CN103915523B - 一种含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，该方法在沉积有双面本征非晶硅钝化层I的衬底C的一面沉积非晶硅背场N，而后于N的相对面上在较低掺杂浓度、氢稀释、功率密度的条件下制备结构均匀的非晶硅层P2，再通过提高掺杂浓度、氢稀释、功率密度的条件制备结构均匀的纳米晶硅层P1，两层硅薄膜构成的非晶硅/纳米晶硅复合结构作为硅异质结太阳电池的发射层。该结构可以使材料具有高透过率，高电导的特性，在此基础上也可以改善晶体硅表面的钝化效果，实现提高电池短波响应与输出特性的目的，且其制备方法简单，易于实施。
Description
技术领域
本发明涉及硅异质结太阳电池的制备方法，特别涉及一种含P型非晶硅/纳米晶硅复合发射层的太阳电池制备方法。
背景技术
光伏发电是国际公认的解决能源缺乏与环境污染问题的有效途径之一。光伏发电的载体是太阳电池，而能使太阳电池成为未来能源重要组成部分的关键是要将光伏发电成本降到与常规能源相当。硅异质结太阳电池因其转换效率高，制备过程低耗能，生产成本较为廉价等优点受到广泛关注。
硅异质结太阳电池通常采用掺杂的a-Si:H薄膜作为电池的发射层，相比于传统的单晶硅太阳电池，硅异质结太阳电池具有更高的开路电压。发射层材料质量的优劣直接决定电池的转换效率：一方面，发射层需要有较高的有效掺杂为电池提供足够的内建电场，减少电池的串联电阻；另一方面，作为窗口层材料也需要发射层具有较宽的带隙以降低材料的寄生吸收，提高电池的短波响应。
然而，若直接采用重掺杂的a-Si:H材料作为电池的发射层，由于其体内缺陷较多，吸收系数高，导致硅异质结太阳电池的寄生吸收较大，电池的短波响应并不高，降低了短路电流密度。而宽带隙的nc-Si:H薄膜虽然具有较宽的带隙和较高的透过率，但其高氢稀释和高功率制备条件中具有大量的高能粒子，这些高能粒子轰击本征a-Si:H薄膜会劣化薄膜的微结构，降低了本征a-Si:H薄层的钝化效果，使电池的开路电压有所降低。因此，理想的发射层应在降低电池的串联电阻和寄生吸收，增强电池p-n结内建电场的同时又不影响本征a-Si:H对c-Si钝化特性，从而提高硅异质结太阳电池的转换效率。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的问题，通过在太阳电池中引入宽带隙的nc-Si:H材料与a-Si:H构成非晶硅/纳米晶硅复合结构作为硅异质结太阳电池的发射层，以实现在保证材料高透过率的基础上，改善c-Si表面的钝化效果，实现提高电池输出特性与短波响应的目的，且其制备方法简单，易于实施。
本发明的技术方案：
本发明提供的硅异质结太阳电池，由正面金属栅线电极M1、透明导电薄膜T、p型发射层P、本征a-Si:H钝化层I、衬底C、背场N、背电极M2组成。衬底C既可以是p型掺杂也可以是n型掺杂，硅异质结太阳电池复合发射层，由硅薄膜P1和P2两层构成，其中P1层为具有宽带隙高电导的nc-Si:H薄膜，P2层为具有低掺杂低缺陷密度的a-Si:H薄膜材料，P1层的厚度控制在10-25nm，电导率为10-2S/cm量级，光学带隙宽度为2.05-2.2eV。P2层的厚度控制在1-10nm左右，电导率为10-7S/cm量级，光学带隙宽度为1.91-1.95eV。发射层的制备所需的三种气源如下：硅烷类源气体SiH4、Si2H6或Si3H8中的一种，掺杂气体TMB为BF3、B(CH3)、PH3或B2H6中的一种和稀释气体H2。
其具体制备方法包括以下步骤：
1）将衬底C放置于具有高真空度的沉积系统中，衬底温度为140℃的条件下在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2）将以上制备待处理样品放置在沉积p型发射层的腔室中，腔室的本底真空度为10-6Pa，沉积温度为180℃，控制反应气体压强为1.5-2Torr，辉光功率密度控制在40~120mW/cm2，三种气体的流量之比为[硅烷类]:[H2]:[TMB]=1:120:1~1:120:2.5，此时制备出高质量p型a-Si:H薄膜，即P2层。
3）采用原位沉积的方法，将辉光功率密度调整为120~160mW/cm2，三种气体的流量之比为[硅烷类]:[H2]:[TMB]=1:160:1-1:160:1.5，保证其他沉积条件不变，制备出p型nc-Si:H薄膜，即P1层。
所述气相沉积系统所使用的沉积设备为：13.56MHz-100MHz等离子体增强型化学气相沉积设备、微波等离子体化学气相沉积设备、热丝化学气相沉积设备或电子回旋共振化学气相沉积设备。所述电池的衬底可为抛光片，也可以为制绒片，可采用单晶硅或者多晶硅作为衬底。
本发明的优点和积极效果：
本发明通过引入宽带隙的p型nc-Si:H材料与p型a-Si:H构成a-Si:H/nc-Si:H复合结构作为n型硅异质结太阳电池的发射层，降低电池的串联电阻和寄生吸收，增强内建电场，降低能p/i界面能带失配；同时又不影响本征a-Si:H对c-Si钝化特性，增加电池的短波响应，提高了电池的转换效率，其在400nm处的光谱响应可达到60%-80%。
本发明的机理分析：
本发明所述含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法是在具有双面本征a-Si:H钝化层I和背场N的待处理样品上面，首先通过控制相对较低的辉光功率和的氢稀释制备出低掺杂的a-Si:H薄膜P2，此层薄膜的厚度较薄。之后通过提升沉积过程中的辉光功率和氢稀释制备一层nc-Si:H薄膜P1，与之前沉积的P2层共同构成了p型复合发射层，之后在前面蒸发透明导电薄膜T、最后在电池正反面分别制备金属电极M1和M2，构成硅异质结太阳电池。本发明首先采用相对较低的辉光功率和的氢稀释制备较薄的P2层，由于掺杂较低，故此层薄膜中缺陷态密度较低，可以有效抑制c-Si中少数载流子通过缺陷辅助隧穿在发射层/钝化层界面的复合，确保本征a-Si:H薄膜的钝化效果不受后续nc-Si:H发射层沉积工艺的影响。此外，由于P2层带隙宽度大于前面的本征a-Si:H钝化I层1.8eV的带隙宽度，可以实现与后续宽带隙nc-Si:H薄膜P1良好的带隙匹配。而后续通过增加辉光功率与氢稀释制备具有更宽带隙的nc-Si:H具有较高的电导率和较宽的带隙宽度，一方面通过提高材料的有效掺杂和晶化率可以增加电池p-n结内建电场，有利于载流子在空间电荷区的分离，提高电池开路电压。另一方面，采用高电导率宽带隙的材料提高的电池的短波响应，进而增加了电池的短路电流密度，也会改善与TCO层的接触特性。本发明所述非晶硅/纳米晶硅复合发射层的制备方法，兼顾现有的CVD工艺与硅异质结太阳电池制备工艺，可以通过调节沉积工艺中相关参数实现提高电池转换效率的目的。
附图说明
图1传统的硅异质结太阳电池结构示意图。
图2为带有本发明的p型复合发射层的硅异质结太阳电池结构示意图。
图3为分别采用a-Si:H、nc-Si:H以及本发明的复合发射层所制备的硅异质结太阳电池量子效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细说明。
实施例1：
1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2.将待处理样品移入13.56MHz的PECVD腔室中，腔室本底真空度10-6Pa,待处理样品表面温度为180℃，通入反应气体，反应气体中源气体为SiH4；稀释气体为H2；掺杂气体为TMB；反应气体压强为1.5Torr，腔室电极间距为20mm。
3.调节辉光功率密度到80mW/cm2，各种气体的流量之比从[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:120:1，辉光沉积一层5nm的a-Si:H薄膜P2。
4.将辉光功率密度调节为160mW/cm2，各种气体的流量之比为[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:160:1，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
该种a-Si:H与nc-Si:H的复合发射层应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为62%。
实施例2：
1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2.将待处理样品移入13.56MHz的PECVD腔室中，腔室本底真空度10-6Pa,待处理样品表面温度为180℃，通入反应气体，反应气体中源气体为SiH4；稀释气体为H2；掺杂气体为TMB；反应气体压强为2Torr，腔室电极间距为20mm。
3.调节辉光功率密度到40mW/cm2，各种气体的流量之比从[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:120:2，辉光沉积一层5nm的a-Si:H薄膜P2。
4.将辉光功率密度调节为120mW/cm2，各种气体的流量之比为[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:160:1，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
该种a-Si:H与nc-Si:H的复合发射层应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的光电响应为65%。
实施例3：
1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2.将待处理样品移入13.56MHz的PECVD腔室中，腔室本底真空度10-6Pa,待处理样品表面温度为180℃，通入反应气体，反应气体中源气体为SiH4；稀释气体为H2；掺杂气体为TMB；反应气体压强为2Torr，腔室电极间距为20mm。
3.调节辉光功率密度到40mW/cm2，各种气体的流量之比从[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:120:2.5，辉光沉积一层10nm的a-Si:H薄膜P2。
4.将辉光功率密度调节为120mW/cm2，各种气体的流量之比为[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:160:1.5，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
该种a-Si:H与nc-Si:H的复合发射层应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的响应为60%。
实施例4：
1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2.将待处理样品移入13.56MHz的PECVD腔室中，腔室本底真空度10-6Pa,待处理样品表面温度为180℃，通入反应气体，反应气体中源气体为SiH4；稀释气体为H2；掺杂气体为TMB；反应气体压强为2Torr，腔室电极间距为20mm。
3.调节辉光功率密度到120mW/cm2，各种气体的流量之比从[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:120:2.5，辉光沉积一层10nm的a-Si:H薄膜P2。
4.将辉光功率密度调节为120mW/cm2，各种气体的流量之比为[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:160:1.5，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
该种a-Si:H与nc-Si:H的复合发射层应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的响应为61%。
实施例5：
1.将N型<100>晶向的制绒Cz硅片衬底放置于具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片正反表面沉积一层本征非晶硅I层，之后选定一面沉积n型非晶硅背场N，则另一面预备沉积p型发射层。
2.将待处理样品移入13.56MHz的PECVD腔室中，腔室本底真空度10-6Pa,待处理样品表面温度为180℃，通入反应气体，反应气体中源气体为SiH4；稀释气体为H2；掺杂气体为TMB；反应气体压强为2Torr，腔室电极间距为20mm。
3.调节辉光功率密度到40mW/cm2，各种气体的流量之比从[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:120:1，辉光沉积一层5nm的a-Si:H薄膜P2。
4.将辉光功率密度调节为120mW/cm2，各种气体的流量之比为[SiH4]:[H2]:[TMB]=1:160:1.5，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
该种a-Si:H与nc-Si:H的复合发射层应用到硅异质结太阳电池的制备过程中，得到硅异质结太阳电池在400nm波长处的响应为78%。
图3为采用p型a-Si:H、nc-Si:H以及复合材料作为发射层制备的硅异质结太阳电池的外量子效率图，相应于单一a-Si:H或nc-Si:H材料的发射层，p型复合发射层对提高电池的短波响应具有明显的效果。
综上，本发明提供了一种含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，该方法与硅异质结太阳电池制备工艺完全兼容，普遍适用于单晶硅、多晶硅基异质结太阳电池的制备，方法简单易于实现，便于工业化生产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，包括步骤有:（1）在衬底C相对的两面沉积上本征非晶硅钝化层I，（2）选定其中一面，在本征非晶硅钝化层I上沉积非晶硅背场的N，（3）在另一面的本征非晶硅钝化层I上沉积发射层，（4）在发射层上沉积透明导电薄膜T，（5）分别在透明导电薄膜T和非晶硅背场的N表面上设置电极M1和M2，其特征在于，所述的发射层的沉积按先后顺序包括与衬底C掺杂类型不同的轻掺杂非晶硅层P2的沉积和与衬底C掺杂类型不同的纳米晶硅P1层的沉积。
2.根据权利要求1所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述非晶硅层P2的厚度为1~10nm，纳米晶硅层的厚度为10~25nm。
3.根据权利要求1所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的非晶硅发射层的沉积的工艺步骤为：将待处理样品置于高真空度沉积设备中，腔室本底真空度为10-6Pa条件下，维持待沉积表面温度为180℃，通入源气体硅烷类、稀释气体H2、掺杂气体TMB，控制反应气体压强为1.5~2Torr，腔室电极间距为20mm，调节辉光功率密度到40~120mW/cm2，三种气体的流量之比为[硅烷类]:[H2]:[TMB]=1:120:1~1:120:2.5，辉光沉积一层5nm的a-Si:H薄膜P2，再将辉光功率密度调节为120~160mW/cm2，三种气体的流量之比为[硅烷类]:[H2]:[TMB]=1:160:1~1:160:1.5，辉光沉积一层15nm的nc-Si:H薄膜P1。
4.根据权利要求1所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）、（2）、（3）均在具有高真空度的等离子体增强型化学气相沉积系统中完成。
5.根据权利要求1所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的衬底C可为单晶硅或者多晶硅衬底。
6.根据权利要求4所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的衬底C为抛光片或者制绒衬底。
7.根据权利要求4所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述气相沉积系统所使用的设备为：13.56MHz~100MHz等离子体增强型化学气相沉积设备、微波等离子体化学气相沉积设备、热丝化学气相沉积设备或电子回旋共振化学气相沉积设备。
8.根据权利要求3所述的含复合发射层硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述的硅烷类源气体SiH4、Si2H6或Si3H8中的一种；掺杂气体TMB为BF3、B(CH3)或B2H6中的一种。
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