
下面以制备单结p/i/n型非晶硅薄膜太阳电池为例来说明本发明新型背反射电极n型SiOx的制备方法。
实施例1
制备n型SiOx材料较为优选的一个实施条件如下：反应气中硅烷(氢稀释，浓度为6％)＝21SCCM，氢气流量＝69SCCM，磷烷(氢稀释，浓度为1％)＝2.1SCCM，二氧化碳(100％)＝1.4SCCM。应腔室中的反应气压保持在0.64Torr，衬底表面温度保持在175℃，设定辉光功率30W，辉光激励频率为13.56MHz。沉积45分，所制得的非晶硅氧薄膜69nm，其暗电导率约为10-2s/cm，材料在600nm处的折射率为2.7，其中SiOx中的x约为0.5。
实施例2
制备n型SiOx材料较为优选的另一个实施条件如下：反应气中硅烷(氢稀释，浓度为6％)＝15SCCM，氢气流量＝75SCCM，磷烷(氢稀释，浓度为1％)＝1.5SCCM，二氧化碳(100％)＝1.0SCCM。应腔室中的反应气压保持在0.64Torr，衬底表面温度保持在175℃，设定辉光功率30W，辉光激励频率为13.56MHz。沉积45分，所制得的非晶硅氧薄膜53nm，其暗电导率约为10-3s/cm，，材料在600nm处的折射率为2.8，其中SiOx中的x约为0.45。
实施例3
制备n型SiOx材料较为优选的另一个实施条件如下：反应气中硅烷(氢稀释，浓度为6％)＝15SCCM，氢气流量＝75SCCM，磷烷(氢稀释，浓度为1％)＝1.5SCCM，二氧化碳(100％)＝1.6SCCM。应腔室中的反应气压保持在0.64Torr，衬底表面温度保持在175℃，设定辉光功率30W，辉光激励频率为13.56MHz。沉积45分，所制得的非晶硅氧薄膜80nm，其暗电导率约为10-7s/cm，材料在600nm处的折射率为2.3，其中SiOx中的x约为0.7。
综上所述，本发明通过控制反应沉积参数，可获得沉积厚度为5～200nm，择射率为1.5-3.0的n型SiOx材料，此n型SiOx材料和金属电极组合后，将会进一步提高电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率。
本发明在制备硅基薄膜太阳电池的同时，采用原位的和电池n层沉积相同的沉积技术，只是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 (5)

1.一种硅基薄膜太阳电池用背反射电极，其特征在于，背反射电极为n型SiOx材料，x＝0.1～1.5，其导电类型为n型，其制备采用射频等离子体增强化学气相沉积技术或热丝化学气相沉积技术或甚高频等离子体增强化学气相沉积技术。
2.一种权利要求1所述的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的制备方法，其特征在于，制备中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，以不同的含磷的有机类气体或用惰性气体携带的含磷的液态化合物作为掺杂剂。
3.如权利要求2所述的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的制备方法，其特征在于，制备单结p/i/n型硅薄膜太阳电池，具有背反射电极n型SiOx的非晶硅薄膜太阳电池的基本结构为glass/SnO2/p(a-SiC:H)/i(a-Si:H/n(μc-Si:H)/n(SiOx)/Al)，具体制备工艺为：
1)将具有SnO2的玻璃衬底放入PECVD沉积系统中，本底真空高于10-5Torr；
2)控制反应沉积参数，在SnO2衬底上依次沉积p型非晶硅碳薄膜、本征非晶硅薄膜和n型微晶硅薄膜；
3)然后采用PECVD技术沉积背反射电极n型SiOx材料；
采用反应气为：硅烷、氢气、磷烷、甲烷或二氧化碳气体的组合，制备的反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1Torr以上；
辉光功率密度：10-1000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％；
含磷气体与硅烷之比：PS≤5％；
含氧气体与硅烷之比：OS＝0.5～5；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz。
4.一种权利要求1所述的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的应用，其特征在于，应用于多结硅基薄膜太阳电池，具有其背发射电极电池的结构为glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Al或者glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Ag，或者glass/TCO/pin/pin..../n(SiOx)/Ag/Al。
5.一种权利要求1所述的硅基薄膜太阳电池用背反射电极的应用，其特征在于，应用于单结或多结的p/i/n型硅基薄膜太阳电池，电池的类型针对本征i层而言，包括非晶硅基，微晶硅基薄膜太阳电池。
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