CN101834229A - 一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，该方法包括：在柔性衬底上，采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层，其中，对本征层的起始层进行氢等离子体刻蚀；沉积完P型层后，将电池从反应室取出，用磁控溅射生长ITO透明电极。利用本发明，能改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能，同时处理过程简便易行，具有低成本可规模化生产的优点。

Description

一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法。
背景技术
能源缺乏、全球气候变暖以及环境污染的日益严重，促进了可再生能源的快速发展，太阳能光伏发电的利用是未来理想能源之一。十年来，太阳能电池的产量每年以30％以上的速度增长，电池发电成本也快速降低，我国提出到2012年将太阳能电池生产成本降低到1元每度，从而为太阳光伏发电系统大规模应用创造良好的市场前景。
目前太阳能电池中占主要地位的是单晶硅和多晶硅太阳能电池，但原材料的短缺、能耗较高等因素，导致其成本比较高；硅薄膜太阳能电池起步比较晚，但是具有成本优势，近来发展迅猛。其中硅薄膜太阳能电池采用低温工艺(200℃)，不仅可节约能耗，而且便于采用玻璃、不锈钢、塑料等廉价衬底；硅薄膜太阳能电池采用气体辉光放电分解沉积，容易实现单结及各种叠层结构，便于实现大面积、全自动化连续生产。
在硅薄膜太阳能电池的研究中，优化材料结构和提高电池电学性能，一直以来都是人们研究的热点。本发明提出一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，该方法的简单易行，很有实际意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，以提高硅薄膜太阳能电池的转换效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，该方法包括：
在柔性衬底上，采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层，其中，对本征层的起始层进行氢等离子体刻蚀；
沉积完P型层后，将电池从反应室取出，用磁控溅射生长ITO透明电极。
上述方案中，所述对本征层的起始层进行氢等离子体刻蚀，包括：在生长本征层时，在生长t1分钟后，保持氢气流量、温度和辉光功率不变，关闭硅烷流量，采用氢等离子体刻蚀方法对本征层刻蚀t2秒，然后继续生长本征层。
上述方案中，所述t1为5～10分钟，t2为90～300秒。
上述方案中，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长N型层具体包括：沉积N型层前，先用氢等离子体清洁衬底表面5分钟；沉积N型层时，氢稀释比H2/SiH4为10～35；掺杂比例PH3/SiH4为1∶30～1∶60；反应气压为200Pa～300Pa；功率密度为0.1W/cm2～0.5W/cm2；衬底温度为200℃～300℃；反应时间3分钟～6分钟。
上述方案中，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长本征层具体包括：沉积本征层时，氢稀释比H2/SiH4为10～20；反应气压为100Pa～200Pa；功率密度为0.4W/cm2～0.6W/cm2；衬底温度为150℃～250℃；反应时间60分钟～90分钟；其中，沉积本征层t1分钟后，在氢气流量、温度和辉光功率不变的条件下，关闭硅烷流量，用氢等离子体刻t2秒，然后继续生长本征层。
上述方案中，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长P型层具体包括：沉积P型层前，先用氢等离子体处理1分钟；沉积P型层时，氢稀释比H2/SiH4为50～100；掺杂比例B2H6/SiH4为1∶20～1∶50；反应气压为300Pa～600Pa；功率密度为0.5W/cm2～1.0W/cm2；衬底温度为70℃～150℃；反应时间3分钟～5分钟。
(三)有益效果
本发明提供的这种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，改善了硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能，提高了硅薄膜太阳能电池的转换效率，同时处理过程简便易行，具有低成本可规模化生产的优点。
附图说明
图1是本发明提供的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法流程图；
图2是依照本发明实施例制备的电池示意图；
图3是依照本发明实施例制备的电池和不用氢等离子体处理本征层(其它完全相同)制备的电池的I-V曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的实现原理如下：生长本征层的时间t1分钟后，在氢气流量不变，温度不变，辉光功率不变的条件下，关闭硅烷流量，用氢等离子体刻蚀t2秒，然后继续生长本征层，其它条件一律保持不变。用氢等离子体处理本征层有许多好处：高功率的氢等离子体的刻蚀使本征层表面层内的悬挂键和一些不稳定的弱键大大减少，由其所引起的带尾态密度和缺陷态密度也相应减小，通过带尾和缺陷发生的载流子的复合作用大大减弱，电池的漏电电流比较小，因此电池的开路电压得到提高。其次，本征层生长初期为孵化层，其结构中含大量非晶硅材料，在氢等离子体的作用下，非晶成分刻蚀较快，晶粒刻蚀较慢，因此经过一段时间的氢等离子体处理，起始本征层的晶相比提高了，随后沉积的本征层晶相比也会提高。最后，起始本征层晶相比的提高，降低了孵化层的厚度，光生载流子能更有效收集，电池短路电流密度增大，填充因子有所改善，电池的转换效率得到提高。
基于上述实现原理，如图1所示，图1是本发明提供的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
步骤101：在柔性衬底(如不锈钢、聚酯膜等)上，采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层，其中，在本征层进行氢等离子体处理；
步骤102：在生长本征层时，生长t1分钟后，保持氢气流量、温度和辉光功率不变，关闭硅烷流量，采用氢等离子体刻蚀方法对本征层刻蚀t2秒，然后继续生长本征层；
步骤103：生长完P型层后，将电池从反应室取出，用磁控溅射生长ITO透明电极。
参照图2，下面详细介绍本发明的具体生长工艺：
1)生长所用的设备是等离子体辅助化学气相沉积系统(PECVD)，包括反应腔室(装片室，掺杂室和本征室)、真空系统、衬底加热及控温系统、气路控制系统等。
2)用浓度为100％的高纯硅烷和储氢瓶中的氢气作为反应气体，用纯度为1％的硼烷和1％的磷烷(用氢气稀释)作为掺杂气体。
3)样品室的背景真空为1×10-4Pa，N层和P型层激发等离子体的射频电源的频率是13.56兆赫，本征层激发等离子体的射频电源的频率是60兆赫。
4)为减小腔室内壁附着物对沉积薄膜的影响，每次沉积前，均用与本次沉积相同条件的等离子体覆盖15分钟。
5)首先沉积N层。沉积N型层前，先用氢等离子体清洁衬底表面5分钟；沉积N型层时，氢稀释比H2/SiH4为10～35；掺杂比例PH3/SiH4为1∶30～1∶60；反应气压为200Pa～300Pa；功率密度为0.1W/cm2～0.5W/cm2；衬底温度为200℃～300℃；反应时间3分钟～6分钟。
6)然后沉积本征层(即I层)。沉积本征层时，氢稀释比H2/SiH4为10～20；反应气压为100Pa～200Pa；功率密度为0.4W/cm2～0.6W/cm2；衬底温度为150℃～250℃；反应时间60分钟～90分钟；其中，沉积本征层5分钟后，在氢气流量、温度和辉光功率不变的条件下，关闭硅烷流量，用氢等离子体刻90秒，然后继续生长本征层。
7)接着沉积P型层。沉积P型层前，先用氢等离子体处理1分钟；沉积P型层时，氢稀释比H2/SiH4为50～100；掺杂比例B2H6/SiH4为1∶20～1∶50；反应气压为300Pa～600Pa；功率密度为0.5W/cm2～1.0W/cm2；衬底温度为70℃～150℃；反应时间3分钟～5分钟。。
8)沉积完毕，将电池从PECVD系统取出，用磁控溅射生长ITO透明电极。
按照上述生长工艺，参照图3，具体的生长结果如下：
在柔性衬底上依次沉积N型层，I层，P型层和ITO透明电极，得到单结硅薄膜太阳能电池。利用自己搭建的太阳模拟器进行I-V测试，得到电池的性能参数：开路电压是0.429伏，填充因子为0.596，能量转化效率3.41％；与不用该方法处理(其它条件完全相同)得到的电池相比，开路电压提高53毫伏，填充因子提高0.004，转化效率提高约18％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，该方法包括：
在柔性衬底上，采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层，其中，对本征层的起始层进行氢等离子体刻蚀；
沉积完P型层后，将电池从反应室取出，用磁控溅射生长ITO透明电极。
2.根据权利要求1所述的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，所述对本征层的起始层进行氢等离子体刻蚀，包括：
在生长本征层时，在生长t1分钟后，保持氢气流量、温度和辉光功率不变，关闭硅烷流量，采用氢等离子体刻蚀方法对本征层刻蚀t2秒，然后继续生长本征层。
3.根据权利要求2所述的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，所述t1为5～10分钟，t2为90～300秒。
4.根据权利要求1所述的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长N型层具体包括：
沉积N型层前，先用氢等离子体清洁衬底表面5分钟；沉积N型层时，氢稀释比H2/SiH4为10～35；掺杂比例PH3/SiH4为1∶30～1∶60；反应气压为200Pa～300Pa；功率密度为0.1W/cm2～0.5W/cm2；衬底温度为200℃～300℃；反应时间3分钟～6分钟。
5.根据权利要求1所述的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长本征层具体包括：
沉积本征层时，氢稀释比H2/SiH4为10～20；反应气压为100Pa～200Pa；功率密度为0.4W/cm2～0.6W/cm2；衬底温度为150℃～250℃；反应时间60分钟～90分钟；其中，沉积本征层t1分钟后，在氢气流量、温度和辉光功率不变的条件下，关闭硅烷流量，用氢等离子体刻t2秒，然后继续生长本征层。
6.根据权利要求1所述的改善硅薄膜太阳能电池微结构和电学性能的方法，其特征在于，所述采用等离子体辅助化学气相沉积技术依次生长N型层、本征层和P型层的步骤中，生长P型层具体包括：
沉积P型层前，先用氢等离子体处理1分钟；沉积P型层时，氢稀释比H2/SiH4为50～100；掺杂比例B2H6/SiH4为1∶20～1∶50；反应气压为300Pa～600Pa；功率密度为0.5W/cm2～1.0W/cm2；衬底温度为70℃～150℃；反应时间3分钟～5分钟。
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