CN101699633A - 一种pin硅基薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池器件技术领域，涉及PIN结硅基薄膜太阳能电池及其制备工艺。具体而言，对硅基薄膜太阳能电池的核心-PIN结的P-层，I-层，N-层均采用热丝化学气相沉积的方法制备，并且用热丝化学气相沉积的方法在P-层和I-层之间生长一层介质材料构成的钝化层。该热丝化学气相沉积法具有气源利用率高，生长速率快，减少界面缺陷等特点，所生长的薄膜中的H含量比PECVD法要高，悬挂键要比PECVD方法少，膜的质量更好。再加上P-层和I-层之间的钝化层可以钝化界面的悬挂键，并且通过隧道效应增加界面处的载流子迁移率，从而使得电池的效率得到更大的提高。

Description

一种PIN硅基薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池器件技术领域，涉及PIN结硅基薄膜太阳能电池及其制备工艺。具体而言，对硅薄膜太阳能电池的核心-PIN结的P-层，I-层，N-层均采用热丝化学气相沉积的方法制备，并且用热丝化学气相沉积的方法在P-层和I-层之间生长一层介质材料构成的钝化层。
背景技术
太阳能是人类可利用的最重要的再生清洁能源之一。在太阳能的使用中太阳能发电又是一种很重要的应用方式。目前太阳能电池主要有晶体硅太阳能电池和硅薄膜太阳能电池两种。硅是地球上储量最丰富的元素之一，而且绿色环保，无毒。硅薄膜太阳能电池相对于晶体硅太阳能电池而言，在价格方面更具优势，在效率的提高方面也有很大的潜力。
目前硅薄膜太阳能电池的PIN结的制备，都是采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)的方法。热丝化学气相沉积是上世纪下半页发展起来的一种新的薄膜制备方法，相比与PECVD，其具有气源利用率高，沉积速率快，对膜的损失小，并且在薄膜生长过程中没有粉尘生成等优点。美国可再生能源国家重点实验室(NREL)，荷兰乌特列支大学(Utrecht University)，日本的国立产业技术综合研究所(JAIST)，日本真空公司(ULVAC)，我国的中科院研究生院，上海交通大学等单位都在进行热丝法制备硅薄膜太阳能电池的研究工作，并且已经取得了一些很好的结果。不过现在的研究工作基本都只是用热丝化学气相沉积的方法制备硅电池的I-层，但是P-层和N-层还是采用PECVD的方法制备。用热丝化学气相沉积法生长薄膜太阳能电池的形成产业化的更是没有。
薄膜的电池P-层和I-层之间的界面结构很重要，处理得当可以大大减少界面的载流子复合损失，增大电池的电流和填充因子。现今技术基本都是用H原子处理两层之间的界面，或者增加一层半导体的界面层，如氢化非晶硅，以减少界面缺陷。氮化硅、氧化硅作为一种介质材料禁带宽度很大，性能更稳定，可以很好地钝化界面上的缺陷；而且结合量子效应，将其做到很薄的时候，由于载流子的隧穿效应，不仅不会阻碍载流子在界面的通过，而且会增加载流子在该处的迁移率，使其更加容易的越过界面。用它们在做P-层和I-层之间的钝化层，可以大大减少载流子复合，提高电池的效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提出一种新的硅基薄膜电池的PIN结的太阳能电池及其制备工艺，该电池改善了每层膜的质量，并且改进膜与膜之间的界面情况，减少界面复合，从而提高电池的量子效率和转换效率。由于热丝化学气相沉积法生长薄膜过程中没有粉尘产生，因此相比与PECVD方法大大简化了生长腔室的清理工作，节省了生产成本。
技术方案：一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池制备工艺，采用热丝化学气相沉积的方法，在透明导电玻璃上依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。
硅基薄膜PIN结太阳能电池制备工艺，工艺步骤为：以透明导电玻璃为衬底，在其上用热丝化学气相沉积的方法生长P-层，生长工艺如下：流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.01～1∶0.10，稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1800℃～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在10～30nm；在P-层上用热丝化学气相沉积的方法生长一层氮化硅或氧化硅的介质材料作为钝化层，该介电钝化层的厚度为2～10nm，以硅烷作为硅源，氨气作为氮源，氧气作为氧源，气压控制在1Pa～10Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700℃～2000℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm；；在钝化层上用热丝化学气相沉积的方法生长I-层，生长工艺具体如下：稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在300～1000nm；用热丝化学气相沉积的方法生长N-层，生长工艺具体如下：流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.005～1∶0.06，稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700℃～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在10～30nm；用磁控溅射法在N-层上沉积一层厚度为100nm～300nm的透明导电膜；再在透明导电膜上用物理气相沉积法沉积一层600nm～1000nm的金属膜作为上电极。
所述的透明导电膜是AZO薄膜或ITO薄膜。
所述的金属膜是铝金属膜或银金属膜；物理气相沉积法为磁控溅射法或热蒸发法。
有益效果：相比于使用PECVD法制备硅基薄膜太阳能电池，热丝化学气相沉积法具有气源利用率高，生长速率快，减少界面缺陷等特点，并且由于本工艺制备的硅基薄膜的气压较PECVD低，并且没有PECVD的等离子刻蚀作用，所以生长的薄膜中的H含量比PECVD法要高，悬挂键要比PECVD方法少，膜的质量更好。再加上P-层和I-层之间的钝化层可以钝化界面的悬挂键，并且通过隧道效应增加界面处的载流子迁移率，从而使得电池的效率得到更大的提高。
附图说明
图1是热丝化学气相沉积设备的结构示意图。
图中标号名称：1.气路；2.气体喷头；3.热丝；4.热丝支架；5.挡板；6.衬底架；7.抽气系统
图2是本发明中的硅基薄膜太阳能电池的结构示意图。
图中标号名称：8.玻璃；9.透明导电膜；10.P-Si膜；11.介电钝化层；12.I-Si膜；13.N-Si膜；14.透明导电膜；15.铝薄膜；16.入射太阳光。
具体实施方式
本发明由下述实施例得到进一步的说明，但这些说明并不是限制本发明。
稀释比定义为：H2流量/(SiH4流量+H2流量+掺杂气体流量)
实施例1：
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。具体制备工艺如下：
1.将清洗好的透明导电薄膜衬底装入腔室，升温，抽腔室真空至合适本底真空值。
2.当衬底温度和真空度达到要求后生长P-层，具体参数如下：
流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.01，稀释比控制在91％，气压控制在2Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在～1900℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在30nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长氮化硅钝化层。
3.氮化硅钝化层的生长工艺：
流量比：SiH4∶NH3＝1∶2，气压控制在5Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在1900℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在5nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长I-层。
4.I-的具体参数如下：
稀释比控制在91％，气压控制在2Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在～1800℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在800nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长N-层。
5.N-层具体参数如下：
流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.02，稀释比控制在95％，气压控制在1Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在～1850℃，膜厚控制在20nm.
6.最后用磁控溅射生长一层透明导电薄膜和一层铝金属电极。
实施结果：在AM1.5条件下测试，开路电压由没有氮化硅钝化层的550mV提高到630mV，短路电流由10mA/cm2提高到14.2mA/cm2。
实施例2：
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。具体制备工艺如下：
1.将清洗好的透明导电薄膜衬底装入腔室，升温，抽腔室真空至合适本底真空值。
2.当衬底温度和真空度达到要求后生长P-层，具体参数如下：
流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.01，稀释比控制在91％，气压控制在2Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在～1900℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在30nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长氮化硅钝化层。
3.氮化硅钝化层的生长工艺：
流量比：SiH4∶NH3＝1∶2，气压控制在5Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在1900℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在5nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长I-层。
4.I-的具体参数如下：
稀释比控制在95％，气压控制在2Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在～1800℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在800nm.生长结束后抽空残余气体，准备生长N-层。
5.N-层具体参数如下：
流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.02，稀释比控制在95％，气压控制在1Pa，衬底温度为250℃，热丝温度控制在1850℃，膜厚控制在20nm.
6.最后用磁控溅射生长一层透明导电薄膜和一层铝金属电极。
实施结果：在AM1.5条件下测试，开路电压达由没有氮化硅钝化层的500mV提高到580mV，短路电流由12.0mA/cm2提高到16.0mA/cm2。
实施例3
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。具体制备工艺如下：
硅基薄膜PIN结太阳能电池制备工艺，工艺步骤为：以透明导电玻璃为衬底，在其上用热丝化学气相沉积的方法生长P-层，生长工艺如下：流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.01，稀释比控制在90％，气压控制在1Pa，衬底温度为150℃，热丝温度控制在1800℃，衬底与热丝的距离控制在3cm，膜厚控制在10nm；在P-层上用热丝化学气相沉积的方法生长一层氮化硅介质材料作为钝化层，该介电钝化层的厚度为2nm，以硅烷作为硅源，氨气作为氮源，气压控制在1Pa，衬底温度为150℃，热丝温度控制在1700℃，衬底与热丝的距离控制在3cm；在钝化层上用热丝化学气相沉积的方法生长I-层，生长工艺具体如下：稀释比(稀释比就是H2和总的反应气体的流量比，在I-层生长中总的反应气体就是H2和SiH4)控制在90％，气压控制在1Pa，衬底温度为150℃，热丝温度控制在1700℃，衬底与热丝的距离控制在3cm，膜厚控制在300nm；用热丝化学气相沉积的方法生长N-层，生长工艺具体如下：流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.005，稀释比控制在90％，气压控制在1Pa，衬底温度为150℃，热丝温度控制在1700℃，衬底与热丝的距离控制在3cm，膜厚控制在10nm；用磁控溅射法在N-层上沉积一层厚度为100nm的透明导电膜；再在透明导电膜上用物理气相沉积法沉积一层600nm的金属膜作为上电极。所述的透明导电膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金属膜是铝金属膜或银金属膜；物理气相沉积法为磁控溅射法或热蒸发法。
实施例4
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。具体制备工艺如下：
硅基薄膜PIN结太阳能电池制备工艺，工艺步骤为：以透明导电玻璃为衬底，在其上用热丝化学气相沉积的方法生长P-层，生长工艺如下：流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.05，稀释比控制在95％，气压控制在3Pa，衬底温度为200℃，热丝温度控制在1850℃，衬底与热丝的距离控制在6cm，膜厚控制在20nm；在P-层上用热丝化学气相沉积的方法生长一层氧化硅介质材料作为钝化层，该介电钝化层的厚度为5nm，以硅烷作为硅源，氧气作为氧源，气压控制在5Pa，衬底温度为200℃，热丝温度控制在1800℃，衬底与热丝的距离控制在5cm；在钝化层上用热丝化学气相沉积的方法生长I-层，生长工艺具体如下：稀释比(稀释比就是H2和总的反应气体的流量比，在I-层生长中总的反应气体就是H2和SiH4)控制在95％，气压控制在3Pa，衬底温度为200℃，热丝温度控制在1800℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在800nm；用热丝化学气相沉积的方法生长N-层，生长工艺具体如下：流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.05，稀释比控制在95％，气压控制在3Pa，衬底温度为200℃，热丝温度控制在1800℃，衬底与热丝的距离控制在5cm，膜厚控制在20nm；用磁控溅射法在N-层上沉积一层厚度为200nm的透明导电膜；再在透明导电膜上用物理气相沉积法沉积一层800nm的金属膜作为上电极。所述的透明导电膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金属膜是铝金属膜或银金属膜；物理气相沉积法为磁控溅射法或热蒸发法。
实施例5
一种硅基薄膜PIN结太阳能电池，在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。具体制备工艺如下：
硅基薄膜PIN结太阳能电池制备工艺，工艺步骤为：以透明导电玻璃为衬底，在其上用热丝化学气相沉积的方法生长P-层，生长工艺如下：流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.10，稀释比控制在98％，气压控制在5Pa，衬底温度为300℃，热丝温度控制在1900℃，衬底与热丝的距离控制在8cm，膜厚控制在30nm；在P-层上用热丝化学气相沉积的方法生长一层氮化硅介质材料作为钝化层，该介电钝化层的厚度为10nm，以硅烷作为硅源，氨气作为氮源，气压控制在10Pa，衬底温度为300℃，热丝温度控制在2000℃，衬底与热丝的距离控制在8cm；在钝化层上用热丝化学气相沉积的方法生长I-层，生长工艺具体如下：稀释比(稀释比就是H2和总的反应气体的流量比，在I-层生长中总的反应气体就是H2和SiH4)控制在98％，气压控制在5Pa，衬底温度为300℃，热丝温度控制在1900℃，衬底与热丝的距离控制在8cm，膜厚控制在1000nm；用热丝化学气相沉积的方法生长N-层，生长工艺具体如下：流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.06，稀释比控制在98％，气压控制在5Pa，衬底温度为300℃，热丝温度控制在1900℃，衬底与热丝的距离控制在8cm，膜厚控制在30nm；用磁控溅射法在N-层上沉积一层厚度为300nm的透明导电膜；再在透明导电膜上用物理气相沉积法沉积一层1000nm的金属膜作为上电极。所述的透明导电膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金属膜是铝金属膜或银金属膜；物理气相沉积法为磁控溅射法或热蒸发法。

Claims (5)

1.一种PIN硅基薄膜太阳能电池，其特征在于在透明导电导玻璃上采用热丝化学气相沉积的方法依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。
2.一种PIN硅基薄膜太阳能电池制备工艺，其特征在于采用热丝化学气相沉积的方法，在透明导电玻璃上依次沉积硅基薄膜太阳能电池核心-PIN结的P-层，I-层、介电钝化层和N-层。
3.根据权利要求2所述的PIN硅基薄膜太阳能电池制备工艺，其特征在于工艺步骤为：
a.以透明导电玻璃为衬底，在其上用热丝化学气相沉积的方法生长P-层，生长工艺如下：流量比：SiH4∶B2H6＝1∶0.01～1∶0.10，稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1800℃～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在10～30nm；
b.在P-层上用热丝化学气相沉积的方法生长一层氮化硅或氧化硅的介质材料作为钝化层，该介电钝化层的厚度为2～10nm，以硅烷作为硅源，氨气作为氮源，氧气作为氧源，气压控制在1Pa～10Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700℃～2000℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm；
c.在钝化层上用热丝化学气相沉积的方法生长I-层，生长工艺具体如下：稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在300～1000nm；
d.用热丝化学气相沉积的方法生长N-层，生长工艺具体如下：流量比：SiH4∶PH3＝1∶0.005～1∶0.06，稀释比控制在90％～98％，气压控制在1Pa～5Pa，衬底温度为150℃～300℃，热丝温度控制在1700℃～1900℃，衬底与热丝的距离控制在3～8cm，膜厚控制在10～30nm；
e.用磁控溅射法在N-层上沉积一层厚度为100nm～300nm的透明导电膜；
f.再在透明导电膜上用物理气相沉积法沉积一层600nm～1000nm的金属膜作为上电极。
4.根据权利要求3所述的PIN硅基薄膜太阳能电池制备工艺，其特征在于：所述的透明导电膜是AZO薄膜或ITO薄膜。
5.根据权利要求3所述的PIN硅基薄膜太阳能电池制备工艺，其特征在于：所述的金属膜是铝金属膜或银金属膜；物理气相沉积法为磁控溅射法或热蒸发法。
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