CN101834221B

CN101834221B - 薄膜太阳能电池吸收层的制备方法

Info

Publication number: CN101834221B
Application number: CN2009100798769A
Authority: CN
Inventors: 徐亚伟
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: CN101834221A

Abstract

本发明提供一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：提供衬底，所述衬底上具有p型硅基薄膜层；在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层。所述氢化处理包括氢等离子体处理。所述制备方法中，氢化处理可以使得p型或本征硅基薄膜层中的悬挂键被氢饱和，可以有效降低p-i界面处及本征硅基薄膜其内部的缺陷态，使吸收层综合性能最优化，从而改善电池性能。其次，在整个重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层的过程中，本征硅基薄膜层的沉积速率逐渐增大，每次沉积本征硅基薄膜层的沉积速率都比前一次的沉积速率大，如此可以提高平均沉积速率，提升太阳能电池制造的产能。

Description

薄膜太阳能电池吸收层的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法。

背景技术

目前，薄膜太阳能电池主要包括：非晶硅单结或双结薄膜电池、非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池、以及三结硅基薄膜电池等，它们的差别主要在于吸收层的结构和材料。非晶硅薄膜电池相对产业化比较成熟，制造成本低，但存在严重的效率衰减问题；而非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池，具有高效率、高稳定性的特点，近年来获得了快速发展。

图1为一种非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池的示意图，其中，以非晶硅(a-Si:H)和微晶硅(μc-Si:H)的叠层为太阳能电池的吸收层，从上到下依次为：玻璃(glass)10、第一透明导电氧化物膜(Transparent Conductive Oxides，TCO)11、p型非晶硅层12、本征非晶硅层13、n型非晶硅层14、p型微晶硅层15、本征微晶硅层16、n型微晶硅层17、第二TCO膜18、背电极Ag19；太阳光(light)由玻璃的上面入射。但是，非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池自身仍存在一些问题：一是界面问题，由于引入了微晶硅层，吸收层中的异质结界面增多，例如p型微晶硅层和本征微晶硅层的界面(p-i界面)，由于界面上的结构、成分不匹配等问题(晶格常数不匹配)，就会引起串联电阻增大、光电流密度下降、填充因子下降等，使太阳能电池的性能恶化；二是吸收层自身材料的问题，图2为非晶硅层和微晶硅层材料的微观结构示意图，如图所示，这两种材料内部都存在很多悬挂键(如图中黑点所示)，需要引入氢原子来饱和这些悬挂键，当引入的氢过量或者不足时，就会形成空穴或者残留的悬挂键，成为吸收层最终的缺陷态，导致电池效率和稳定性的下降；三是生产效率的问题，通常叠层薄膜电池吸收层的厚度通常为1-2微米，比非晶硅薄膜电池的吸收层(300-500nm)的厚度增加数倍，影响生产效率的提升，因而生产成本偏高，不利于工业化量产。

为解决非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池的上述问题，业内提出了许多吸收层的制备技术。例如，一种解决方案是，首先利用超高频等离子体增强化学气相沉积方法，控制辉光功率和硅烷浓度，采用第一沉积速率在p型微晶硅层上沉积第一本征微晶硅层；然后在等离子体辉光不灭的情况下，增加辉光功率和硅烷浓度，采用第二沉积速率在第一本征微晶硅层上形成第二本征微晶硅层，且所述第一沉积速率小于第二沉积速率，如此可以通过采用较低的辉光功率和较小的硅烷浓度、较低的沉积速率在p型微晶硅层上沉积第一本征微晶硅层，获得良好的p-i界面，从而提高电池性能。该方案虽然可以在一定程度上改善p-i界面问题，但仍然不能解决本征微晶硅层本身的缺陷态问题。

另一种解决方案是，在p-i界面之间形成没有离子轰击作用的缓冲层，利用缓冲层来改善p-i界面特性，即降低界面处的缺陷态，改善载流子疏运特性，提高电池性能。但是，上述方案仍然仅能够解决界面问题，而且缓冲层需要采用热丝化学气相沉积法(Hot Wires Chemical Vapor Deposition，HWCVD)，这种沉积方法有工艺温度高等问题，不利于工业化微晶硅电池量产。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，能够减少微晶硅层自身的缺陷态，提高电池性能。

为解决上述问题，本发明提供一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，包括以下步骤：

提供衬底，所述衬底上具有p型硅基薄膜层；

在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层。

所述氢化处理包括氢等离子体处理。

所述氢化处理和沉积本征硅基薄膜层均采用等离子体增强化学气相沉积法或溅射法。

所述氢化处理采用等离子体增强化学气相沉积法，所述沉积本征硅基薄膜层采用热丝化学气相沉积法。

所述重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层的过程中，本征硅基薄膜层的沉积速率逐渐增大。

整个吸收层的沉积过程中，本征硅基薄膜层的平均沉积速率大于10A/s。

还包括在所述本征硅基薄膜层上形成n型硅基薄膜层。

在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层具体包括：先将p型硅基薄膜层表面进行氢化处理，处理时间为3-60s，然后以特定的沉积速率进行本征硅基薄膜层沉积，沉积时间为10-100s，接着再进行氢化处理3-60s，之后再以特定的沉积速率沉积本征硅基薄膜层10-100s，如此类推，氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤重复交替进行。

在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层具体包括：先将p型硅基薄膜层的表面进行氢化处理，处理时间为3-60s，然后以第一的沉积速率进行本征硅基薄膜层沉积，沉积时间为10-100s，接着再进行氢化处理3-60s，之后，再以第二沉积速率沉积本征硅基薄膜层10-100s，所述第二沉积速率大于第一沉积速率，如此类推，氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤重复交替进行，其中，每次沉积本征硅基薄膜层的沉积速率都比前一次的沉积速率大。

所述硅基薄膜包括非晶硅、微晶硅或者非晶硅锗。

上述技术方案具有以下优点：

所述制备方法中，氢化处理可以使得p型或本征硅基薄膜层中的悬挂键被氢饱和，避免形成缺陷态，适当调整氢化处理的工艺参数(例如等离子体激发功率)，可以有效降低p-i界面处及本征硅基薄膜其内部的缺陷态。

而氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤在吸收层制备过程中交替进行，由于氢化处理可以平衡硅基薄膜内部的缺陷态，交替插入氢化处理相当于使每一薄层的本征硅基薄膜层中的悬挂键都被氢饱和，对整体的本征硅基薄膜层而言能够避免内部形成缺陷态，因此，不仅可以减少p-i界面处的缺陷态，而且可以逐步平衡本征硅基薄膜层内部的缺陷态，使吸收层综合性能最优化，从而改善电池性能。

其次，在整个重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层的过程中，本征硅基薄膜层的沉积速率逐渐增大，每次沉积本征硅基薄膜层的沉积速率都比前一次的沉积速率大，如此可以提高平均沉积速率，提升太阳能电池制造的产能。

另外，所述氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤可以采用相同的沉积方法，也可以分别采用不同的沉积方法。采用相同的沉积方法有利于节省成本，提高生产效率，而采用不同的沉积方法，便于充分利用各种沉积方法的长处，优化电池性能。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为一种非晶硅和微晶硅叠层薄膜电池的示意图；

图2a和图2b为非晶硅层和微晶硅层材料的微观结构示意图；

图3为实施例一中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的流程图；

图4至图5为实施例一中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的示意图；

图6为实施例二中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，背电极、p型和n型非晶硅层。

目前，叠层薄膜太阳能电池的吸收层制备方法虽然对p-i界面进行改善，但是对于硅基薄膜层内部材料的缺陷态却无能为力，导致载流子疏运特性下降，电池的效率较低。

基于此，本发明提供一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，实质上，通过重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层，使得p-i界面处的缺陷态和本征硅基薄膜层内部材料的缺陷态均得到改善。

下面结合附图，以非晶硅和微晶硅叠层电池为例详细说明薄膜太阳能电池吸收层制备方法的实施例。

实施例一

图3为本实施例中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的流程图。图4至图5为本实施例中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的示意图。

如图3和图4所示，步骤S1：提供衬底100，所述衬底100具有p型硅基薄膜层102。

所述衬底100可以为带有ZnO织构膜层的透明导电玻璃(ZnO-TCOGlass)，在衬底100上具有非晶硅(a-Si:H)吸收层101，所述非晶硅吸收层101包括p-i-n结构，即p型非晶硅层/本征非晶硅层/n型非晶硅层，非晶硅吸收层101在薄膜太阳能电池中用于吸收短波太阳光产生光伏效应。所述非晶硅吸收层101上还具有p型硅基薄膜层102，本实施例中，该p型硅基薄膜层102为p型微晶硅层102，厚度为几十纳米(例如为30nm)。

接着，如图3和图5所示，步骤S2：在所述P型硅基薄膜层102上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层，直到达到设定厚度，从而形成本征硅基薄膜层。本实施例中，所述本征硅基薄膜层为本征微晶硅薄膜层103。

具体的，先将具有p型微晶硅层102的衬底100表面进行氢化处理，处理时间为3-30s，然后以特定的沉积速率V进行本征微晶硅薄膜层沉积，沉积时间为10-100s，接着再进行氢化处理3-60s，之后再以沉积速率V沉积本征微晶硅薄膜层10-100s，如此类推，氢化处理和沉积本征微晶硅薄膜层两个工艺步骤重复交替进行，换言之，以一次氢化处理和沉积本征微晶硅薄膜层为一个工艺周期，重复进行多个这样的工艺周期，最终完成1.2-2μm厚度的本征微晶硅薄膜层103的沉积。

所述氢化处理可以为氢等离子体处理，例如，采用射频、高频、甚高频或微波功率源形成氢等离子体进行处理。通过氢化处理可以使得p型或本征微晶硅薄膜层中的悬挂键被氢饱和，避免形成缺陷态，适当调整氢化处理的工艺参数(例如等离子体激发功率)，可以有效降低p-i界面处及本征微晶硅薄膜其内部的缺陷态。

最后，可以在本征微晶硅薄膜层上形成n型微晶硅薄膜层104，厚度例如为30nm接着再溅射ZnO:Al和金属Ag或者Ag-Al合金背电极(图中未示出)。其中，p型微晶硅层和n型微晶硅层分别采用甚高频(60MHz)和射频(13.56MHz)激发源制备。

所述制备方法，氢化处理和沉积本征微晶硅薄膜层两个工艺步骤在吸收层制备过程中交替进行，但随吸收层的位置不同(p-i界面、薄膜内部)、交替频率不同，这两个工艺步骤的参数会有所调整。在整个沉积本征微晶硅薄膜层的过程中交替插入氢化处理的步骤，由于氢化处理可以平衡微晶硅内部的缺陷态，交替插入氢化处理相当于使每一薄层的本征微晶硅层中的悬挂键都被氢饱和，对整体的本征微晶硅层而言能够避免内部形成缺陷态，因此，不仅可以减少p-i界面处的缺陷态，而且可以逐步平衡本征微晶硅薄膜层内部的缺陷态，使吸收层综合性能最优化，从而改善电池性能。

经过上述吸收层制备方法获得的薄膜太阳能电池，与传统方法制备的薄膜太阳能电池相比，p-i异质结的界面结合良好，本征微晶硅薄膜层内部组织均匀，缺陷少，反映在电池性能上即是填充因子FF改善(＞70％)，串联电阻Rs下降(＜15Ω·cm^-2)，短路电流Jsc升高(＞20mA·cm^-2)，电池效率升高(＞8％)。

本实施例中，所述氢化处理和沉积本征微晶硅薄膜层两个工艺步骤均采用等离子体增强化学气相沉积法，例如，本征微晶硅薄膜层采用激发源为60MHz的甚高频等离子体增强化学气相沉积法，这样有利于工业化量产。两个工艺步骤可以在同一工艺腔室中原位进行，也可以在不同的工艺腔室中进行。

本实施例中，以本征微晶硅层的制备方法为例，本发明的其他实施例中，吸收层还可以为非晶硅层或者非晶硅锗层等硅基薄膜层，在此不再赘述。

以下结合附图详细说明本发明的另一优选实施例。

实施例二

图6为本实施例中薄膜太阳能电池吸收层制备方法的流程图。

如图6所示，步骤P1：提供衬底，所述衬底上具有p型硅基薄膜层；

步骤P2：在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层，在此过程中，本征硅基薄膜层的沉积速率逐渐增大。

具体的，先将具有p型硅基薄膜层的衬底表面进行氢化处理，处理时间为3-30s，然后以第一的沉积速率V1进行本征硅基薄膜层沉积，沉积时间为10-100s，接着再进行氢化处理3-60s，之后，再以第二沉积速率V2沉积本征硅基薄膜层10-100s，第二沉积速率大于第一沉积速率，如此类推，氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤重复交替进行，其中，每次沉积本征硅基薄膜层的沉积速率都比前一次的沉积速率大，最终完成1.2-2μm厚度的本征硅基薄膜层的沉积。

优选的，通过调整工艺参数(例如激发源功率)，可以使得整个过程中本征硅基薄膜层的平均沉积速率大于10A/s。而传统技术中，本征硅基薄膜层的沉积速率通常仅有8A/s。

可见，通过逐渐增加本征硅基薄膜层沉积速率的方法，能够提高整体的沉积速率，在保证电池性能不变的前提下，提高的吸收层的生产效率，提升产能。

本实施例中，所述p型、本征硅基薄膜层包括非晶硅层、微晶硅层或者非晶硅锗层。所述氢化处理优选为氢等离子体处理。所述氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤可以均采用等离子体增强化学气相沉积法，在同一工艺腔室中进行。

除此以外，所述薄膜太阳能电池吸收层的制备方法中，所述氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤可以分别采用不同的方法。这样可以充分利用各种沉积方法的长处，优化电池性能，提高生产效率。

例如，在本发明的另一实施例中，所述氢化处理采用等离子体增强化学气相沉积法，所述沉积本征硅基薄膜层采用热丝化学气相沉积法，在等离子体增强化学气相沉积和热丝化学气相沉积结合制备吸收层的过程中，同样采用本征硅基薄膜层沉积和氢化处理两个工艺步骤交替进行的方法，在此不再赘述。

本发明的上述实施例中所述等离子体增强化学气相沉积法可以采用射频、高频、甚高频或微波激发源。

本发明的又一实施例中，制备薄膜太阳能电池的过程中，沉积硅基薄膜吸收层采用例如磁控溅射法，在磁控溅射硅基薄膜过程中，采用本征硅基薄膜沉积和氢处理两个工艺步骤交替进行。

需要说明的是，以上实施例仅以叠层薄膜电池为例，事实上，本发明所述的薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，不仅限于非晶硅和微晶硅的叠层薄膜电池，还适用于非晶硅单结或双结薄膜电池等其他类型的硅基薄膜太阳能电池，同样也在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种薄膜太阳能电池吸收层的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底上具有p型硅基薄膜层；

在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层，其中，本征硅基薄膜层的沉积速率逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢化处理包括氢等离子体处理。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氢化处理和沉积本征硅基薄膜层均采用等离子体增强化学气相沉积法或溅射法。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢化处理采用等离子体增强化学气相沉积法，所述沉积本征硅基薄膜层采用热丝化学气相沉积法。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，整个吸收层的沉积过程中，本征硅基薄膜层的平均沉积速率大于10A/s。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括在所述本征硅基薄膜层上形成n型硅基薄膜层。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述p型硅基薄膜层上重复交替进行氢化处理和沉积本征硅基薄膜层具体包括：先将p型硅基薄膜层的表面进行氢化处理，处理时间为3-60s，然后以第一沉积速率进行本征硅基薄膜层沉积，沉积时间为10-100s，接着再进行氢化处理3-60s，之后，再以第二沉积速率沉积本征硅基薄膜层10-100s，所述第二沉积速率大于第一沉积速率，如此类推，氢化处理和沉积本征硅基薄膜层两个工艺步骤重复交替进行，其中，每次沉积本征硅基薄膜层的沉积速率都比前一次的沉积速率大。

8.根据权利要求1至7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硅基薄膜包括非晶硅、微晶硅或者非晶硅锗。