CN104319295A - 一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高效硅基薄膜太阳电池领域,具体为一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法。本发明采用已制备好的子电池基底,对其进行清洗处理;首先,以高纯石英靶为靶材,溅射一层硅氧薄膜;然后抽真空除氧,以金属铝靶为靶材,继续在硅氧薄膜层上溅射一层铝膜;接着以高纯石英靶为靶材,继续在金属铝膜上溅射一层硅氧薄膜;最后,将制备好的薄膜放入快速退火炉中退火。这种方法将在叠层电池的子电池之间制备一层既具有选择性反射作用,又具有高缺陷态密度的隧穿反射层,此层薄膜兼具了中间层的光学优点和隧道结的电学性能,具有宽带隙、高电导率、低折射率、高缺陷态密度等特点,能有效地提高硅基薄膜叠层太阳电池的转换效率和稳定性。

Description

一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法,属高效硅基薄膜太阳电池领域。 
背景技术
非晶硅(a-Si:H)薄膜是硅基薄膜太阳电池的基础材料,具有光吸收系数大、折射率高和热性能良好等优点。应用于太阳电池时,所需薄膜的厚度仅为晶硅的1%左右,非晶硅太阳电池既可采用玻璃等衬底,又可采用不锈钢、钛箔、铝箔和塑料等柔性衬底,因而可做成柔性太阳电池。但非晶硅薄膜太阳电池存在光致衰减(S-W)效应,制约了其规模应用。非晶硅/微晶硅(a-Si:H/μc-Si:H)叠层电池,简称非/微叠层电池,由不同带隙的a-Si:H顶电池与μc-Si:H底电池串联而成。这种叠层结构既能拓宽电池的光谱响应范围,提高太阳光谱的利用率,又能降低不稳定的非晶硅顶电池的厚度,抑制光致衰减效应,从而改善太阳电池的整体稳定性。然而,叠层结构并不是子电池的简单串联,其总电池的电流往往取决于较小的非晶硅顶电池电流。因此,叠层结构应重点考虑:(1)各子电池的最大电流需尽量匹配;(2)各子电池之间的隧道结(Tunnel Recombination Junction,TRJ)应具有较小的电学损失与光学损失。 
针对电流匹配,人们研究了子电池本征吸收层的厚度比,在最佳厚度比值下子电池的电流可获得良好匹配,例如:非晶硅本征层厚度一般为150-200nm,微晶硅本征层厚度一般为2μm。为了增加电池稳定性,降低光致衰减效应,人们还研究了中间反射层(Intermediate Reflector Layer,IRL)的作用,以在降低本征非晶硅厚度的同时,保持最大的匹配电流;针对电学损失和光学损失,人们研究了子电池界面处的隧道结,由于隧道结相对电池内建电场为反偏结,任何寄生势垒都将使电池的电流电压特性变差,若结处的光生电子与空穴能完全复合,就不会产生寄生势垒而削减子电池的电场。目前,人们对叠层结构的上述两方面研究尚独立进行:具有选择性反射作用的中间反射层是基于光学的反射与透射原理;而具有较大缺陷态密度的隧道结是基于电学的隧穿复合理论。因此,其研究成果难以大幅提高叠层太阳电池的性能。综合考虑叠层结构的子电池界面对整个电池的光学性能和电学性能的影响,结合中间反射层的作用与隧道结的原理,在子电池界面处制备一层既具有选择性反射作用,又具有高缺陷态密度的薄膜,称此兼具陷光性能和隧穿性能的薄膜为隧穿反射层(Tunnel Recombination Reflector,TRR),以改善硅基薄膜叠层太阳电池的电流匹配度,降低光学损失与电学损失,提高电池的光电转换效率和稳定性。 
近年来,人们对硅基叠层太阳电池子电池之间的插入层已有了一定的研究。如:中国科学院半导体研究所的专利(申请号:200910078560.8)硅基薄膜叠层太阳能电池隧道结的制作方法,其特征是插入层为具有较高复合速率的复合层材料,非晶纳米硅复合层。此插入层考虑了隧道结处的隧穿性能,但没有考虑光学性能;湖南共创光伏科技有限公司的专利(申请号:CN201320698865.0)一种电池用复合中间反射层以及多结叠层硅基薄膜电池,其特征是该复合中间反射层是包括至少一层n型SiOx或SiNx膜层的多层膜结构,与每层中间反射层相邻的前一层和后一层均为不含氧或氮的n型硅薄膜掺杂层,通过调节O或N含量来调节膜层折射率以适应不同的陷光要求。此插入层考虑了各子电池交界处的光学性能,但没有考虑隧道结的隧穿性能;景德镇陶瓷学院的专利(申请号:201010045857.7)一种具有掺杂中间层结构的非晶/微晶硅叠层太阳电池及其制造方法,采用中间层为n+-ZnO:Al/p+-μc-Si:H薄膜结构的重掺杂n+p+隧道结来串联顶电池和底电池,虽然此插入层兼顾了陷光性能和隧穿性能,但由于插入层为制备方法不同的两层薄膜组成,不仅工艺更为复杂,而且引入了更多的界面态。鉴于此,本专利发明了一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法,所制备的插入层薄膜带隙宽、折射率低、电导率高、缺陷态密度大,同时兼具中间层的光学优点与隧道结的电学特点,能有效地提高叠层电池的转换效率和稳定性。 
发明内容
针对背景技术提出的问题,本发明提供了一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法,这种方法将制备一层既具有选择性反射作用,又具有高缺陷态密度的薄膜,此隧穿反射层兼具了中间反射层的光学优点和隧道结的电学特点,具有宽带隙、高电导率、低折射率、高缺陷态密度等特点,能有效地提高硅基薄膜叠层太阳电池的转换效率和稳定性。 
本发明提供的一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法,其技术方案包括:在已制备的子电池上溅射硅氧薄膜;在硅氧薄膜上溅射金属铝膜;在金属铝膜上溅射硅氧薄膜;退火。具体为: 
A)    采用已制备好的子电池为基底,先对其进行清洗处理,而后用N2吹干;
B)     以高纯石英靶为靶材,用射频电源溅射一层硅氧薄膜;
C)    抽真空除氧后,以金属铝靶为靶材,继续在硅氧薄膜层上溅射一层Al膜;
D)    以高纯石英靶为靶材,继续在金属Al膜上溅射一层硅氧薄膜;
E)     将制备好的薄膜放入RTP快速退火炉中,N2气氛下快速退火。
所述步骤(A)具体为:已制备好的子电池基底可选用基于玻璃衬底的非晶硅顶电池或基于柔性衬底的微晶硅底电池,采用无水乙醇及去离子水各超声清洗15min,而后用N2吹干; 
所述步骤(B)具体为:在磁控溅射腔室中,通入溅射气体Ar气,以纯度为99.999%的SiO2靶为靶材,在射频电源功率100~150W下溅射20~40min;
所述步骤(C)具体为:以纯度为99.99%的金属Al靶为靶材,在预先抽好真空的腔室中通入溅射的Ar气,将溅射调节功率至60W~74W,预溅射后继续在硅氧薄膜上溅射一层Al膜,时间为20~30s;
所述步骤(D)具体为:打开射频电源,调节功率至100W~150W,以纯度为99.999%的SiO2靶为靶材,继续在金属Al膜上溅射20~40min;
所述步骤(E)具体为:将制备好的薄膜放入RTP快速退火炉中,N2气氛下500~600℃快速退火20min。
 附图说明:
图1为本发明提出的一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层制备方法的流程图;
图2为本发明提出的包含隧穿反射层的硅基薄膜叠层太阳电池的结构图;
图3为本发明提出的隧穿反射层的工作原理图。
具体实施方式:
实施例1
本实施例按以下步骤:
利用三室等离子体增强气相化学沉积(PECVD)镀膜系统,在玻璃衬底上连续制备非晶硅电池P层、I层和N层,取出样品,采用无水乙醇及去离子水各超声清洗15min,而后用N2吹干;
将衬底安装在磁控溅射腔室的衬底靶上,关上腔室门后抽真空至2.0~9.0×10-4pa,关小主阀,调节工作压强为0.5~1.0pa,通入30~80sccm纯度为99.999%的Ar气,挪开衬底挡板,以高纯石英靶为靶材,在射频电源功率100~150W下溅射20~40分钟,溅射厚度为30~50nm,然后关闭射频电源和Ar气;
将关小的主阀开到最大,将磁控溅射腔室内的真空度抽至2.0~9.0×10-4pa,以除去溅射硅氧薄膜时残留的氧。关小主阀,通入30~80sccm纯度为99.999%的Ar气,将衬底用挡板挡住,打开脉冲电源并调节功率至60~74W,待功率稳定后,挪开衬底挡板,以纯度为99.99%的金属铝靶为靶材,继续在硅氧薄膜层上溅射一层Al膜,时间为20~30s,溅射厚度为15~30nm,然后立即关闭脉冲电源并用挡板挡住衬底;
打开射频电源,调节功率至100~150W,待功率稳定后挪开衬底挡板,以高纯石英靶为靶材,继续在金属Al膜上溅射20~40min,溅射厚度为30~50nm,关闭射频电源和Ar气,待分子泵冷却后取出样品;
将制备好的样品放入RTP快速退火炉中,N2气氛下500~600℃快速退火20min,冷却后取出;
利用三室等离子体增强气相化学沉积(PECVD)镀膜系统,在隧穿反射层上连续制备微晶硅电池P层、I层和N层。
实施例2
本实施例按以下步骤:
利用三室等离子体增强气相化学沉积(PECVD)镀膜系统,在柔性衬底上连续制备微晶硅电池N层、I层和P层。取出样品,采用无水乙醇及去离子水各超声清洗15min,而后用N2吹干;
将衬底安装在磁控溅射腔室的衬底靶上,关上腔室门后抽真空至2.0~9.0×10-4pa,关小主阀,调节工作压强为0.5~1.0pa,通入30~80sccm纯度为99.999%的Ar气,挪开衬底挡板,以高纯石英靶为靶材,在射频电源功率100~150W下溅射20~40分钟,溅射厚度为30~50nm,然后关闭射频电源和Ar气;
将关小的主阀开到最大,将磁控溅射腔室内的真空度抽至2.0~9.0×10-4pa,以去除溅射硅氧薄膜时残留的氧。关小主阀,通入30~80sccm纯度为99.999%的Ar气,将衬底用挡板挡住,打开脉冲电源并调节功率至60~74W,待功率稳定后,挪开衬底挡板,以纯度为99.99%的金属铝靶为靶材,继续在硅氧薄膜层上溅射一层Al膜,时间为20~30s,溅射厚度为15~30nm,然后立即关闭脉冲电源并用挡板挡住衬底;
打开射频电源,调节功率至100~150W,待功率稳定后挪开衬底挡板,以高纯石英靶为靶材,继续在金属Al膜上溅射20~40min,溅射厚度为30~50nm,关闭射频电源和Ar气,待分子泵冷却后取出样品;
将制备好的样品放入RTP快速退火炉中,N2气氛下500~600℃快速退火20min,冷却后取出;
利用三室等离子体增强气相化学沉积(PECVD)镀膜系统,在隧穿反射层上连续制备非晶硅电池N层、I层和P层。

Claims (5)

1.一种硅基薄膜叠层太阳电池隧穿反射层的制备方法,其特征是:“采用已制备好的子电池基底,对其进行清洗处理;以高纯石英靶为靶材,用射频电源溅射一层硅氧薄膜;抽真空除氧后,以金属铝靶为靶材,在硅氧薄膜层上溅射一层铝膜;以高纯石英靶为靶材,再在金属铝膜上溅射一层硅氧薄膜;将制备好的薄膜放入快速退火炉中退火”。
2.根据权利要求1中所述的子电池基底,其特征在于可以是基于玻璃衬底的非晶硅顶电池基底,也可以是基于柔性衬底的微晶硅底电池基底。
3.根据权利要求1中所述的硅氧薄膜,其特征在于以高纯石英靶为靶材,通过控制射频功率、反应气体流量及溅射时间,制备成30~50nm厚的SiOx(1<x<2)。
4.根据权利要求1中所述的铝膜,其特征在于先抽真空除去溅射腔室内残留的氧气,以金属铝靶为靶材,通过控制脉冲功率、反应气体流量及溅射时间,制备成15~30nm厚的Al薄膜。
5.根据权利要求1中所述的退火,其特征在于在RTP快速退火炉中,N2气氛下500~600℃快速退火20min。
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