CN103590015B - 一种p型掺杂非晶硅薄膜的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法及装置，包括一个真空腔室，真空腔室内设有衬底板，衬底加热器，衬底挡板，真空腔室的底部接有真空泵，真空腔室的上方设有与直流电源电连接的金属钽丝和反应气体的进气通道，真空腔室的侧壁装有热反应蒸发器，热反应蒸发器的出口接有陶瓷坩埚，陶瓷坩埚表面法线与衬底板平面之间的夹角为75~85℃，陶瓷坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，钽丝距衬底板的距离为10~15cm，陶瓷坩埚的外表面缠绕钽丝，陶瓷坩埚内部设置两层开有圆孔的蒸发掩膜板；本发明不存在离子轰击效应，不会造成非晶硅薄膜的膜面损伤及内部缺陷，通过调节热反应蒸发的钽丝温度来控制铝掺杂量的大小，有效控制掺杂浓度。

Description

一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种制备P型掺杂非晶硅薄膜的方法及装置。
背景技术
在硅基薄膜太阳能电池器件中，采用P-I-N型的结构模式，其中P型掺杂的非晶硅窗口层材料的质量对整个硅基薄膜太阳电池的性能具有重要影响，在硅基薄膜太阳电池中，为减小串联电阻和减少入射光的损失，要求P层窗口材料具有高的电导率和宽的光学带隙等，改善P层薄膜材料的光学和电学特性是提高薄膜太阳电池性能的有效途径。通常制备P型非晶硅薄膜的方法是采用等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）或热丝化学气相沉积技术（HWCVD），以硼烷或三甲基硼烷为掺杂源，在气相反应中进行引入硼原子实现P型掺杂的目的。但这一技术中，相比于引入磷烷进行掺杂的N型掺杂效率来说，P型掺杂效率不高，其掺杂薄膜的电导率比相同N型掺杂引入量的电导率要小一个量级，从而影响了P层薄膜的电学特性，尤其是电导率，从而对整个薄膜电池效率的提升设置了一道障碍。所以，为最大限度地提升非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率，我们需要一个更加有效的制备P型非晶硅薄膜的方法，在获得内部缺陷少的P型薄膜的基础上，实现电导率比传统CVD方法制备的薄膜电导率高的目的，进而以其作为非晶硅薄膜的窗口层材料，提升电池的光电转换水平。
发明内容
针对现有技术中通过硼掺杂制备P型非晶硅薄膜的掺杂效率低下的问题，本发明提出一种掺杂效率高、薄膜缺陷低的P型非晶硅薄膜的制备方法及装置，用以硅基薄膜太阳能电池的窗口层材料，实现电池效率的显著提升。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，在真空腔室中设置金属钽丝作为进行化学气相沉积的热催化器，对制备非晶硅薄膜的反应气体进行分解，并将分解物之间反应形成的硅基薄膜沉积在AZO导电玻璃上，其中钽丝与衬底板之间的距离为10~15cm；钽丝的直径为0.5~0.8mm，通过电加热，使钽丝温度为1700~1750℃；在真空腔室中设置一个热反应蒸发器，以铝作为蒸发源，以钽丝缠绕的陶瓷坩埚作为加热体，放置铝的陶瓷坩埚表面法线与衬底板平面之间的夹角为75~85℃，坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，在进行钽丝分解混合气体进行化学气相沉积的同时，控制陶瓷坩埚外壁所缠绕的钽丝温度为1200~1300℃，进行热反应蒸发铝材料，进行非晶硅薄膜的铝掺杂，从而形成P型掺杂的非晶硅薄膜；
所述制备方法包括以下操作步骤：
将AZO导电玻璃放入真空腔室的衬底板上，向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气、硅烷的流量比为（1~1.5）∶1，通过衬底加热器控制衬底板的温度为200℃，对热催化器钽丝通过电加热至1700~1750℃，通过控制反应气体的流量使真空腔室体内反应气体的气压为5~10Pa，然后开启热反应蒸发系统，并调节缠绕在陶瓷坩埚上钽丝的通电电流，使该钽丝温度为1200~1300℃，最后打开磁控溅射靶材制备P型掺杂的非晶硅薄膜。
一种制备P型掺杂非晶硅薄膜的装置，包括一个真空腔室，真空腔室内设有衬底板，衬底加热器，衬底挡板，真空腔室的底部接有真空泵，其特征在于，真空腔室的上方设有与直流电源电连接的金属钽丝和反应气体的进气通道，真空腔室的侧壁装有热反应蒸发器，热反应蒸发器的出口接有陶瓷坩埚，陶瓷坩埚表面法线与衬底板平面之间的夹角为75~85℃，陶瓷坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，钽丝距衬底板的距离为10~15cm，陶瓷坩埚的外表面缠绕钽丝，陶瓷坩埚内部设置两层开有圆孔的蒸发掩膜板。
进一步的，近坩埚口的蒸发掩膜板上开的圆孔数大于近坩埚底的蒸发掩膜板上开的圆孔数。
有益效果：本发明所采用钽丝催化的化学气相沉积技术与热反应蒸镀铝的技术中，均不存在离子轰击效应，不会造成非晶硅薄膜的膜面损伤及内部缺陷，且可以方便地调节热反应蒸发的钽丝温度来控制铝掺杂量的大小，有效控制掺杂浓度，以获得非晶硅薄膜太阳能电池用P型硅薄膜层。现有技术生产的P型非晶硅薄膜，电导率为1~2×10-2S/cm，能带宽度为1.7~1.75eV，采用本发明的方法和装置生产的P型非晶硅薄膜，电导率为5×10-2S/cm~6×10-2S/cmS/cm，能带宽度为1.78~1.84eV。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为陶瓷坩埚内部结构示意图；
图3为陶瓷坩埚外部电路连接图。
具体实施方式
如图1所示，一种制备P型掺杂非晶硅薄膜的装置，包括一个真空腔室1，真空腔室1内设有衬底板5，衬底加热器9，衬底挡板10，真空腔室1的底部接有真空泵11，真空腔室1的上方设有与直流电源4电连接的金属钽丝2和反应气体的进气通道8，真空腔室1的侧壁装有热反应蒸发器7，热反应蒸发器7的出口接有陶瓷坩埚6，陶瓷坩埚6表面法线与衬底板5平面之间的夹角为75~85℃，陶瓷坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，钽丝距衬底板的距离为10~15cm，结合图3所示，陶瓷坩埚6的外表面缠绕钽丝12，钽丝12外接电源，结合图2所示，陶瓷坩埚6内部设置两层开有圆孔的蒸发掩膜板14、15，近坩埚口16的蒸发掩膜板15上开的孔数要多于近坩埚底13的蒸发掩膜板14上开的孔数，使放置于坩埚底13与掩膜板14之间的蒸发源铝材料可以均匀的向坩埚口16外蒸镀铝原子，沉积在导电玻璃上。
实施例1
（1）采用图1所示装置，使钽丝2与衬底板5之间的距离为10cm，陶瓷坩埚6的表面法线与衬底板5平面之间的夹角为80℃，热反应蒸发器7所用的铝源为纯度为99.9999％铝；
（2）将AZO导电玻璃放入真空腔室1内的衬底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器9控制衬底板5的温度为200℃；
（3）向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气和硅烷的流量比为1∶1，对钽丝2施加电压加热，使钽丝2温度达到1750℃，通过气体的流量控制使真空腔室体内反应气体的气压为8Pa，然后开启热反应蒸发器7，并调节缠绕在陶瓷坩埚6上的钽丝12通电电流大小，使得钽丝12温度为1250℃。
（4）在上述沉积条件稳定后，打开磁控溅射靶材和衬底挡板10，制备P型掺杂的非晶硅薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅薄膜的厚度约为600nm。
本实施例制备得到的P型非晶硅薄膜的电导率为5.3×10-2S/cm，能带宽度为1.81eV，可见本发明可以有效地对P型非晶硅薄膜的掺杂效率加以提升，更好地应用于硅基薄膜太阳能电池。
本实施例制备的P型非晶硅薄膜用于P-I-N型单结非晶硅薄膜太阳能电池中，而I型和N型非晶硅薄膜保持为常规不变，以此形成的太阳能电池器件的光电转换效率为8.93%，各种参数如下：VOC=0.94V，JSC=13.52mA/cm2，FF=0.703。
实施例2
（1）采用图1所示装置，使钽丝2与衬底板5之间的距离为12cm，陶瓷坩埚6的表面法线与衬底板平面之间的夹角为75℃，热反应蒸发器7所用的铝源纯度为99.9999％铝；
（2）将AZO导电玻璃放入真空腔室1的衬底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器9控制衬底板5的温度为200℃；
（3）向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气、硅烷的流量比为1.2∶1，对钽丝2施加电压加热，使钽丝2温度达到1700℃，通过气体的流量控制使真空腔室体内反应气体的气压为10Pa，然后开启热反应蒸发器7，并调节缠绕在陶瓷坩埚6上的钽丝12通电电流大小，使得钽丝12温度为1200℃。
（4）在上述沉积条件稳定后，打开磁控溅射靶材和衬底挡板10，制备P型掺杂的非晶硅薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅薄膜的厚度约为600nm。
本实施例制备的P型非晶硅薄膜的电导率为6×10-2S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.79eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到。
本实施例制备的P型非晶硅薄膜用于P-I-N型单结非晶硅薄膜太阳能电池中，而I型和N型非晶硅薄膜保持为常规不变，以此形成的太阳能电池器件的光电转换效率为8.78%，各种参数如下：VOC=0.924V，JSC=13.73mA/cm2，FF=0.692。
实施例3
（1）采用图1所示装置，使钽丝2与衬底板5之间的距离为15cm，陶瓷坩埚6的表面法线与衬底板平面之间的夹角为85℃，热反应蒸发器7所用的铝源纯度为99.9999％铝；
（2）将AZO导电玻璃放入真空腔室1内的衬底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度为1×10-4Pa，并通过衬底加热器9控制衬底板5的温度为200℃；
（3）向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气、硅烷的流量比为1.5∶1，对钽丝2施加电压加热，使钽丝2温度达到1750℃，通过气体的流量控制使真空腔室体内反应气体的气压为5Pa，然后开启热反应蒸发器7，并调节缠绕在陶瓷坩埚6上的钽丝12通电电流大小，使得钽丝12温度为1300℃。
（4）在上述沉积条件稳定后，打开磁控溅射靶材和衬底挡板10，制备P型掺杂的非晶硅薄膜，沉积时间为50分钟，所得的P型非晶硅薄膜的厚度约为600nm。
本实施例制备的P型非晶硅薄膜的电导率为6.5×10-2S/cm，测试方法为霍尔效应测试，能带宽度为1.83eV，测试方法为测试透射吸收谱，通过Tauc拟合法得到。
本实施例制备的P型非晶硅薄膜用于P-I-N型单结非晶硅薄膜太阳能电池中，而I型和N型非晶硅薄膜保持为常规不变，以此形成的太阳能电池器件的光电转换效率为8.59%，各种参数如下：VOC=0.950V，JSC=13.12mA/cm2，FF=0.689。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，在真空腔室中设置金属钽丝作为进行化学气相沉积的热催化器，对制备非晶硅薄膜的反应气体进行分解，并将分解物之间反应形成的硅基薄膜沉积在AZO导电玻璃上，其中钽丝与衬底板之间的距离为10~15cm；钽丝的直径为0.5~0.8mm，通过电加热，使钽丝温度为1700~1750℃；在真空腔室中设置一个热反应蒸发器，以铝作为蒸发源，以钽丝缠绕的陶瓷坩埚作为加热体，放置铝的陶瓷坩埚表面法线与衬底板平面之间的夹角为75~85℃，坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，在进行钽丝分解混合气体进行化学气相沉积的同时，控制陶瓷坩埚外壁所缠绕的钽丝温度为1200~1300℃，进行热反应蒸发铝材料，进行非晶硅薄膜的铝掺杂，从而形成P型掺杂的非晶硅薄膜；
所述制备方法包括以下操作步骤：
将AZO导电玻璃放入真空腔室的衬底板上，向真空腔室同时通入混合反应气体氢气和硅烷，氢气、硅烷的流量比为（1~1.5）∶1，通过衬底加热器控制衬底板的温度为200℃，对热催化器钽丝通过电加热至1700~1750℃，通过控制反应气体的流量使真空腔室体内反应气体的气压为5~10Pa，然后开启热反应蒸发系统，并调节缠绕在陶瓷坩埚上钽丝的通电电流，使该钽丝温度为1200~1300℃，最后打开热反应蒸发器制备P型掺杂的非晶硅薄膜。
2.实施权利要求1所述一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法的制备装置，包括一个真空腔室（1），真空腔室（1）内设有衬底板（5），衬底加热器（9），衬底挡板（10），真空腔室（1）的底部接有真空泵（11），其特征在于，真空腔室（1）的上方设有与直流电源（4）电连接的金属钽丝（2）和反应气体的进气通道（8），真空腔室（1）的侧壁装有热反应蒸发器（7），热反应蒸发器（7）的出口接有陶瓷坩埚（6），陶瓷坩埚（6）表面法线与衬底板（5）平面之间的夹角为75~85℃，陶瓷坩埚口距衬底板的竖直距离为5~8cm，钽丝距衬底板的距离为10~15cm，陶瓷坩埚（6）的外表面缠绕钽丝（12），陶瓷坩埚（6）内部设置两层开有圆孔的蒸发掩膜板（14、15）。
3.根据权利要求2所述实施权利要求1所述一种P型掺杂非晶硅薄膜的制备方法的制备装置，其特征在于，近坩埚口（16）的蒸发掩膜板（15）上开的圆孔数大于近坩埚底（13）的蒸发掩膜板（14）上开的圆孔数。
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