CN102212797A - 一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，属于非晶硅薄膜电池技术，现有氢气稀释硅烷造成能源的浪费和温室效应，本发明是按照以下参数沉积：沉积温度为160-270℃；沉积功率密度为0.003-0.04W/cm2；沉积压力为30-110Pa；硅烷流量为0.5-3slm。本发明在制备过程中不使用氢气，只利用硅烷气体分解反应制得非晶硅薄膜，因此不会产生氢气稀释制备方法中的大量的原材料气体消耗和温室效应。本发明制得的本征层可用作薄膜电池的本征发电层。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶硅薄膜电池技术领域，特别涉及到一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法。
背景技术
目前世界范围内能源供应紧张，温室效应、酸雨等环境问题日益严重。如何有效地解决能源问题，同时实现绿色环保生产亟待解决。在此契机下，光伏电池作为一种利用自然太阳光发电的可再生能源得到了快速发展。从技术成熟程度和应用程度上看，光伏电池主要分为晶硅电池和以非晶硅为主的薄膜电池。但非晶硅组件，由于使用非常少的半导体材料，如晶片电池每峰瓦需要硅材料15-20g，而薄膜电池每峰瓦仅需要硅材料为晶片电池的1/20、整个非晶硅薄膜电池组件耗费的能量仅相当于晶片电池的1/4左右消耗的能量，还可以避免晶硅电池片的主要原材料在生产加工过程中存在污染环境的问题而得到重视和研究。
非晶硅薄膜主要通过分解硅烷气体的方法制得，通常制得的非晶硅薄膜存在大量的悬挂键缺陷、结构不稳定如SiH2键等，存在严重的光致衰退效应，质量较差。为解决这一难题，当前广泛流行的高质量非晶硅薄膜的制备是采用氢气稀释法，即大量的氢气稀释硅烷的气体进行反应制得，大量的氢原子将补偿悬挂键缺陷，减少了光致衰退效应，最终得到稳定的高质量非晶硅薄膜。但利用氢气稀释法制备高质量非晶硅薄膜的过程中，存在以下问题：反应后残余的大量的氢气尾气的处理耗能——尾气须用惰性气体，通常是N2，稀释到氢气理论爆炸浓度极限值4%以下，然后进行燃烧处理，这个过程需耗费大量的气体，同时燃烧时排放大量的热量，造成能源的浪费和温室效应的加剧；同时氢气和硅烷的气体流量稀释比为1/1-5/1，制备过程中氢气使用量巨大，气体分解能耗大。我们通过工艺研发，在无氢气参与沉积下，采用射频等离子化学气相沉积制备得到的非晶硅薄膜中不稳定键SiH2物质含量1%-5%，薄膜性质稳定，生产过程耗能少，无须氢气，利于环保，从而消除了使用氢气带来的一系列问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有氢气稀释硅烷造成能源的浪费和温室效应的缺陷，提供一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法。
为达到上述目的，本发明的高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法是本征层沉积时无氢气参与，只利用硅烷气体分解反应制得非晶硅薄膜。
进一步的：采用射频化学气相沉积设备，在低功率密度、低沉积压强、无氢气气氛下制得。按照以下参数沉积：沉积温度为160-270℃；沉积功率密度为0.003-0.04W/cm2；沉积压力为30-110Pa；硅烷流量为0.5-3slm。沉积温度为180-220℃。沉积功率密度为0.006-0.02W/cm2。沉积压力为30-90Pa。
本发明的有益效果是：在制备过程中不使用氢气，只利用硅烷气体分解反应制得非晶硅薄膜，因此不会产生氢气稀释制备方法中的大量的原材料气体消耗和温室效应。本发明制得的本征层可用作薄膜电池的本征发电层。本征层薄膜中不稳定SiH2物质含量1%-5%，从而发电层本征层厚度可以降低，减少了本征层缺陷，降低了载流子的复合率，从而提高非晶硅质量。
附图说明
图1是非晶硅薄膜电池的结构示意图；
图2是SiH4流量为0.3～0.6slm，沉积压强为30Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图3是SiH4流量为0.8～1.2slm，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图4是SiH4流量为0.8～1.2slm，沉积压强为90Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图5是SiH4流量为0.8～1.2slm，沉积压强为110Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图6是沉积功率密度为0.003～0.006mW/cm2，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图7是沉积功率密度为0.03～0.04mW/cm2，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图8是沉积温度为160～180℃，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图9是沉积温度为250～270℃，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图10是SiH4流量为2～2.4slm，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图11是SiH4流量为3～3.5slm，沉积压强为60Pa时非晶硅薄膜电池的I-V曲线及功率曲线图；
图2-11中，有“+”标识的曲线为I-V曲线，另一曲线为功率曲线；
图中标号说明：1-TCO导电玻璃、2-空穴导电层P、3-缓冲层B、4-非晶硅本征层I、5-电子导电层N、6-背电极。。
具体实施方式
以下结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明涉及的非晶硅薄膜电池的结构如图1所示，自上至下依次是TCO导电玻璃、空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N、背电极。制造时在TCO导电玻璃上依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N、背电极，即可制得非晶硅薄膜太阳能电池。本发明方法用于制造非晶硅本征层I。
实施例1
（1）清洗TCO导电玻璃（也叫透明导电氧化物）；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为200～220℃，沉积功率密度为0.01～0.02W/cm2,沉积压力为30Pa，硅烷流量为0.3～0.6slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下制得的非晶硅薄膜太阳能电池的的性能参数如图2所示：开路电压Voc为99.445V，短路电流Isc为1.6823A，最大输出功率Pm为112.915W，最大功率时的输出电压Vpm为79.197V，最大功率时的电流Ipm为1.426A，填充因子FF为0.675，光电转换效率η为7.78%。
实施例2
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为200～220℃，沉积功率密度为0.01～0.02mW/cm2，沉积压力为60Pa，硅烷流量为0.8～1.2slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图3所示：开路电压Voc为98.73V，短路电流Isc为1.649A，最大输出功率Pm为110.663W，最大功率时的输出电压Vpm为79.582V，最大功率时的电流Ipm为1.408A，填充因子FF为0.6798，光电转换效率η为7.62%。
实施例3
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为90Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图4所示：开路电压Voc为98.333V，短路电流Isc为1.648A，最大输出功率Pm为109.988W，最大功率时的输出电压Vpm为78.312V，最大功率时的电流Ipm为1.4045A，填充因子FF为0.6787V，光电转换效率η为7.57%。
实施例4
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为110Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图5所示：开路电压Voc为98.297V，短路电流Isc为1.645A，最大输出功率Pm为109.128W，最大功率时的输出电压Vpm为78.162V，最大功率时的电流Ipm为1.396A，填充因子FF为0.6748，光电转换效率η为7.51%。
实施例5
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.006W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图6所示：开路电压Voc为96.978V，短路电流Isc为1.670A，最大输出功率Pm为110.079W，最大功率时的输出电压Vpm为76.96V，最大功率时的电流Ipm为1.430A，填充因子FF为0.6797，光电转换效率η为7.58%。
实施例6
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.03W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图7所示：开路电压Voc为95.302V，短路电流Isc为1.679A，最大输出功率Pm为106.170W，最大功率时的输出电压Vpm为76.448V，最大功率时的电流Ipm为1.389A，填充因子FF为0.6635，光电转换效率η为7.31%。
实施例7
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为180℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图8所示：开路电压Voc为102.104V，短路电流Isc为1.644A，最大输出功率Pm为102.952W，最大功率时的输出电压Vpm为77.231V，最大功率时的电流Ipm为1.333A，填充因子FF为0.6135，光电转换效率η为7.09%。
实施例8
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为260℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为1.8slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图9所示：开路电压Voc为95.26V，短路电流Isc为1.6837A，最大输出功率Pm为105.89W，最大功率时的输出电压Vpm为74.668V，最大功率时的电流Ipm为1.418A，填充因子FF为0.6602，光电转换效率η为7.29%。
实施例9
（1）清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为2.4slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图10所示：开路电压Voc为101.737V，短路电流Isc为1.651A，最大输出功率Pm为103.251W，最大功率时的输出电压Vpm为77.01V，最大功率时的电流Ipm为1.341A，填充因子FF为0.6149，光电转换效率η为7.11%。
实施例10
（1） 清洗TCO导电玻璃；
（2）在TCO导电玻璃上，采用等离子增强化学气相沉积设备沉积非晶硅薄膜（包括依次沉积空穴导电层P、缓冲层B、非晶硅本征层I、电子导电层N），其中非晶硅本征层I的沉积参数如下：
沉积温度为210℃，沉积功率密度为0.014W/cm2,沉积压力为60Pa，硅烷流量为3slm，沉积厚度360～450nm；
（3）随后沉积ZnO和Ag的复合背电极。
该工艺下得到的非晶硅薄膜太阳能电池的性能参数如图11所示：开路电压Voc为96.762V，短路电流Isc为1.6851A，最大输出功率Pm为102.427W，最大功率时的输出电压Vpm为72.97V，最大功率时的电流Ipm为1.404A，填充因子FF为0.6282，光电转换效率η为7.05%。
本发明是在低的沉积压强、低的硅烷流量、低的沉积功率密度下实施，非晶硅沉积速度比较缓慢，将有利于非晶硅中不稳定键SiH2等的释放、非晶硅层结构的弛豫、膜层缺陷的减少，从而制得了高质量的稳定的非晶硅薄膜。
Claims (6)
1.一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征是：本征层沉积时无氢气参与，只利用硅烷气体分解反应制得非晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征是：采用射频化学气相沉积设备，在低功率密度、低沉积压强、无氢气气氛下制得。
3.根据权利要求1所述的一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征在于按照以下参数沉积：沉积温度为160-270℃、沉积功率密度为0.003-0.04W/cm2、沉积压力为30-110Pa、硅烷流量为0.5-3slm。
4.根据权利要求3所述的一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征是：沉积温度为180-220℃。
5.根据权利要求3所述的一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征是：沉积功率密度为0.006-0.02W/cm2。
6.根据权利要求3所述的一种高质量非晶硅本征层的无氢气稀释制备方法，其特征是：沉积压力为30-90Pa。
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