CN101697363B - 一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，制备单室沉积硅基薄膜太阳电池的窗口层材料采用高频率、高气压、高功率密度和小电极间距相结合的工艺，该方法既适用于单结、双结或三结叠层微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池，也适用于分室微晶硅基薄膜太阳电池的沉积。本发明的有益效果是：该方法工艺简单、成本低、交叉污染低、实用性强，利用快速成核工艺制备的窗口 层材料同时具有高电导率和高透过率，明显提高了硅基薄膜太阳电池的开路电压和短路电流密度，进而提高硅基薄膜太阳电池的光电转换效率，特别是对单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的产业化具有非常重要的意义。

Description

一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法
【技术领域】
本发明涉及硅基薄膜太阳电池制备领域，尤其是一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法。
【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/微晶硅基(纳米硅基)叠层电池技术相结合，将使硅基薄膜太阳电池低成本的潜在优势得到真正体现。但是由于单室沉积存在的交叉污染问题是一个必须要关注的问题，特别是对于微晶硅基(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，使得单室沉积的微晶硅基(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)薄膜太阳电池的短路电流密度，而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。
为了提高微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的效率，尽可能降低存在的交叉污染问题，对于单室沉积的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池，其本征层的沉积往往需要略微高的晶化率，也就是同分室沉积的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池相比，不得不牺牲相应的开路电压，以便具有一定的短路电流，这样同分室沉积相比，单室沉积的微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的开路电压往往比较低，而且由于不可能完全消除相应的污染问题，因此，其短路电流密度也不是很高。
因此，如何能够尽可能地提高微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的短路电流密度和开路电压是需要解决的问题。
通过我们对电池结构的分析，无论是对于单室沉积的单结微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池，还是多结微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池，其窗口层是非常重要的。因为，此窗口层的电导率对于电池内建电场的建立(影响着开路电压)、光学透过率(影响着电池的短路电流密度)是非常重要的两个关键点。另外，对于微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池来说，其晶化率也是一个非常重要的参数，因为其影响着随后沉积的微晶硅基薄膜太阳电池的有源本征层。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种工艺简单、成本低且实用性强的提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法。
本发明的技术方案：
一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，制备单室沉积硅基薄膜太阳电池的窗口层材料采用高频率、高气压、高功率密度和小电极间距相结合的工艺，工艺参数为：频率27.12MHz-100MHz、反应气体气压1Torr-10Torr、衬底温温度为100℃-300℃、功率密度0.15W/cm2-1W/cm2、电极间距5mm-15mm、沉积时间小于20min。
所述反应气体为硅烷、氢气、硼烷和三甲基硼的混合气，氢稀释硅烷浓度SC＝[SiH4]/[SiH4+H2]％≤5％、硼与硅的原子百分比为0.5-10％。
所述单室沉积硅基薄膜太阳电池中的硅基既包括微晶硅基中的微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧，也包括纳米硅基中的纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧。
所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，既适用于单结微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池，也适用于由其构成的双结或三结叠层硅基薄膜太阳电池。
所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，也适用于分室微晶硅基薄膜太阳电池的沉积。
本发明的工作原理：
传统的微晶硅基薄膜太阳电池其窗口层材料，往往采用低压、大电极间距和低功率密度的方式来制备，通常制备的材料虽然电导率可以比较高，但透过率不是很好，特别是短波长区域。本发明在单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的窗口层材料时，采用高频率、高压、高功率密度和小电极间距相结合的方式来进行制备，该技术的特点是易于快速成核，致使制备的窗口层材料的带隙更大即吸收更小、透过率更大，同时电导率和晶化率也比较大，该窗口层材料能够明显地提高电池的开路电压和短路电流密度，进而提高电池的光电转换效率。
本发明的有益效果是：该方法工艺简单、成本低、交叉污染低、实用性强，利用快速成核工艺制备的窗口层材料同时具有高电导率和高透过率，明显提高了硅基薄膜太阳电池的开路电压和短路电流密度，进而提高硅基薄膜太阳电池的光电转换效率，特别是对单室沉积微晶硅基(纳米硅基)薄膜太阳电池的产业化具有非常重要的意义。
【具体实施方式】
实施例1：
在单室内制备单结p/i/n型微晶硅薄膜太阳电池，包括以下步骤：
1)将ZnO玻璃衬底放在真空腔室内，真空度大于10-3Pa；
2)在衬底上沉积P层微晶硅薄膜；反应气中硅烷＝2SCCM、氢气流量＝190SCCM、硼烷(0.1％)＝8SCCM、反应腔室中的反应气气压为2Torr、衬底温度为180℃、辉光功率为0.18W/cm2、辉光激励频率为75MHz、电极间距为12mm、沉积时间为120秒；
3)采用固定的硼污染治理技术处理后，沉积微晶硅薄膜太阳电池的i层和n层；
4)采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备背反射电极ZnO和热蒸发Al电极，即可制得微晶硅薄膜太阳电池。
采用标准的AM1.5光谱进行电池的J-V特性测试结果为：短路电流密度、开路电压和效率分别为25.14mA/cm2、0.52V和7.32％，同传统工艺制备的窗口层材料相比电流提高了25％，开路电压提高了5％，效率提高了20％。
实施例2：在单室内制备双结p/i/n型非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池，包括以下步骤：
1)将非晶硅顶电池衬底放在真空腔室内，真空度大于10-3Pa；
2)在衬底上沉积P层微晶硅薄膜：反应气中硅烷＝2SCCM、氢气流量＝190SCCM、硼烷(0.1％)＝10SCCM、反应腔室中的反应气压保持在4Torr、衬底温度为200℃、辉光功率为0.5W/cm2、辉光激励频率为75MHz、电极间距为10mm、沉积时间为90秒；
3)采用固定的硼污染治理技术处理后，沉积微晶硅薄膜太阳电池的i层和n层；
4)采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备背反射电极ZnO和热蒸发Al电极，即可制得非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池。
采用标准的AM1.5光谱进行电池的J-V特性测试结果为：短路电流密度、开路电压和效率分别为14.1mA/cm2、1.334V和11.49％，同传统工艺制备的窗口层材料相比电流提高了8％，开路电压提高了7％，效率提高了13％。
实施例3：在单室内制备p/i/n型非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层薄膜太阳电池，包括以下步骤：
1)将非晶硅/非晶硅双结顶电池衬底放在真空腔室内，真空度大于10-3Pa；
2)在衬底上沉积P层微晶硅薄膜：反应气中硅烷＝3SCCM、氢气流量＝300SCCM、硼烷(0.1％)＝10SCCM、反应腔室中的反应气压为6Torr、衬底温度为200℃、辉光功率为1W/cm2、辉光激励频率为75MHz、电极间距为8mm、沉积时间为45秒；
3)采用固定的硼污染治理技术处理后，沉积微晶硅薄膜太阳电池的i层和n层；
4)采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备背反射电极ZnO和热蒸发Al电极，即可制得非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层薄膜太阳电池。
采用标准的AM1.5光谱进行电池的J-V特性测试结果为：短路电流密度、开路电压和效率分别为8.2mA/cm2、2.18V和9.6％，同传统工艺制备的窗口层材料相比电流提高了8％，开路电压提高了10％，效率提高了16％。
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)

1.一种提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，其特征在于：制备单室沉积硅基薄膜太阳电池的窗口层材料采用高频率、高气压、高功率密度和小电极间距相结合的工艺，工艺参数为：频率27.12MHz-100MHz、反应气体气压1Torr-10Torr、衬底温温度为100℃-300℃、功率密度0.15W/cm2-1W/cm2、电极间距5mm-15mm、沉积时间小于20min。
2.根据权利要求1所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，其特征在于：所述反应气体为硅烷、氢气、硼烷和三甲基硼的混合气，氢稀释硅烷浓度SC＝[SiH4]/[SiH4+H2]％≤5％、硼与硅的原子百分比为0.5-10％。
3.根据权利要求1所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，其特征在于：所述单室沉积硅基薄膜太阳电池中的硅基既包括微晶硅基中的微晶硅、微晶硅锗、微晶硅碳或微晶硅氧，也包括纳米硅基中的纳米硅、纳米硅锗、纳米硅碳或纳米硅氧。
4.根据权利要求1所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，其特征在于：所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，既适用于单结微晶硅基或纳米硅基薄膜太阳电池，也适用于由其构成的双结或三结叠层硅基薄膜太阳电池。
5.根据权利要求1所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，其特征在于：所述提高单室沉积硅基太阳电池用窗口层材料性能的方法，也适用于分室微晶硅基薄膜太阳电池的沉积。
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