CN103258919B - 非晶硅与多晶硅薄膜界面钝化及制备spa结构hit电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法及应用该方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法，其中太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法，是采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在通入腔室氢气的情况下，对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理。氢等离子体界面处理可以降低多晶硅薄膜的表面态，从而使得SPA结构的HIT电池的非晶硅与多晶硅薄膜的界面态减少，使得光照下产生的光生载流子在界面处的复合减少，增加了光生载流子的收集，提高电池的转换效率。

Description

非晶硅与多晶硅薄膜界面钝化及制备SPA结构HIT电池的方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种单结多晶硅非晶硅(SinglejunctionPolycrystallinesiliconAmorphoussilicon，SPA)结构的带本征层的异质结(HeterojunctionwithIntrinsicThin-Layer，HIT)太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法以及应用该方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法。

背景技术

在现在的太阳能电池中，硅薄膜电池以其无毒、原材料丰富、成本低廉的优势受到人们很大的重视。但在研究硅薄膜电池的过程中，人们发现，硅薄膜电池的界面对光生载流子收集进而对电池的性能影响很大。如果界面得到较好的处理，界面态密度较低，载流子的收集就得到优化，电池的效率也会得到提高。我们这里提到的柔性衬底上的太阳能电池主要是以多晶硅薄膜为基础，制备柔性衬底的带本征层的异质结(HeterojunctionwithIntrinsicThin-Layer，HIT)硅薄膜电池，即单结多晶硅非晶硅(SinglejunctionPolycrystallinesiliconAmorphoussilicon，SPA)结构的HIT电池。

HIT电池相比单晶硅电池和非晶硅电池都具有优势。目前来说，HIT电池主要是在单晶硅上生长非晶硅来实现，HIT电池综合了晶体硅电池和非晶硅电池的优点，是一个非常优秀的设计。在现在的太阳能电池行业中，单晶硅和多晶硅太阳电池占有的市场份额很大，占到90％以上。但是单晶硅太阳电池的制备中需要通过高温(＞900℃)扩散来获得pn结，需要的能耗较高；非晶硅太阳能电池可以通过PECVD(Plasma-EnhancedChemicalVaporDeposition)或HWCVD(hot-wirechemicalvapordeposition)等技术来实现电池的制备，使用的能耗低，可以降低成本，但电池的转换效率较低，并且非晶硅太阳电池还有一个缺点就是光致衰退效应(S-W效应)，使得非晶硅太阳电池在实际的应用中还是受到了限制。而HIT电池很好的解决了上述能耗高和光致衰退的缺点，同时转换效率也较高。

但是这种传统的HIT电池的衬底选择受到了限制，可以用多晶硅薄膜来解决。传统HIT电池的缺点在于不能在柔性衬底上制备电池。而如果采用多晶硅薄膜来制备SPA结构的HIT电池，就可以解决该问题。利用多晶硅薄膜制备SPA结构的HIT电池，原材料丰富且廉价、成本能进一步降低；多晶硅相对单晶硅吸收系数大，厚度能够减小，可以将电池做在柔性衬上，相对原来的硬性衬底，选择范围更广。

目前，这种SPA结构的HIT电池国际上还没有相关的报道。在研究传统HIT电池时，研究的重点还是在单晶硅的钝化上。有研究表明，HIT电池结构的反向电流要比没有本征层的a-Si/c-Si异质结电池的反向电流低，因此，界面的钝化对电池的性能影响很重要。考虑到与传统HIT电池的相似性，我们在研究柔性衬底的SPA结构HIT电池时，重点也是研究界面态问题。但是多晶硅薄膜相比单晶硅，又有其相异性，多晶硅由于存在晶粒和晶界，导致在研究界面钝化时，复杂性更高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服非晶硅与多晶硅薄膜界面的缺陷态多的问题，本发明提供了一种太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法及应用该方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法，该方法是采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在通入腔室氢气的情况下，对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理。

上述方案中，所述对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理的具体工艺为：将待处理的多晶硅薄膜样品放入射频频率为13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积设备中，向该设备中通入氢气，氢气流量为24sccm，然后起辉，调节射频功率为6w；在辉光状态下反应时间80秒至120秒，其中反应气体压力为100Pa，腔室温度为170℃；反应完后将射频电源关闭，停止辉光。

为达到上述目的，本发明还提供了一种应用所述方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法，该方法包括：

步骤1：采用氢氟酸去除以不锈钢为衬底的多晶硅薄膜表面的氧化层，并用去离子水超声清洗，烘干；

步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对多晶硅薄膜进行氢等离子体处理；

步骤3：再向腔室中通入氢气和硅烷，在多晶硅薄膜上生长非晶硅薄膜；

步骤4：再向腔室中通入氢气、硅烷及硼烷，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂，形成单结多晶硅非晶硅结构的带本征层的异质结电池样品；

步骤5：将沉积掺杂层后的电池样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极。

上述方案中，步骤1中所述氢氟酸浓度为5％，浸泡时间为30秒。

上述方案中，步骤2中所述等离子体辅助化学气相沉积方法，其采用的设备的射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，氢气流量为24sccm，反应时间80秒至120秒，反应气压力为100Pa，腔室温度为170℃。

上述方案中，步骤3中所述氢气和硅烷的体积比为氢气∶硅烷气体＝24∶6，其中射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，反应时间30秒至60秒，反应气压力为133Pa，腔室温度为170℃，得到厚度为5nm至10nm的本征非晶硅层。

上述方案中，步骤4中所述氢气、硅烷及硼烷的体积比为氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶1∶(2-3)，反应时间3分钟至4分钟，反应气压力为266Pa。

上述方案中，步骤5中所述掺锡氧化铟透明薄膜电极，其厚度为300纳米至500纳米。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition——PECVD)，在通入腔室氢气的情况下，对多晶硅薄膜进行钝化处理。

2、本发明采用氢等离子体处理多晶硅薄膜表面的方法，然后在处理后的多晶硅薄膜上生长非晶硅薄膜，形成薄膜电池，从而减少了这种薄膜电池的界面态密度，提高了转换效率。

3、本发明采用氢等离子处理可以降低多晶硅薄膜的表面态，从而使得SPA结构的HIT电池即非晶硅与多晶硅薄膜的界面态减少，使得光照下产生的光生载流子在界面处的复合减少，增加了光生载流子的收集，提高电池的转换效率。

附图说明

图1是依照本发明实施例的应用太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法流程图。

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。

本发明提供的太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法，是采用等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)，在通入腔室氢气的情况下，对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理。其中，所述对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理的具体工艺为：将待处理的多晶硅薄膜样品放入射频频率为13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积设备中，向该设备中通入氢气，氢气流量为24sccm，然后起辉，调节射频功率为6w；在辉光状态下反应时间80秒至120秒，其中反应气体压力为100Pa，腔室温度为170℃；反应完后将射频电源关闭，停止辉光。

在具体应用中，对于在制备多晶硅薄膜为基底的SPA结构的HIT太阳能电池时，我们通常是在多晶硅薄膜上利用PECVD技术生长非晶硅薄膜，实现异质结太阳能电池。但是在异质结界面通常会存在大量的界面态而降低太阳能电池性能。为了减少界面态，提高电池性能，我们在多晶硅薄膜上生长非晶硅前先对多晶硅薄膜进行钝化处理。

本发明提供的太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法，是采用以下工艺实现的：将待处理的多晶硅薄膜样品放入射频频率为13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积设备中，向该设备中通入氢气，氢气流量为24sccm，然后起辉，调节射频功率为6w；在辉光状态下反应时间80秒至120秒，其中反应气体压力为100Pa，腔室温度为170℃；反应完后将射频电源关闭，停止辉光。

下面以制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池为例，对本发明进行详细说明。如图1所示，图1是依照本发明实施例的应用太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：将以不锈钢为衬底的多晶硅薄膜浸泡在浓度为5％的氢氟酸中30秒左右，目的是去除表面的氧化层；然后将样品取出，用去离子水冲洗掉表面的残留的氢氟酸；用去离子水超声清洗，烘干。

步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对多晶硅薄膜进行氢等离子体处理，其中射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，氢气流量为24sccm，反应时间80秒-120秒，反应气压力为100Pa左右，腔室温度为170℃；其中，太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法主要涉及本步骤。

步骤3：再向腔室中通入第一反应气体，在多晶硅薄膜上生长非晶硅薄膜，该第一反应气体为氢气、硅烷气体，其体积比为氢气∶硅烷气体＝24∶6，其中射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，反应时间30-60秒左右，反应气压力为133Pa，腔室温度为170℃，得到5-10nm厚的本征非晶硅层。

步骤4：向腔室中通入第二反应气体，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂，形成SPA结构的HIT电池样品，所述腔室中的第二反应气体为氢气、硅烷气体和硼烷气体，其体积比为氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶1∶(2-3)，反应时间3分钟-4分钟，反应气压力为266Pa左右，得到p型层后，形成样品。

步骤5：将沉积掺杂层后的样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极，所述的透明薄膜电极的厚度为300纳米-500纳米，完成制备。

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 (7)

1.一种太阳能电池非晶硅与多晶硅薄膜界面的钝化方法，其特征在于，该方法是采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在通入腔室氢气的情况下，对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理；

其中，所述对太阳能电池的非晶硅与多晶硅薄膜界面进行钝化处理的具体工艺为：将待处理的多晶硅薄膜样品放入射频频率为13.56MHz的等离子体增强化学气相沉积设备中，向该设备中通入氢气，氢气流量为24sccm，然后起辉，调节射频功率为6w；在辉光状态下反应时间80秒至120秒，其中反应气体压力为100Pa，腔室温度为170℃；反应完后将射频电源关闭，停止辉光。

2.一种应用权利要求1所述方法制备n型多晶硅薄膜SPA结构的HIT电池的方法，其特征在于，包括：

步骤1：采用氢氟酸去除以不锈钢为衬底的多晶硅薄膜表面的氧化层，并用去离子水超声清洗，烘干；

步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对多晶硅薄膜进行氢等离子体处理；

步骤3：再向腔室中通入氢气和硅烷，在多晶硅薄膜上生长非晶硅薄膜；

步骤4：再向腔室中通入氢气、硅烷及硼烷，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂，形成单结多晶硅非晶硅结构的带本征层的异质结电池样品；

步骤5：将沉积掺杂层后的电池样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中所述氢氟酸浓度为5％，浸泡时间为30秒。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中所述等离子体辅助化学气相沉积方法，其采用的设备的射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，氢气流量为24sccm，反应时间80秒至120秒，反应气压力为100Pa，腔室温度为170℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中所述氢气和硅烷的体积比为氢气∶硅烷气体＝24∶6，其中射频频率为13.56MHz，射频功率为6w，反应时间30秒至60秒，反应气压力为133Pa，腔室温度为170℃，得到厚度为5nm至10nm的本征非晶硅层。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4中所述氢气、硅烷及硼烷的体积比为氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶1∶(2-3)，反应时间3分钟至4分钟，反应气压力为266Pa。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中所述掺锡氧化铟透明薄膜电极，其厚度为300纳米至500纳米。