CN103238218A - 多结光电器件及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多结光电器件，其包括按顺序排列的基底（4），第一导电层（2），至少两个基本的光电器件（6，10；），其中所述基本的光电器件中的至少一个（6）由微晶硅构成，以及第二导电层（8）。所述第一导电层（2）具有面向所述微晶硅基本光电器件的表面（2b），使得：所述表面（2b）具有大于100nm的横向特征尺寸（D），以及大于40nm的均方根粗糙度（Rrms），所述表面（2b）包括倾斜的基本表面，其使得a50大于20°，其中a50是第一导电层（2）的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度，以及所述表面（2b）包括在两个基本表面之间形成并具有小于100nm曲率半径的凹部。并且，所述微晶硅基本光电器件（6）包括在其入射光侧的由至少一种硅合金SiMx构成的p-型层，其中所述M是O、C、N，并且x>0.1，所述p-型层包括硅晶粒。

Description

多结光电器件及其生产工艺
技术领域
本发明主要涉及太阳能电池。尤其是其涉及包括按顺序排列的基底、第一导电层、非晶硅或硅合金的基本光电器件（elementaryphotoelectric device）（吸收蓝光到红光，SiGe合金可能吸收红外光）和微晶的基本光电器件（吸收红光到红外光）的堆叠以及第二导电层的多结光电器件。本发明还涉及生产这种多结器件的方法。
本发明的特别有利应用是其适用于生成电能的太阳能电池的生产，但是本发明也应用于，尤其是入射辐射被转换为电信号的任何结构，例如光电检测器和电离辐射检测器。
背景技术
薄膜太阳能电池可以在顶衬（pin）和基底（nip）配置中生产，利用以pin-pin或nip-nip配置的堆叠电池组成的结构，利用两个或更多堆叠电池生产多结太阳能电池。薄膜太阳能电池是氢化的非晶硅（a-Si：H）和氢化的微晶硅（μc-Si：H）电池，因此，其可以用于堆叠的结合，以便优化允许改善效率的全太阳能光谱的使用。那么，在不同配置中高效薄膜硅太阳能电池的开发需要允许高光吸收而又保持最佳电池电气属性的电池设计。电池中改善的光管理是决定性的，以便在吸收膜中导致增加效率的光路，从而导致电池中更薄光活性层的可能使用。虽然生产效率和成本降低是重要的，但是由于材料的固有属性，改善的光陷阱和薄层的使用对于实现更高转换效率是必需的。对于氢化的非晶硅（a-Si：H），在更薄的薄膜中，可以降低大块材料的光致降解（光致衰减效应）对电池性能的影响。在微晶硅（μc-Si：H）的情况下，由于间接能带隙，光陷阱对于补偿低吸收是必需的，以便允许带有不影响电池电气属性的厚度的μc-Si：H层的使用。
光陷阱通过引入的构造接口获得，通过具有涂覆透明的纳米构造的材料的玻璃基底或通过涂覆带有粗糙结构的不透明基底获得。光在粗糙接口散射，在结构的构造接口透射和/或反射。这种散射通过吸收层可以增加每个光子的有效路径长度（如果光扩散发生在高角度），并且可能导致在器件中的多个内部反射。这两个组合的效应导致太阳能电池中的光陷阱，并且在不需要增加光活性层的物理厚度的情况下，可以倍增吸收层的光学厚度。文献中报告光路增强的典型值是5到20。a-Si：H电池中光捕获所需要的典型横向特征尺寸（D）和特征均方根（rms）粗糙度（Rrms）在D=100-300nm的范围以及Rrms在50-200nm的范围，以及对于μc-Si：H和合并μc-Si：H结的多结电池，D=200-2000nm以及Rrms=50-500nm。
已经开发的基底或之前硅沉积的透明导电物氧化层（TCO）的几个构造表面展示了增强的光管理，从而增加在基于a-Si：H和c-Si：H的薄膜硅太阳能电池中的短路电流密度。由APCVD沉积的构造SnO2，喷镀蚀刻的ZnO，低压化学汽相沉积（LPCVD）ZnO是这样的被证明解决方案。例如，LPCVD ZnO薄膜是大颗粒构成的多晶体薄膜，其带有大锥体特征表征的表面，并提供LPCVD生长的ZnO的好的光散射能力。层的锥体功能特性可以通过生长条件的控制以及通过层厚度的变化改变，导致波长是优选散射的控制。
虽然有所有的共性，但存在强烈的光散射模式的缺点。
在器件实现时发生的强烈问题是当粗糙结构被引入以实现有效光散射时，他们也倾向于产生均匀性和太阳能电池中吸收层的缺陷，导致可能的局部漏电流，例如低质量二极管或物理分路。这种效应被证明是普遍的，并施加于在带有短的曲率半径（通常小于100nm）的凹部或带有高于20°倾角的小平面的意义上展示“锐利”特征的所有粗糙（rms>50nm）顶衬和基底电极。对于μc-Si：H电池来说，其特别受基底形态影响，这是特别正确的。
特别地，沉积在粗糙LPCVD ZnO或粗糙SnO2或粗糙椎体结构的μc-Si：H太阳能电池遭受由粗糙基底形态导致的局部低质量材料构造产生的Voc和FF的损失。几乎总是，例如当ZnO粗糙度增加时，电池的短路电流（Jsc）增加，但是由于Voc和FF的损失，效率不是最大化的。相反，在扁平基底上制备的μc-Si：H电池显示非常高的Voc和FF，但承受局部的亚最优Jsc。这对在不透明背反射器上制备的太阳能电池也是如此。
这个对微晶硅电池是有害的效应被证明在多结太阳能电池中具有强烈影响。在电池顶部的非晶硅生长后，裂缝继续扩散或甚至开始在微晶硅层中生长。因此，对于a-Si：H电池生长的多结器件，可能的中间反射层和复合物结可能导致表面形态甚至更加陡峭，从而诱发在随后的微晶硅电池的生长中的裂缝和低质量材料区域，这是特别真实的。这导致Voc和FF的强烈下降。实际上，世界上许多的太阳能电池生产线在和这种效应作斗争。因此，在多结电池中避免这样的裂缝的有害效应是至关重要的。
因此，调节局部的低质量材料区域作为局部漏电流的第一途径是减少他们在太阳能电池中的密度。这必须完成而又不会强烈影响基底形态，以便保存好的光陷阱。这可以经由沉积工艺的优化，得以某种程度实现，以便具有更适应锐利表面特征的大块材料生长。另一个解决方案是修改构造表面的形态，以便使锐利凹部平滑而又保持峰值纹理。对于合并构造的LPCVD ZnO的电池来说，这可以通过应用使表面平滑的等离子后处理来实现。如果凹部底端的曲率半径减少，由于局部低质量材料区域的减少，Voc和FF是增加的。这样的解决方案的缺点是纹理如何被修改；从而降低光陷阱电势和减少短路电流密度。最后，以更一般的术语来说，利用减少粗糙度的构造基底也允许减少的局部漏电流密度，如果表面纹理尺寸比该电池的尺寸更低，电池顶部的非晶硅甚至能够倾向于使最初表面轻微平滑。不过，不太明显的纹理会再次导致降低的光陷阱电势。因此，最佳构造的表面具有导致光陷阱能力（短路电流）与低质量材料区域的密度与本地漏电流（Voc和FF）之间的最佳权衡。这样的最佳纹理是难以实现的，并且还没有实际开发的解决方案允许这样的突破。
总之，高材料质量的可控生长可以首先导致μc-Si：H电池在构造基底上的改善性能。不过，其没有足够显示具有更高光陷阱电势的高度构造的基底，这种沉积工艺的优化需要精确的沉积条件，从而提炼强烈影响产量和电池设计健壮性的对沉积工艺漂移和反应器中的非均匀性敏感的电池属性和可靠性。最终，局部低质量二极管的减少可以实现结构接口的正确优化，但是总是在降低光陷阱电势的价格。
发明内容
本发明提供允许减轻现有技术缺点的多结光电器件。
因此，本发明涉及包括按顺序排列的基底、第一导电层、至少两个基本光电器件以及第二导电层的多结光电器件，所述基本的光电器件中的至少一个由微晶硅组成。第一导电层具有面向所述微晶硅基本光电器件（microcrystalline silicon elementary photoelectric device）的表面，使得：
-所述表面具有大于100nm，优选地大于200nm并且小于1500nm的横向特征尺寸（D），以及均方根粗糙度（Rrms）大于40nm，优选地大于60nm，甚至更为优选地大于100nm，并且小于500nm，
-所述表面包括倾斜的基本表面，使得a50大于20°，其中a50是第一导电层的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度。
-所述表面包括在两个基本表面之间形成并具有小于100nm曲率半径的凹部（valley）。
而且，所述微晶硅基本光电器件在其入射光侧包括由至少一个硅合金SiMx构成的p-型层，其中所述M是O、C、N，以及x>0.1，所述p-型层包括硅晶粒。
优选地，其他的基本光电器件可以基于非晶硅。
在nip-nip配置中，第一导电层是沉积在基底上的背面电极层，微晶硅基本光电器件被沉积在第一导电层上并具有n-i-p配置，以及第二导电层是顶部电极层。沉积在微晶硅基本光电器件与顶部电极层之间的其他基本光电器件基于非晶硅并且具有n-i-p配置。
在pin-pin配置中，基底是透明的，第一导电层是沉积在所述基底上的顶部电极层，第二导电层是背面电极层，以及微晶硅基本光电器件具有p-i-n配置。其他的基本光电器件沉积在第一导电层与微晶硅基本光电器件之间，并且基于带有p-i-n配置的非晶硅。
本发明还涉及生产如上所述的多结光电器件的方法，其包括下列步骤：
-提供第一导电层已经沉积在上面的基底，第一导电层具有与基底相反的表面，其使得：
-所述表面具有大于100nm，优选地大于200nm并且小于1500nm的横向特征尺寸（D），以及均方根粗糙度（Rrms）大于40nm，优选地大于60nm，甚至更为优选地大于100nm，并且小于500nm，
-所述表面包括倾斜的基本表面，使得a50大于20°，其中a50是第一导电层的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度。
-所述表面包括在两个基本表面之间形成并具有小于100nm曲率半径的凹部（valley），
-沉积至少两个基本的光电器件，所述基本的光电器件中的至少一个由微晶硅构成，所述微晶硅基本光电器件在其入射光侧包括由至少一个硅合金SiMx构成的p-型层，其中所述M是O、C、N，以及x>0.1，所述p-型层包括硅晶粒，以及
-沉积第二导电层。
优选地，其他的基本光电器件基于非晶硅。
附图说明
图1示出根据本发明，在pin-pin配置中a-Si：H/μc-Si：H双结太阳能电池的示意横截面视图；
图2示出在原子力显微镜（AFM）图像中点A的表面倾角计算的示意图；
图3示出根据本发明，在nip-nip配置中a-Si：H/μc-Si：H双结太阳能电池的示意横截面视图；
图4示出用于例子中的两个不同顶部电极层的角度直方图；
图5示出用于本发明器件中的SiOx层的EFTEM方格视图，其示出SiOx材料中硅晶粒（白色）的存在；
图6a到6c分别示出暗电导率（dark conductivity），光学间隙E04以及用于获得p-SiOx层的不同CO2/SiH4比率的拉曼硅结晶的百分比；
图7a示出单结电池获得的电气特性，所述单结电池包括p-μc-Si层和包括沉积在平滑顶部电极层上p-μc-SiOx层的电池；
图7b单结微晶硅电池获得的电气特性，所述单结微晶硅电池包括p-μc-Si层和包括沉积在很粗糙顶部电极层上p-μc-SiOx层的电池，其中所述电池具有相同的特征尺寸（D）和如7a一样的类似Rrms，但是具有高度倾斜的小平面和带有小于100nm的短曲率半径的凹部；
图8示出在很粗糙顶部电极层上单结微晶硅电池的电池效率，其中所述电池效率作为用于包括p-μc-Si层的电池和包括p-μc-SiOx层的电池的沉积状态的函数；
图9表示作为沉积在很粗糙电极层上的、带有p-μc-Si层的底部非微晶叠层电池（micromorph cell）的，以及包括带有p-μc-SiOx层的底部电池的非微晶叠层电池（a-Si：H/μc-Si：H串联电池）的电压的函数的电流；
图10表示作为用于如图9所示相同电池波长函数的外部量子效率（EQE）；
图11表示归一化效率，其作为LPCVD ZnO正面接触不同等离子体处理的、沉积在高度构造的LPCVD ZnO上非微晶叠层太阳能电池的处理时间的函数，以及
图12表示开路电压（VOC），其作为LPCVD ZnO正面接触不同等离子体处理的、沉积在高度构造的LPCVD ZnO上非微晶叠层太阳能电池正面接触的等离子处理时间的函数。
具体实施方式
在本描述中，术语“背面电极层”意思是离入射光侧最远的电极层。其通常与将光反射到电池中的背面反射层效应关联。术语“顶部电极层”意思是离入射光侧最近的电极层或电极系统层。
在本描述中，术语"微晶硅"意思是包括硅纳米晶体和非晶态组织的混合态材料。
参考图1，其示出表示不同的可能的多结配置中一个的a-Si：H/μc-Si：H双结（非微晶叠层（micromorph））太阳能电池12。
电池12包括按顺序排列的沉积在基底4上的、对应于顶部电极层的第一导电层2，非晶硅基本光电顶部器件10，中间层14，微晶硅基本的光电底部器件6，以及对应于背面电极层的第二导电层8。
基底4可以由从包括玻璃和塑料（例如PEN，PET以及聚酰亚胺）的组中选择的材料构成。顶部电极2由透明的导电氧化物（例如ZnO，ITO或SnO2）构成。所述顶部电极2具有在入射光侧（光照（hv））的顶部表面2a以及在另一侧的底部表面2b。
背面电极层8由透明的导电氧化物（例如ZnO，ITO，InO，SnO2，等）、金属（Ag，Al）或透明氧化物和金属的组合构成。顶部和背面电极层2和8通过本领域技术人员熟知的工艺来沉积，例如汽化，喷镀和化学沉积。对于顶部电极层2，使用化学沉积工艺（例子：LP-CVDZnO，AP-CVD SnO2）是优选的。LP-CVD ZnO，AP-CVD SnO2）。
中间层14可以被沉积在非晶硅顶部器件10与微晶硅底部器件6之间。中间层14由从下列组中选择的材料层组成，所述组包括氧化锌，掺杂硅的氧化物，掺杂多孔硅的氧化物，氧化锡，氧化铟，掺杂的碳化硅，掺杂的非晶硅，掺杂的微晶硅及其组合物。优选地，使用掺杂硅的氧化物。
优选地，中间层14具有在10nm与500nm之间，更为优选地在50nm与150nm之间的厚度。
供选择地，取代一个a-Si顶部电池，可以使用几个非晶硅或硅合金形成多结器件。
光电器件6和10可以具有p-i-n或p-n配置。
非晶硅光电器件10基于非晶硅或硅化合物（例如SiC，SiO，SiGe，等）。其具有在20nm与800nm之间，优选地在100nm与250nm之间的厚度。由于非晶硅光电器件对于本领域的技术人员来说是熟知的，不需要进一步的描述。
根据本发明，对应于第一导电层表面的顶部电极2的底部表面2b面向微晶硅光电器件6，其使得：
-所述表面2b具有大于100nm，优选地大于200nm并且小于1500nm的横向特征尺寸（D），以及均方根粗糙度（Rrms）大于40nm，优选地大于60nm，甚至更为优选地大于100nm，并且小于500nm，
-所述表面2b包括倾斜的基本表面，使得α50大于20°，其中α50是第一导电层2的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度。
-所述表面2b包括在两个基本表面之间形成并具有小于100nm曲率半径的凹部。
参考图2，其描述了通过基本表面的倾斜修理样品粗糙表面，也称为表面角分布的表面形态。为了做到这点，在表面执行对应于256×256等距点（在常规坐标系统中的x和y轴）表示样本表面拓扑（z轴）矩阵的、测量5μm×5μm的AFM测量。为了消除基底的任何倾斜或弯曲，从这个图像中减去最小化其自身与基底之间的平方差的数量的二阶多项式。因此，所获得的是表面S的形态的良好的代表性，其通常由具有在50和2000nm之间的尺寸的结构构成。平面z=0被定义为水平面P。
为了获得表面的角分布，为AFM图像中每个点计算正交于水平面P的矢量与正交于表面S的矢量Vn之间的角度。为了做到这点，用于计算正交于点A的相关的基本表面由点A和两个矢量Vx与Vy定义。Vx是在方向x的在点A之前和之后连接两个点的矢量（靠近AFM矩阵中的邻居），以及Vy是在方向y的在点A之前和之后连接两个点的矢量（靠近AFM矩阵中的矢量）。考虑中的正交于基本平面的矢量Vn由Vx和Vy的矢积确定。基本平面的倾角α被定义为考虑中的基本平面正交矢量Vn与正交于水平面P的矢量之间的角度。
可以构造表示在AFM矩阵中每个点的每个基本平面倾斜的点的新矩阵。从指示表面每个点倾斜的矩阵开始，产生从0到90°（角分布）角度的直方图是可能的，其给出表面的比例，其中所述表面具有位于一定的角度间隔（通常2度）（参考图4）内的倾角。角度被绘制在x轴上。相对于水平面具有倾角的基本平面的比例等于绘制在y轴上的给定角度。扁平水平表面被定义为所有基本平面具有角度等于0°的倾角。相反，带有高度倾斜基本表面的极端粗糙表面示出具有高倾角角度的高基本平面比例的角分布。
在本发明中，为了表征表面的形态，考虑中的值α是具有倾角等于或小于这个角度的被研究表面的50%基本平面的角度α50。
优选地，面对微晶硅基本光电器件6的表面2b包括倾斜的基本平面，使得α50大于35°。
曲率半径ρ是图2所示表面2b的两个基本平面之间形成的凹部曲率的半径。优选地，所述曲率半径小于25nm。
微晶硅器件6包括p型层，可选地i型层以及n型层。包括的i型层和n型层对于本领域的技术人员来说是已知的。
而且，根据本发明，在入射光侧的微晶硅光电器件6的p型层由至少一个硅合金SiMx构成，其中M是O，C，N，以及x>0.1，所述p型层包括使层保持足够导电性的硅晶粒。这样的晶粒由图5所示。
所述p型层具有在103与108ohms-cm之间，优选地在105与106ohms-cm之间的平面电阻率。
优选地，微晶硅基本光电器件6的p型层由硅合金SiMx构成，其中M是O，C，N，或者是O，C，N的混合物，以及0.1<x<1。
优选地，微晶硅基本光电器件6的p型层具有在600nm的、在2.5与3.5之间的折射率。
优选地，微晶硅基本光电器件6的p型层具有在10nm与100nm之间，优选地在10nm与60nm之间，特别优选地在15nm与30nm之间的平均厚度。
有利地，微晶硅基本光电器件6的p型层具有大于10%的拉曼硅结晶百分比（Raman silicon crystalline fraction）。
在另一个未示出的实施例中，微晶硅基本光电器件的p型层可以是，在入射光侧的，在组成n型微晶硅层的堆叠后面的，具有在5nm与25nm之间的厚度，具有在30nm与150nm之间厚度的n型SiOx（0.5<x<2）层，以及具有在5nm与25nm之间厚度的n型微晶硅层，所述SiOx层起光学反射器的作用。
光电器件6和10通过本领域的技术人员所熟知的工艺沉积。优选地，使用PECVD（增强的等离子体化学汽相沉积）工艺。
有利地，微晶硅基本光电器件的p型层是由PECVD，通过在0.5mbar与15mbar之间的压力，在13MHz与110MHz之间的激发频率，基底区域在0.1-5sccm/cm2之间的总气流，以及对于CO2/SiH4在0.1-10之间和对于TMB/SiH4或Diborane（乙硼烷）/SiH4在0.0001-0.02之间的气流比，构成的SiOx层。
优选地，微晶硅基底光电器件6进一步包括i型微晶硅层，其以高于0.6nm/s的生长率沉积。
在图3中示出的另一个实施例中，本发明的双结太阳能电池具有nip-nip配置。其包括按顺序排列的沉积在基底22的、对应于背面电极层的第一导电层20，微晶硅基本光电器件18，中间层19，非晶硅基本光电器件21，以及对应于顶部层的第二导电层24。
背面电极层是高度反射的。顶部电极层24是TCO层。
微晶硅光电器件18和非晶硅基本光电器件21具有nip配置。所述微晶硅光电器件18包括n型层，可选地包括i型层，以及如上所定义的用于pin-pin配置的p型层。背面电极层20包括顶部表面20b，其与面对微晶硅光电器件18的第一导电层的表面相对应，其具有如上所定义的用于表面2b的pin-pin配置的相同形态。
本描述基于包括两个光电器件的电池。当然，根据本发明的电池可以包括多于两个光电器件。
本发明通过开发容许限制局部低质量区域对太阳能电池电气性能的影响的电池结构，允许生长在被构造的基底上的薄膜硅太阳能电池改善性能。本发明涉及薄膜硅太阳能电池结构的协同组合使用，所述结构具有实现良好光陷阱的高度构造的基底以及减少裂缝/坏二极管对太阳能电池电气特性影响的p型SiOx层。因此，提议的电池结构在没有丢失太多的电池电气特性的情况下，通过允许良好的光陷阱容许高效率。本发明在没有需要对被构造接口进行复杂重新构造以及没有需要特别规定的生长条件的情况下，允许减少局部的低质量二极管的密度，容许实现高效率的电池。从而允许太阳能电池和模块效率、产量和可再现性的高度改善。包括例如微晶SiOx、作为电阻p层、结合很粗糙第一导电层的用于本发明的薄p型层不是附加层，但是是p-i-n或n-i-p结的内部部件。由于p层的被修改平面阻抗，其改善太阳能电池的电气特性而又保持整个器件的电场。
例子：
下列举例说明本发明，不过这些例子不限制本发明的范围。
由于本发明的基本特征与微晶硅光电器件联系在一起，因此，本发明的某些例子没有任何非晶硅光电器件。
例子1：用于更好电池性能的在很粗糙基底上的SiOx层
目的
本实验的目标是示出在标准配置中，使用p-SiOx层的μc-Si电池的电气特性没有改善。而且本实验示出如果使用很粗糙的基底，μc-Si电池的电气特性受损严重。其示出当p-SiOx层结合使用很粗糙基底时，电气特性改善明显。因此，利用本发明在之前被认为太粗糙的基底上制造效率高的太阳能电池是可能的。
实验
p-SiOx层通过在110MHz、200°C以及0.1W/cm2的功率密度的非常高频率的等离子体增强化学汽相沉积（PECVD），在SiH4、H2、B（CH3）3和CO2的气体混合物中沉积。层特性在沉积在玻璃基底上的~100nm厚SiOx层上完成。（在电池中，p层会具有~20nm的厚度）
光学间隙E04通过对包括表面粗糙度的层的Tauc-Lorentz色散模型的椭偏光谱测量确定。两个铝接口被汽化在样品中，以便测量在真空中退火后的电气平面暗电导率（σ）。由拉曼分光镜测量硅相的结晶百分比。相同的PECVD系统用于沉积1.5μm厚的μc-Si电池。p-μc-Si和p-μc-SiOx层在正面ZnO上直接沉积，没有任何分级或缓冲层。低压的化学汽相沉积（LP-CVD）ZnO被用作正面和背面电极。某些正面电极被暴露在表面处理中，以便提炼更加适用于μc-Si电池生长的形态。在标准的测试条件下（25°C，AM1.5g光谱，1000W/m2），在180°C持续退火三小时后，利用双灯泡WACOM太阳能模拟器，测量电池的电流-电压（I-V）曲线。通过整合外部量子效率（EQE）和AM1.5g光谱的入射光子通量的乘积，确定短路电流密度（Jsc）。
pSiO x 层的特性
如图6a、6b和6c所示，通过增加CO2/SiH4气体比、光学间隙（E04）增加以及硅相的拉曼结晶百分比减少，暗电导率减少。用于本发明的电池中的p-SiOx层优选获得在0.5与0.7之间的CO2/SiH4气体比，以及具有大约20%的原子氧浓度。
用于本发明中的标准μc-Si和μc-SiO x p层的电池特性的比较
相继生长两个μc-Si电池。很粗糙LPCVD-ZnO层和平滑的LPCVD-ZnO层被用作两个电池的正面电极。
图4示出这样的很粗糙层的角直方图（曲线A）和这样的平滑的层的直方图（曲线B）。
对于很粗糙的LPCVD-ZnO层，角直方图中最具代表性的角度是46°。粗糙度rms是150nm，以及横向特征尺寸（D）是1μm。
对于很平滑的LPCVD-ZnO层，角直方图中最具代表性的角度是20°。粗糙度rms是90nm，以及横向特征尺寸（D）是1μm。
两个电池的仅有不同在于一个具有标准的p-μc-Si层，而另一个具有如上所述的p-μc-SiOx层。
结果在下面的概括电流-电压（IV）特性的表格中给出：
Figure BDA00002788558200121
在图7a中，曲线C（虚线）与包括p-μc-Si层的电池相对应，以及曲线D（连续线）与包括p-μc-SiOx层的电池相对应。从图7a可以看出，在平滑的基底中，电池的电气特性是几乎相同的。为了更容易比较电流-电压曲线，他们已经被归一化到Jsc=25mA/cm2。
在图7b中，曲线E与包括p-μc-Si层的电池相对应，以及曲线F与包括p-μc-SiOx层的电池相对应。从图7b可以看出，如果使用很粗糙正面电极，惊喜地发现通过p-SiOx层的使用，由于p-SiOx层的使用，坏区域的影响减少，电池特性是明显增加的。
例子2：用于更好性能的、在很粗糙基底上的、带有大变化的不同i层的SiOx层
目的
这个实验的目标是示出p层与SiOx层的合并改善μc-Si：H电池设计的粗糙度，由于其导致不同工艺条件的高效率，还示出这些沉积样本（deposition regimes）的变化具有对标准电池效率的强烈影响。因此，本发明允许处理更少受约束的沉积参数窗口，明显提高产量、一致性和大面积模块的整体性能。
实验
p-SiOx层通过在40MHz、180°C以及0.1W/cm2的功率密度的非常高频率的等离子体增强化学汽相沉积（PECVD），在SiH4、H2、B（CH3）3和CO2的气体混合物中沉积。相同的PECVD系统用于沉积1.5μm厚的μc-Si电池。p-μc-Si和p-μc-SiOx层在正面ZnO上直接沉积，没有任何分级或缓冲层。低压的化学汽相沉积（LP-CVD）ZnO被用作正面和背面电极。在标准的测试条件下（25°C，AM1.5g光谱，1000W/m2），利用双灯泡WACOM太阳能模拟器，测量电池的电流-电压（I-V）曲线。通过整合外部量子效率（EQE）和AM1.5g光谱的入射光子通量的乘积，确定短路电流密度（Jsc）。在本研究中的所有电池是在类似的粗糙LPCVD ZnO正面接触中生长。
用于本发明中的标准μc-Si和μc-SiO x p层的电池特性的比较
在这个实验中，使用μc-Si：H单层电池的5个不同沉积样本。生长所有的样本，以便具有类似的生长率（1nm/s）和i层的类似结晶百分比，而从样本E到样本A的氢在氢化硅中的流量比是减少的。这些工艺变化允许具有标准p层的μc-Si电池改善效率，从样本E到样本A的转换效率从6.4%上升到7.9%。因此，这个研究示出从一个工艺到另一个工艺变化的相对效率上升了20%。并行地，使用相同的但合并了p-SiOx层的沉积样本生长5个其他的电池。结果如图8所示，其中圆点与包括p-μc-SiOx层的电池相对应，而方点与包括p-μc-Si层的电池相对应。在本文中，所有的电池证明具有8.1%到8.4%的高效率，因此当与使用标准p层的电池相比，其具有与从4%到30%的相对效率改善相对应。在本文中，在证明仅有3.5%相对变化的时候，不同工艺之间的电池效率变化强烈降低。
因此对于给定的粗糙基底，裂缝的密度和他们在电池特性的影响可以通过改变i层的沉积条件来影响。不过，虽然这样可以确保改善的转换效率，但是由于其他的约束，例如大面积的层均匀性，沉积率，粉末形成，基底加热，依赖于严格工艺参数窗口的层特性和电池效率等，导致i层沉积样本对于工业生产方法不是优选的。在本文中，在大的不同i层质量变化之上p-SiOx层的使用示出允许所有生长电池的高效率，从而证明与沉积样本和i层质量变化相比，本发明导致电池设计健壮性的重要增加。
例子3：非微晶叠层电池中的p-SiOx层
在第一种情况下，生长沉积在被构造基底上的两个相同非微晶叠层电池，不同之处仅在于微晶的底部电池的标准p-μc-Si层被如上所述的p-μc-SiOx层代替。测量电流-电压曲线。
结果由图9示出，其中曲线G与包括带有标准p-μc-Si层的底部电池的非微晶叠层电池相对应，以及曲线H与包括带有标准p-μc-SiOx层的底部电池的非微晶叠层电池相对应。图9示出Voc从1.16V增加到1.28V，以及填充因子从67.2%增加到69.8%。
两个电池的外部量子效率在图10中示出，其中：
-曲线J1、J2和J3（连续线）分别示出带有p-μc-SiOx层的底部电池的非微晶叠层电池在顶部电池（Jsc-top=12.41mA/cm2）、底部电池（Jsc-bot=12.15mA/cm2），以及两个子电池的总数的（Jsc-tot=Jsc-top+Jsc-bot=24.56mA/cm2）的外部量子效率；以及
-曲线K1、K2和K3（虚线）分别示出带有标准p-μc-Si层的底部电池的非微晶叠层电池在顶部电池（Jsc-top=12.42mA/cm2）、底部电池（Jsc-bot=11.97mA/cm2），以及两个子电池的总数的（Jsc-tot=Jsc-top+Jsc-bot=24.39mA/cm2）的外部量子效率。
从图10的外部量子效率可以看出，p-SiOx层不改变子电池中的电流，并且具有可忽略的光学效应。
在第二情况下，通过增加的等离子处理，在LPCVD ZnO粗糙正面接口上生长两个系列非微晶叠层电池。在第一系列中，所有非微晶叠层电池在微晶底部电池中具有标准的p-μc-Si层，而在第二系列中，所有非微晶叠层电池在微晶底部电池中具有如上所述的p-μc-SiOx层。测量电流-电压曲线和效率。
效率和开路电压的结果在图11和12中示出。图11示出当与使用标准p-μc-Si层（点N）的电池相比，在微晶底部电池中合并p-μc-SiOx层（点M）的电池展示改善的效率。图12示出对于所有电池，在微晶底部电池（点M）合并p-μc-SiOx层的电池具有稳定和高的VOC，而整合标准p-μc-Si层（点N）的电池对于大多数被构造的基底来说，具有强烈的VOC降落。
虽然在非微晶叠层电池的底部电池带有标准p-μc-Si层的情况下，长时间的等离子处理能够改善效率，在微晶底部电池中整合p-μc-SiOx层的非微晶叠层电池证明具有在不同粗糙度下的稳定效率。
由于在微晶底部电池中的p-μc-SiOx层，通过甚至在高度构造的基底上保持电池的高VOC，可以基本实现非微晶叠层电池的效率改善。

Claims (16)

1.多结光电器件，其包括按顺序排列的基底（4，22），第一导电层（2，20），至少两个基本的光电器件（6，10；18，21），其中所述基本的光电器件中的至少一个（6，18）由微晶硅构成，以及第二导电层（8，24），其特征在于：
所述第一导电层（2，20）具有面向所述微晶硅基本光电器件的表面（2b，20b），使得：
所述表面（2b，20b）具有大于100nm，优选地大于200nm并且小于1500nm的横向特征尺寸D，以及大于40nm，优选地大于60nm，甚至更优选地大于100nm并且小于500nm的均方根粗糙度Rrms，
所述表面（2b，20b）包括倾斜的基本表面，其使得a50大于20°，其中a50是第一导电层（2，20）的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度，以及
所述表面（2b，20b）包括在两个基本表面之间形成并具有小于100nm曲率半径的凹部，
以及其中所述微晶硅基本光电器件（6，18）包括在其入射光侧的由至少一种硅合金SiMx构成的p-型层，其中所述M是O、C、N，并且x>0.1，所述p-型层包括硅晶粒。
2.根据权利要求1所述的多结光电器件，其特征在于面对所述微晶硅基本光电器件（6，18）的所述表面（2b，20b）包括使得α50大于35°的倾斜基本表面。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于面对所述微晶硅基底光电器件（6，18）的所述表面（2b，20b）包括曲率半径小于25nm的凹部。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述微晶硅基本光电器件（6，18）的p型层由硅合金SiMx构成，其中所述M是O，C，N，或者是O，C，N的混合物，并且0.1<x<1。
5.根据权利要求1到4中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述微晶硅基本光电器件（6，18）的p型层具有在600nm的、在2.5与3.5之间的折射率。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述微晶硅基本光电器件（6，18）的p型层具有在10nm与100nm之间，优选地在10nm与60nm之间，以及更为优选地在15nm与30nm之间的平均厚度。
7.根据权利要求1到6中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述微晶硅基本光电器件（6，18）的p型层具有大于10%的拉曼硅结晶百分比。
8.根据权利要求1到7中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述第一导电层（20）是沉积在基底（22）上的背面电极层，所述微晶硅基本光电器件（18）被沉积在第一导电层（20）上并具有n-i-p配置，以及所述第二导电层（24）是顶部电极层。
9.根据权利要求8所述的多结光电器件，其特征在于沉积在所述微晶硅基本光电器件（18）与顶部电极层之间的其他基本光电器件（21）基于非晶硅并且具有n-i-p配置。
10.根据权利要求1到7中任意一项所述的多结光电器件，其特征在于所述基底（4）是透明的，所述第一导电层（2）是沉积在所述基底（4）上的顶部电极层，所述第二导电层（8）是背面电极层，以及所述微晶硅基本光电器件（6）具有p-i-n配置。
11.根据权利要求10所述的多结光电器件，其特征在于其他基本光电器件（10）被沉积在第一导电层（2）与微晶硅基本光电器件（6）之间，并且基于具有p-i-n配置的非晶硅。
12.根据权利要求11所述的多结光电器件，其特征在于所述微晶硅基本光电器件的p型层是，在入射光侧的，在组成n型微晶硅层的堆叠（stack）后面的，具有在5nm与25nm之间的厚度，具有在30nm与150nm之间厚度的n型SiOx(0.5＜x＜2)层，以及具有在5nm与25nm之间厚度的n型微晶硅层，所述SiOx层起光学反射器的作用。
13.用于生产如权利要求1到12所定义的多结光电器件的方法，其特征在于包括下列步骤：
提供第一导电层（2，20）已经沉积在上面的基底（4，22），第一导电层（2，20）具有与基底（4，22）相反的表面（2b，20b），使得：
所述表面（2b，20b）具有大于100nm，优选地大于200nm并且小于1500nm的横向特征尺寸D，以及大于40nm，优选地大于60nm，甚至更优选地大于100nm并且小于500nm的均方根粗糙度Rrms，
所述表面（2b，20b）包括倾斜的基本表面，使得α50大于20°，其中α50是第一导电层（2，20）的50%表面的基本表面具有等于或少于这个角度的倾角的角度，以及
所述表面（2b，20b）包括在两个基本表面之间形成并具有曲率半径小于100nm的凹部，
沉积至少两个基本的光电器件（6，10；18，21），所述基本的光电器件（6，18）中的至少一个由微晶硅构成，所述微晶硅基本光电器件（6，18）包括在其入射光侧的、由至少一个硅合金SiMx构成的p-型层，其中所述M是O、C、N，并且x>0.1，所述p-型层包括硅晶粒，以及
沉积第二导电层（8，24）。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述其他基本光电器件（10，21）基于非晶硅。
15.根据权利要求13和14中任意一项所述的方法，其特征在于所述微晶硅基本光电器件的p型层是由PECVD，通过在0.5mbar与15mbar之间的压力，在13MHz与110MHz之间的激发频率，基底区域在0.1-5sccm/cm2之间的总气流，以及对于CO2/SiH4在0.1-10之间和对于TMB/SiH4或乙硼烷Diborane/SiH4在0.0001-0.02之间的气流比制成的SiOx层。
16.根据权利要求13到15中任意一项所述的方法，其特征在于所述微晶硅基底光电器件（6，18）进一步包括i型微晶硅层，其以高于0.6nm/s的生长速率沉积。
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