CN102364703A - 非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法 - Google Patents

非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括：提供基板；在所述基板上形成复合电极层，所述复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；进行退火处理，形成非晶硅光电单元，所述非晶硅光电单元依次包括：N型非晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层。本发明在避免P型非晶硅层对本征非晶硅层的污染的前提下，降低了非晶硅光电单元的生产成本，且简化了制造步骤。

Description

非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法。
背景技术
薄膜太阳能电池是在玻璃、金属或塑料等基板上沉积很薄(几微米至几十微米)的光电材料而形成的一种太阳能电池。薄膜太阳能电池具备弱光条件下仍可发电、生产过程能耗低及可大幅度降低原料和制造成本等一系列优势，已成为近年来的研究热点，其市场发展潜力巨大。
基本的太阳能电池结构，包括单P-N结、P-I-N/N-I-P以及多结。典型的单结P-N结构包括P型掺杂层和N型掺杂层。单结P-N结太阳能电池有同质结和异质结两种结构。P型掺杂层和N型掺杂层都由相似材料(材料的能带隙相等)构成。异质结结构包括具有不同带隙的材料至少两层。P-I-N/N-I-P结构包括P型掺杂层、N型掺杂层和夹于P层和N层之间的本征半导体层(即未掺杂的I层)。多结结构包括具有不同带隙的多个半导体层，所述多个半导体层堆叠于彼此顶部上。
在公开号为CN101775591A的中国专利申请中公开了一种非晶硅薄膜太阳能电池，如图1所示。所述非晶硅薄膜太阳能电池依次包括：玻璃基板10、透明电极层11、P型非晶硅层12、本征非晶硅层13、N型非晶硅层14、背电极15和保护板16，其中P型非晶硅层12、本征非晶硅层13和N型非晶硅层14共同组成一个非晶硅光电单元。
现有技术一般在等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)装置中形成上述非晶硅光电单元。图2为现有技术中PECVD装置的一实施例的示意图。所述PECVD装置主要包括：反应腔103、上电极101、电源104和下电极102，其中上电极101和下电极102位于反应腔103内，所述上电极101与所述电源104相连，所述下电极102接地。反应气体通过反应腔103的进气口(图未示)进入上电极101，通过上电极101将气体均匀分布进入反应腔103内。在PECVD沉积所述非晶硅光电单元的步骤包括：将玻璃基板10置于下电极102上；向反应腔103中通入硅烷及氢气，电源104向上电极101通入射频信号以产生辉光放电并产生等离子体，从而在上电极101和下电极102之间形成等离子体。等离子体中的电子与硅烷发生化学反应，以在玻璃基板10形成P型非晶硅层12、本征非晶硅层13或N型非晶硅层14。
当P型非晶硅层12、本征非晶硅层13和N型非晶硅层14在同一反应腔103中连续沉积形成时，所述P型非晶硅层12的反应残留物等会对后续本征非晶硅层13的沉积产生污染，从而降低了薄膜太阳能电池的光电转换效率，最终影响其发电性能。
为了避免P型非晶硅层12的反应残留物对本征非晶硅层13的污染，现有技术需要分别在不同的反应腔103中沉积形成P型非晶硅层12、本征非晶硅层13和N型非晶硅层14。但该种PECVD装置结构复杂、价格昂贵，增加了非晶硅薄膜太阳能电池的生产成本，且制造步骤很复杂。
因此，在非晶硅薄膜太阳能电池的制造过程中，如何在避免P型非晶硅层12对本征非晶硅层13的污染的前提下，降低非晶硅光电单元的生产成本、简化制造步骤就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，在避免P型非晶硅层对本征非晶硅层的污染的前提下，降低非晶硅光电单元的生产成本，且简化制造步骤。
本发明提供了一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括：
提供基板；
在所述基板上形成复合电极层，所述复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
进行退火处理，形成非晶硅光电单元，所述非晶硅光电单元依次包括：N型非晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层。
可选地，所述P型材料包括：硼、镓、铟和铝中的一种或多种。
可选地，所述P型材料的原子数含量范围包括：1E-18％～15％。
可选地，所述N型材料包括：磷、砷和锑中的一种或多种。
可选地，所述N型材料的原子数含量范围包括：1E-18％～15％。
可选地，所述硅的原子数含量范围包括：70％～99.999999999999999998％。
可选地，所述复合电极层的厚度范围包括：
Figure BDA0000099440310000031
可选地，所述复合电极层采用物理气相沉积(PVD)方法形成。
可选地，所述退火处理包括炉管退火或激光退火。
可选地，所述退火处理的温度范围包括：50℃～1000℃。
可选地，所述退火处理的时间范围包括：1微秒～200小时。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过在基板上形成包括硅、P型材料和N型材料的复合电极层，且对复合电极层进行退火处理，从而根据退火过程中，P型材料和N型材料在硅中的扩散速率不同，上部分P型材料的含量比较多以形成P型非晶硅层，中间部分P型材料的含量和N型材料的含量相同以形成本征非晶硅层，下部分N型材料的含量比较多以形成N型非晶硅层，从而不但可以避免现有CVD工艺中P型非晶硅层残留物对本征非晶硅层的污染，而且可以简化制造步骤，降低生产成本。
2)可选方案中，采用PVD方法形成复合电极层，从而靶材容易制造，成本低；薄膜纯度高；没有有毒气体参与反应和排放，比较环保。
附图说明
图1是现有技术中非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是现有技术中非晶硅薄膜太阳能电池生产设备的结构示意图；
图3是本发明实施方式的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法的流程示意图；
图4至图8是本发明实施例一的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法的示意图；
图9是本发明实施例二的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法的示意图。
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不同于此处的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术需要在三个不同的反应腔中沉积得到一个非晶硅光电单元，从而使得非晶硅薄膜太阳能电池的制造步骤很复杂，且制造成本很高。
为了克服上述缺陷，参考图3所示，本发明实施方式提供了一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括：
步骤S1，提供基板；
步骤S2，在所述基板上形成复合电极层，所述复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
步骤S3，进行退火处理，形成非晶硅光电单元，所述非晶硅光电单元依次包括：N型非晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层。
本发明提供了一种自建式隧道异质结工艺，通过在基板上形成包括硅、P型材料和N型材料的复合电极层，且对复合电极层进行退火处理，从而根据退火过程中，P型材料和N型材料在硅中的扩散速率不同，上部分P型材料的含量比较多以形成P型非晶硅层，中间部分P型材料的含量和N型材料的含量相同以形成本征非晶硅层，下部分N型材料的含量比较多以形成N型非晶硅层，从而不但可以避免P型非晶硅层对本征非晶硅层的污染，而且可以简化制造步骤，降低生产成本。
实施例一
本实施例提供的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括以下步骤：
首先，参考图4所示，提供基板100。
所述基板100可以为玻璃基板、金属基板或塑料基板等绝缘且透光的材料，其对于本领域的技术人员是熟知的，故在此不应限制本发明的保护范围。本实例中所述基板100为N型掺杂的冶金级硅(MG-Si)基板。
需要说明的是，本实施例还可以在提供基板100之前对所述基板100进行清洗，以去除基板100上的杂质，从而避免基板100上的杂质影响太阳能电池的性能。
接着，参考图5所示，在所述基板100上形成透明电极200。
具体地，可以由具有导电性的透明材料形成透明电极200，从而增加入射光的透射率。例如，所述透明材料可以包括氧化锌(ZnO)、铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物(如SnO2)、氧化银(AgO)、氧化硅(Ga2O3)、氧化铝(Al2O3)、氟氧化锡(FTO)中的一种或多种组合，从而使得所述透明电极200可以透射大部分入射光，并且有电流在透明电极200中流动。
所述透明电极200的厚度范围可以包括
Figure BDA0000099440310000061
如：
Figure BDA0000099440310000063
或
Figure BDA0000099440310000064
等。
所述透明电极200可以采用化学气相沉积方法形成，也可以采用本领域技术人员所熟知的其他方法形成。
本实施例采用化学气相沉积(CVD)方法在N型掺杂的MG-Si基板上形成氧化锌作为透明电极200。
接着，参考图6所示，在所述透明电极200上形成复合电极层300。
所述复合电极层300的材料可以包括：硅、P型材料和N型材料，所述P型材料和N型材料可以均匀地分布在硅中。所述复合电极层300用于形成非晶硅光电单元。
所述复合电极层300的厚度范围可以包括：
Figure BDA0000099440310000065
如：
Figure BDA0000099440310000066
Figure BDA0000099440310000067
或
Figure BDA0000099440310000068
等。
其中，所述P型材料主要为III族元素，具体可以包括：硼、镓、铟和铝中的一种或多种。本实施例中P型材料为硼。
所述P型材料的原子数含量范围可以包括：1E-18％～15％，如：1E-18％、1E-12％、1E-7％、1％或15％等。
其中，所述N型材料主要为V族元素，具体可以包括：磷、砷和锑中的一种或多种。本实施例中N型材料为磷。
所述N型材料的原子数含量范围可以包括：1E-18％～15％，如：1E-18％、1E-12％、1E-7％、1％或15％等。
所述硅材料的原子数含量范围可以包括：70％～99.999999999999999998％，如：70％、78％、85％、93％或99.999999999999999998％等。
所述复合电极层300可以采用物理气相沉积(PVD)方法形成，也可以采用化学气相沉积(CVD)方法形成。优选地，所述复合电极层300采用PVD方法(如：多靶溅射方法等)形成，其理由如下：PVD的靶材相对容易制造，而CVD的反应前驱物制造成本高；PVD沉积的薄膜相对CVD沉积的薄膜纯度更高；PVD相对CVD更环保，无有毒气体参与反应和排放。
作为一个具体例子，所述P型材料的含量为15at％(原子百分数)，所述N型材料的含量为15at％，所述硅材料的含量为70at％。
本实施例采用PVD方法形成复合电极层300，其中：等离子功率范围可以包括500W～20000W；温度范围可以包括：20℃～500℃；保护气体可以为流量范围为10sccm～5000sccm的氩气；反应腔的体积范围可以包括：5L～5000L。
接着，进行退火处理，形成非晶硅光电单元。
所述退火处理可以为炉管退火或激光退火，具体可以采用炉管或激光装置完成。
所述退火处理的温度范围可以包括：50℃～1000℃，如：50℃、250℃、500℃、800℃或1000℃等。优选地，所述退火处理的温度范围可以包括：600℃～1000℃，如：600℃、750℃、900℃或1000℃，此时可以更加有效地控制硼原子和磷原子的扩散。
所述退火处理的时间范围可以包括1微秒～200小时，如：1微秒、5分钟、10小时、50小时或200小时等。
当采用炉管退火时，所述退火处理的成本比较低。此时，退火处理的时间大于或等于30分钟。优选地，所述退火处理的时间大于或等于2小时且小于或等于50小时，从而在保证生产效率的同时，可以使得非晶硅光电单元中各层的材料分布比较均匀，提高了非晶硅光电单元的性能。
当采用激光退火时，所述退火处理的时间比较短。此时，退火处理的时间小于30分钟。优选地，所述退火处理的时间大于或等于5秒且小于或等于5分钟。
在所述退火处理的温度下，由于本实例中P型材料硼原子比N型材料磷原子的体积小，硼原子相对磷原子更容易在硅中进行扩散，故P型材料硼原子和N型材料磷原子在硅中具有不同的扩散速率，且P型材料硼原子在硅中的扩散速率大于N型材料磷原子在硅中的扩散速率。
原子都有向表面扩散的趋势，在退火温度的作用下，硼原子和磷原子就会向表面进行扩散，由于复合电极层300的下表面为透明电极200，即复合电极层300的下表面面积是有限的，而复合电极层300的上表面为无限大的空间，因此硼原子和磷原子更易于向复合电极层300的上表面扩散。
由于硼原子的扩散速率大于磷原子的扩散速率，因此退火之后的复合电极层300的上表面会成为富硼层，所述富硼层中也可以包括磷原子，但是硼原子的含量远大于磷原子的含量，因此所述富硼层作为P型非晶硅层。
相应的，退火之后的复合电极层300的下表面会成为富磷层，所述富磷层中也可以包括硼原子，但是磷原子的含量远大于硼原子的含量，因此所述富磷层作为N型非晶硅层。
退火之后的复合电极层300的中间部分则既包括硼原子也包括磷原子，且硼原子和磷原子的含量大致相同，从而电子和空穴相互抵消，使得中间部分作为本征非晶硅层。
通过合理控制退火温度和时间，可以控制P型材料和N型材料的扩散速率和扩散深度。
具体地，参考图7所示，N型非晶硅层410位于所述透明电极200上，本征非晶硅层420位于所述N型非晶硅层410上，P型非晶硅层430位于所述本征非晶硅层420上，所述P型非晶硅层430、本征非晶硅层420和N型非晶硅层410共同组成非晶硅光电单元400。
所述P型非晶硅层430的厚度范围可以包括：
Figure BDA0000099440310000091
如：
Figure BDA0000099440310000092
Figure BDA0000099440310000093
或
Figure BDA0000099440310000094
等。所述本征非晶硅层420的厚度范围可以包括：
Figure BDA0000099440310000096
如：
Figure BDA0000099440310000097
或
Figure BDA0000099440310000098
等。所述N型非晶硅层410的厚度范围可以包括：
Figure BDA0000099440310000099
如：
Figure BDA00000994403100000910
或
Figure BDA00000994403100000911
等。所述P型非晶硅层430、本征非晶硅层420和N型非晶硅层410的厚度可以完全相同，也可以部分相同，还可以完全不同。
由于本征非晶硅层420中P型材料和N型材料的含量相同，因此不存在P型材料对硅的污染，从而避免了P型非晶硅层430对本征非晶硅层420的污染，保证了非晶硅薄膜太阳能电池的性能稳定。
此外，通过一次复合电极层300的沉积工艺和一次退火处理就可以形成非晶硅光电单元400，沉积和退火均是步骤简单和成本低的工艺，而非晶硅光电单元400的制造又是非晶硅薄膜太阳能电池制造的关键步骤，因此通过降低非晶硅光电单元400的制造成本和简化非晶硅光电单元400的制造步骤，最终可以显著减低非晶硅薄膜太阳能电池的制造成本，且简化非晶硅薄膜太阳能电池的制造步骤。
本实施例中先形成一层包括硅、N型材料和P型材料的复合电极层300，然后通过退火处理，使得N型材料和P型材料分别在硅中进行扩散，最终形成包括N型非晶硅层410、本征非晶硅层420和P型非晶硅层430的非晶硅光电单元400的技术可以称为自建式隧道异质结工艺。
需要说明的是，由于薄膜(如：P型非晶硅层430、本征非晶硅层420或N型非晶硅层410)或晶体(如：基板100)一般都存在微观缺陷，退火处理会使薄膜或晶体中的原子重排，使部分缺陷消失，宏观上可以表现为薄膜或晶体的厚度发生变化。即退火前复合电极层300的厚度不同于退火后非晶硅光电单元400的厚度。
最后，参考图8所示，在所述非晶硅光电单元400上依次形成背电极500和保护板600。
所述背电极500和所述保护板600的具体形成工艺对于本领域的技术人员是熟知的，故在此不再赘述。
至此，得到图8所示的非晶硅薄膜太阳能电池。
实施例二
参考图9所示，本实施例非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法包括：
提供基板100；
在所述基板100上形成透明电极200；
在所述透明电极200上形成第一复合电极层，所述第一复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
在所述第一复合电极层上形成第二复合电极层，所述第二复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
在所述第二复合电极层上形成第三复合电极层，所述第三复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
进行退火处理，所述第一复合电极层形成第一非晶硅光电单元700，所述第一非晶硅光电单元700依次包括第一N型非晶硅层710、第一本征非晶硅层720和第一P型非晶硅层730；所述第二复合电极层形成第二非晶硅光电单元800，所述第二非晶硅光电单元800依次包括第二N型非晶硅层810、第二本征非晶硅层820和第二P型非晶硅层830；所述第三复合电极层形成第三非晶硅光电单元900，所述第三非晶硅光电单元900依次包括第三N型非晶硅层910、第三本征非晶硅层920和第三P型非晶硅层930；
在所述第三非晶硅光电单元900上依次形成背电极500和保护板600。
至此，得到图9所示的非晶硅薄膜太阳能电池。
与实施例一不同的是，本实施例中非晶硅薄膜太阳能电池包括三个非晶硅光电单元，虽然形成了三个复合电极层，但只需要进行一次退火处理即可，从而进一步降低了生产成本，简化了制造步骤，提高了生产效率。通过控制退火的温度和时间，可以控制各复合电极层中P型材料和N型材料的扩散速率和扩散深度，以避免不同非晶硅光电单元之间的相互影响。
实现各步骤的具体方法可参考实施例一，在此不再赘述。需要说明的是，本实施例中非晶硅薄膜太阳能电池包括三个非晶硅光电单元仅为举例，在本发明的其他实施例中非晶硅薄膜太阳能电池还可以包括两个非晶硅光电单元或三个以上的非晶硅光电单元，其不应限制本发明的保护范围。
此外，在本发明的其他实施例中，所述非晶硅薄膜太阳能电池还可以是包括一个或多个非晶硅光电单元的其他结构，但只要采用本发明自建式隧道异质结工艺制造其中的非晶硅光电单元都不脱离本发明的精神。
虽然本发明己较佳的实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板上形成复合电极层，所述复合电极层的材料包括：硅、P型材料和N型材料；
进行退火处理，形成非晶硅光电单元，所述非晶硅光电单元依次包括：N型非晶硅层、本征非晶硅层和P型非晶硅层。
2.如权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述P型材料包括：硼、镓、铟和铝中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述P型材料的原子数含量范围包括：1E-18％～15％。
4.如权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述N型材料包括：磷、砷和锑中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述N型材料的原子数含量范围包括：1E-18％～15％。
6.如权利要求3或5所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述硅的原子数含量范围包括：70％～99.999999999999999998％。
7.如权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述复合电极层的厚度范围包括：
Figure FDA0000099440300000011
8.如权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述复合电极层采用物理气相沉积方法形成。
9.如权利要求1所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述退火处理包括炉管退火或激光退火。
10.如权利要求1或9所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述退火处理的温度范围包括：50℃～1000℃。
11.如权利要求10所述的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述退火处理的时间范围包括：1微秒～200小时。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1588649A (zh) * 2004-07-15 2005-03-02 上海交通大学 硅薄膜异质结太阳电池的制备方法
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CN101794827A (zh) * 2010-03-12 2010-08-04 河南阿格斯新能源有限公司 一种非晶硅薄膜太阳电池膜系和薄膜太阳电池以及薄膜太阳电池的制造方法

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