CN101562215B - 提高单室沉积微晶硅基薄膜太阳电池效率的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池效率的制备方法。本发明在传统的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的p/i界面引入高晶化率的界面层来实现降低硼污染的影响，进而提高单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的光电转换效率。电池的类型针对本征i层而言，即包括微晶硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)、也包括纳米硅基(纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧等)的薄膜太阳电池。此微晶硅基(纳米硅基)电池的类型即包括单结微晶硅基(纳米硅基)电池，也适用于由其构成的双结或三结叠层太阳电池。该方法不需增加新的设备改造投资成本，又降低了污染，同时有效提高电池效率。

Description

提高单室沉积微晶硅基薄膜太阳电池效率的制备方法
【技术领域】：本发明属于太阳电池技术领域，特别涉及一种改善单室沉积微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池效率的方法。
【背景技术】：单室等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术的低成本特点，再与新型高效非晶基/微晶硅基(纳米硅基)叠层电池技术相结合，将使硅基薄膜电池低成本的潜在优势得到真正体现。要想获得高效率的非晶硅基/微晶硅基(纳米硅基)叠层太阳电池，高效率单结微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的制备则非常重要。但是单室沉积存在的交叉污染是必须要解决的问题，而且对于微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池其污染问题则更严重，因为微晶硅的掺杂效率高，这种“无意”的杂质掺杂将会使得污染问题变的更为严重，使得制备的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的短路电流密度远低于分室制备的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的电流，几乎接近于非晶硅薄膜太阳电池的水平，而开路电压又小于非晶硅薄膜太阳电池，所以其电池的光电转换效率很低。因此，对于单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池其p/i界面的硼污染问题必须要采取一定的措施来解决。现在产业化单室沉积非晶硅薄膜太阳电池的方法是大量的气体冲洗，但由于非晶硅薄膜和微晶硅基(纳米硅基)薄膜材料的性质是不同的，因此对于微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的污染处理方法有待于做深入的研究。
而过渡区材料，即具有中等晶化率的材料其受硼污染的影响程度比较大，而实际上结合目前国际和我们对于分室进行的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的研究，高效率电池需要的本征微晶硅基(纳米硅基)薄膜是应该处于非晶/微晶过渡区的，即要求具有中等晶化率的材料。很显然，为了获得高效率的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池，我们需要选择过渡区材料，可是由于单室沉积硼所带来的污染使得其电池的性能很差。
【发明内容】：本发明目的是解决单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的硼污染问题，提供一种提高单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池效率的制备方法，以便提高电池的短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率。该方法不需增加新的设备改造投资成本，有利于成本控制。
本发明为实现上述目的，设计了一种改善微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池性能的制备方法，其主要是，在传统的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的制备过程中，在p/i界面引入一层高晶化率的界面层(其晶化率大于40％)来实现降低硼污染的影响，进而提高单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的光电转换效率。
本发明提出：单室沉积微晶硅基(纳米硅基)电池的制备方法可以为射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)、甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)。电池的类型针对本征i层而言，即包括微晶硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)、也包括纳米硅基(纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧等)的薄膜太阳电池。此微晶硅基(纳米硅基)电池的类型即包括单结微晶硅基(纳米硅基)电池，也适用于由其构成的双结或三结叠层太阳电池。
本发明提高单室沉积微晶硅基薄膜太阳电池效率的制备方法，具体操作包括以下步骤：
第一、将带有透明导电薄膜的衬底放在真空腔室内；
第二、在衬底上沉积P层微晶硅基薄膜，然后沉积一层高晶化率的界面层(其晶化率大于40％)，该界面层的制备条件如下：
反应气为：硅烷、氢气、二氧化碳、锗烷或甲烷气体中的至少两种；
反应气体压强0.1Torr以上；
辉光功率密度：0.1-3W/cm2；
衬底表面温度：100-300℃；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
第三、然后沉积微晶硅基电池的本征i层和非晶n层；
第四、采用热蒸发Al电极，最后获得电池，进行J-V测试。
本发明的优点和积极效果：
本发明在单室内沉积完P层微晶硅基薄膜后，在正式沉积微晶硅基太阳电池的本征层之前先沉积一定厚度的高晶化率的界面层来降低硼污染的影响，以便提高电池的光电转换效率。这种方法既不增加新的设备改造投资，又降低了污染，同时有效提高电池效率。
【附图说明】：
图1是单室沉积的没有引入高晶化率界面层电池的J-V曲线图；
图2是单室沉积的引入厚度为10nm高晶化率界面层电池的J-V曲线图；
图3是单室沉积的引入厚度为40nm高晶化率界面层电池的J-V曲线图；
图4是单室沉积的引入厚度为30nm高晶化率界面层电池的J-V曲线图；
【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。
本发明提出采用高晶化率的界面层来降低单室内沉积微晶硅基(纳米硅基)电池的污染问题。此单室沉积微晶硅基(纳米硅基)电池的制备方法可以为射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)、甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)。电池的类型针对本征i层而言，即包括微晶硅基(微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧等)、也包括纳米硅基(纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧等)的薄膜太阳电池。此微晶硅基(纳米硅基)电池的类型即包括单结微晶硅基(纳米硅基)电池，也适用于由其构成的双结或三结叠层太阳电池。
下面以在单室内制备单结p/i/n型微晶硅薄膜太阳电池为例来说明本发明提出的采用高晶化率的界面层来降低硼污染，提高电池的光电转换效率。
本发明提高单室沉积微晶硅薄膜太阳电池效率的制备方法，包括以下步骤：
1、将带有透明导电薄膜的衬底放在真空腔室内；
在本发明的实施例中，该衬底选用玻璃衬底，真空控制在高于10-5Torr。
2、在衬底上沉积P层微晶硅薄膜，然后沉积具有一定厚度的高晶化率的界面层(其晶化率大于40％)，该界面层的制备方法如下：
反应气为：硅烷、氢气、二氧化碳、锗烷或甲烷气体中的至少两种；
本发明实施例中采用的反应气为：硅烷、氢气两种气体，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：0.1-3W/cm2；
衬底表面温度：100-300℃；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
3、然后沉积微晶硅电池的本征i层和非晶n层；
4、采用热蒸发Al电极，最后获得电池，进行J-V测试。
以下是本发明提供的几个具体实施例的反应条件，其具体操作过程如以上所述：
实施例1：
本实施例中制备高晶化率界面层的较为优选的一个实施条件如下：反应气中硅烷＝19.25SCCM，氢气流量＝330.75SCCM。应腔室中的反应气压保持在1.8Torr，热阱加热温度保持在295℃，设定辉光功率0.45W/cm2，辉光激励频率为75MHz。沉积20s，所制得的高晶化率的界面层厚度约为10nm，制备的电池的电流密度和效率分别为13.7mA/cm2和3.59％(见图2)。
附图1给出的是没有采用高晶化率界面层在单室内制备电池的电流密度和效率分别为12.8mA/cm2和3.26％。
实施例2：
本实施例中制备高晶化率界面层的较为优选的一个实施条件如下：反应气中硅烷＝20.2SCCM，氢气流量＝329.8SCCM。应腔室中的反应气压保持在1.8Torr，热阱加热温度保持在295℃，设定辉光功率0.45W/cm2，辉光激励频率为75MHz。沉积60s，所制得的高晶化率的界面层厚度约为40nm，制备的电池的电流密度和效率分别为15.5mA/cm2和3.97％(见图3)。
实施例3：
实施例中制备高晶化率界面层的较为优选的一个实施条件如下：反应气中硅烷＝19.25SCCM，氢气流量＝330.75SCCM。应腔室中的反应气压保持在1.8Torr，热阱加热温度保持在295℃，设定辉光功率0.45W/cm2，辉光激励频率为75MHz。沉积60s，所制得的高晶化率的界面层厚度约为30nm，制备的电池的电流密度和效率分别为15.6mA/cm2和4.32％(见图4)。
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 (6)

1.一种提高单室沉积微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池效率的制备方法，其特征在于，在传统的微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池的制备过程中，在p/i界面引入一层高晶化率的界面层，其晶化率大于40％；具体操作包括以下步骤：
第一、将带有透明导电薄膜的衬底放在真空腔室内；
第二、在衬底上沉积P层微晶硅基薄膜，然后沉积一层高晶化率的界面层，该界面层的制备条件如下：
反应气为：硅烷、氢气、二氧化碳、锗烷或甲烷气体中的至少两种；
反应气体压强0.1Torr以上；
辉光功率密度：0.1-3W/cm2；
衬底表面温度：100-300℃；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
第三、然后沉积微晶硅基电池的本征i层和非晶n层；
第四、采用热蒸发Al电极，最后获得电池，进行J-V测试。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一步中所述的衬底选用玻璃或透明塑料衬底，真空控制在高于10-5Torr。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于第二步中所述的高晶化率的界面层为微晶硅基或纳米硅基薄膜，其厚度为小于100nm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于所述的微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池的类型包括单结微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池，或者由单结微晶硅基或纳米硅基构成的双结或三结叠层薄膜太阳电池。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池针对本征i层而言，包括微晶硅基中的微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧，或者纳米硅基中的纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧的薄膜太阳电池。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池的制备方法包括射频等离子体增强化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法、甚高频等离子体增强化学气相沉积法。
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