CN104332512A - 一种微晶硅薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微晶硅薄膜太阳能电池及其制备方法，该电池包括衬底、透明导电薄膜、p型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极，所述p型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。本发明的微晶硅薄膜太阳能电池，在掺杂层与本征层之间设置过渡界面层，改善了电池的界面性能和能带结构，有利于载流子的输出和收集，从而提高了电池的效率。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，具体涉及一种微晶硅薄膜太阳能电池，同时还涉及一种微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术
微晶硅薄膜是介于非晶硅和单晶硅之间的一种混合相无序半导体材料，是由几十到几百纳米的晶硅颗粒镶嵌在非晶硅薄膜中所组成的；它兼备了非晶硅和单晶硅材料的优点，被认为是制作太阳能电池的优良材料。同其它薄膜太阳能电池相比，微晶硅薄膜太阳能电池具有以下应用优势：1)成本低；2)具有较高的电导率、高的吸收系数和无明显光致衰减现象；3)具有易实现大面积制备、集成化等优点；4)在对太阳光谱不同波段的有效光电转换方面与非晶硅薄膜电池可形成很好的互补。
在光伏产业中，晶体硅电池和硅基薄膜电池占据90％以上，而硅基薄膜电池相比于晶体硅电池由于可以大规模连续化生产并且高效等特性受到广泛关注。在玻璃衬底上沉积微晶硅薄膜电池一般采用的都是pin型结构的电池，电池的结构依次为玻璃衬底、透明导电薄膜、p型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型非晶硅或微晶硅层和背反射电极。一般情况下，掺硼的p型微晶硅薄膜窗口层具有较宽的光学带隙，其与本征微晶硅薄膜吸收层之间往往存在着能带之间的失配问题，在p/i界面形成一个带隙突变的异质结，导致界面处缺陷态密度增加，使得界面处电子和空穴复合几率增加，降低电池对光生载流子的收集效率。同样，i/n界面对电池性能也有重要的影响，因为n层掺杂后缺陷态密度增加，在i/n界面处也存在着同样的问题。同时，p型微晶硅薄膜窗口层中的硼与n型非晶硅或微晶硅层中的磷容易扩散进入本征微晶硅薄膜吸收层形成缺陷中心，硼与磷会在界面处堆积影响本征微晶硅薄膜吸收层内电场的均匀分布，从而降低电池的整体性能。
为了改善微晶硅薄膜太阳能电池的界面问题，研究者采用热丝法沉积缓冲层来改善电池的pi界面特性(参见Y.Mai,S.Klein,R.Carius,and H.Stiebig，X.Geng，F.Finger.APPLIEDPHYSICS LETTERS87,073503(2005))，但是这需要引入新的沉积设备进行热丝化学气相沉积，生产成本较高，不易进行工业化生产。专利CN100487926C公开了一种高速沉积微晶硅太阳电池P/I界面的处理方法，采用甚高频先低速沉积一薄膜作为籽晶层然后再高速沉积来改善电池的pi界面，该方法操作复杂，不易控制，且对于界面问题的改善和电池效率的提高有限，还不能满足使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种微晶硅薄膜太阳能电池，解决现有pin结构电池的p/i和i/n界面缺陷和能带失配的问题。
本发明的第二个目的是提供一种微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种微晶硅薄膜太阳能电池，包括衬底、透明导电薄膜、p型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极；所述p型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。
所述衬底为玻璃衬底。
所述pi界面层为具有沿p型微晶硅薄膜窗口层到本征微晶硅薄膜吸收层方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层。
pi界面的硼掺杂梯度是以p型微晶硅薄膜窗口层的硼掺杂量作为最大值，在界面层内依次递减至硼掺杂量为0。
所述pi界面层的厚度为5～20nm。
所述in界面层为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层到n型微晶硅层方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层。
in界面层的磷掺杂梯度是从磷掺杂量为0开始，在界面层内依次递增至与n型微晶硅层的磷掺杂量相等。
所述in界面层的厚度为5～30nm。
所述pi界面层的晶化率为45％～75％；所述in界面层的晶化率为30％～55％。
所述pi界面层的晶化率高于in界面层的晶化率。
一种上述的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
1)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在p型微晶硅薄膜窗口层沉积结束后，保持辉光不断，将通入的掺杂气体切断，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出pi界面层；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积，再通入掺杂气体并逐渐增大流量，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出in界面层。
所述射频等离子体增强化学气相沉积法的反应气体为硅烷和氢气。
步骤1)中所述掺杂气体为硼烷。所述硼烷为乙硼烷(B2H6)。
步骤2)中所述掺杂气体为磷烷(PH3)。
步骤1)中，p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度150～200℃，反应压强100～300Pa，功率为100～200W，硅烷体积浓度为0.5％～2.0％，掺杂气体体积浓度为0.2％～0.8％，气体总流量为100～200sccm；沉积5～10min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积4～10min，在p型微晶硅薄膜窗口层上制得pi界面层。
步骤2)中，制备in界面层的沉积条件为：反应温度150～180℃，反应压强100～150Pa，功率为40～100W，硅烷体积浓度为1.5％～3.0％，气体总流量为100～200sccm；保持上述条件沉积3～12min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在3～5min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为0.5％～1.0％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制得in界面层。
本发明的微晶硅薄膜太阳能电池中，在p型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，pi界面层具有硼掺杂梯度和高晶化率，其对接下来本征微晶硅薄膜的沉积，一是起到作为籽晶层作用，另外可以有效防止硼原子从P型微晶硅薄膜窗口层向型微晶硅薄膜窗口层的扩散，起到自然过渡和作为本征层的诱导层的作用；在本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层，in界面层具有磷的梯度掺杂，一方面可以起到改善界面缺陷作用，另一方面可以和n型微晶硅层的能带形成较好的匹配，改善能带接触特性，同时in界面层的磷梯度掺杂与pi界面层的硼梯度掺杂相对应，更好的改善了能带结构以及在内建电场的作用下能更有效的提供光生载流子；在掺杂层与本征层之间设置过渡区域，改善了电池的界面性能和能带结构，有利于载流子的输出和收集，从而提高了电池的效率。
本发明的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，利用掺杂气体自然过渡的方法，在掺杂层与本征层之间设置界面层，制备了具有梯度掺杂结构的pi界面层和in界面层，改善了电池的界面性能和能带匹配，有利于载流子的输出和收集，从而提高了电池的效率；该方法工艺简单，操作方便，不需要另外的设备投入，成本低，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所得微晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例1所得微晶硅薄膜太阳能电池的I-V特性图；
图3为实施例2所得微晶硅薄膜太阳能电池的I-V特性图；
图4为实施例3所得微晶硅薄膜太阳能电池的I-V特性图；
图5为实施例4所得微晶硅薄膜太阳能电池的I-V特性图；
图6为对比例所得微晶硅薄膜太阳能电池的I-V特性图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池，如图1所示，从下到上依次包括玻璃衬底1、透明导电薄膜2、P型微晶硅薄膜窗口层3、本征微晶硅薄膜吸收层5、n型微晶硅层7和背反射电极8，所述P型微晶硅薄膜窗口层3与本征微晶硅薄膜吸收层5之间设有pi界面层4，所述本征微晶硅薄膜吸收层5与n型微晶硅层7之间设有in界面层6。所述pi界面层4为具有沿P型微晶硅薄膜窗口层3到本征微晶硅薄膜吸收层5方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层；所述pi界面层4的厚度为10nm。所述in界面层6为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层5到n型微晶硅层7方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层；所述in界面层6的厚度为15nm。所述pi界面层4的晶化率为45％；所述in界面层6的晶化率为30％。pi界面层4的晶化率高于in界面层6的晶化率。
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
1)取玻璃衬底，在玻璃衬底上沉积透明导电薄膜；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在织构过的透明导电薄膜上沉积p型微晶硅薄膜窗口层，反应气体为高纯氢气、硅烷，掺杂气体为乙硼烷(B2H6)；
p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度180℃，反应压强266Pa，功率为150W，硅烷体积浓度为1％，掺杂气体体积浓度为0.4％，气体总流量为200sccm；
沉积10min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积5min，采用自然衰减的方式，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出硼掺杂梯度衰减的pi界面层；
3)采用甚高频等离子体增强化学气相沉积法，在pi界面层上沉积本征微晶硅薄膜吸收层，反应气体为硅烷和氢气，激发电源频率为75MHz；
4)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积制备in界面层，反应气体为硅烷和氢气；
制备in界面层的沉积条件为：反应温度180℃，反应压强133Pa，功率为50W，硅烷体积浓度为2％，气体总流量为200sccm；保持上述条件沉积5min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在3min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为0.8％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出磷掺杂梯度增加的in界面层；
5)在in界面层上依次制备n型微晶硅层和背反射电极Al，即得单结微晶硅薄膜太阳能电池。
实施例2
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池，包括衬底、透明导电薄膜、P型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极，所述P型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。所述pi界面层为具有沿P型微晶硅薄膜窗口层到本征微晶硅薄膜吸收层方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述pi界面层的厚度为20nm。所述in界面层为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层到n型微晶硅层方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述in界面层的厚度为20nm。所述pi界面层4的晶化率为75％；所述in界面层6的晶化率为55％。pi界面层4的晶化率高于in界面层6的晶化率。
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
1)取玻璃衬底，在玻璃衬底上沉积透明导电薄膜；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在织构过的透明导电薄膜上沉积p型微晶硅薄膜窗口层，反应气体为高纯氢气、硅烷，掺杂气体为乙硼烷(B2H6)；
p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度150℃，反应压强300Pa，功率为200W，硅烷体积浓度为2％，掺杂气体体积浓度为0.6％，气体总流量为100sccm；
沉积8min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积9min，采用自然衰减的方式，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出硼掺杂梯度衰减的pi界面层；
3)采用甚高频等离子体增强化学气相沉积法，在pi界面层上沉积本征微晶硅薄膜吸收层，反应气体为硅烷和氢气，激发电源频率为75MHz；
4)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积制备in界面层，反应气体为硅烷和氢气；
制备in界面层的沉积条件为：反应温度150℃，反应压强100Pa，功率为60W，硅烷体积浓度为1.5％，气体总流量为150sccm；保持上述条件沉积12min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在4min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为0.8％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出磷掺杂梯度增加的in界面层；
5)在in界面层上依次制备n型微晶硅层和背反射电极Al，即得单结微晶硅薄膜太阳能电池。
实施例3
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池，包括衬底、透明导电薄膜、P型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极，所述P型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。所述pi界面层为具有沿P型微晶硅薄膜窗口层到本征微晶硅薄膜吸收层方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述pi界面层的厚度为15nm。所述in界面层为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层到n型微晶硅层方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述in界面层的厚度为30nm。所述pi界面层4的晶化率为55％；所述in界面层6的晶化率为35％。pi界面层4的晶化率高于in界面层6的晶化率。
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
1)取玻璃衬底，在玻璃衬底上沉积透明导电薄膜；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在织构过的透明导电薄膜上沉积p型微晶硅薄膜窗口层，反应气体为高纯氢气、硅烷，掺杂气体为乙硼烷(B2H6)；
p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度200℃，反应压强100Pa，功率为100W，硅烷体积浓度为0.5％，掺杂气体体积浓度为0.2％，气体总流量为200sccm；
沉积10min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积6min，采用自然衰减的方式，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出硼掺杂梯度衰减的pi界面层；
3)采用甚高频等离子体增强化学气相沉积法，在pi界面层上沉积本征微晶硅薄膜吸收层，反应气体为硅烷和氢气，激发电源频率为75MHz；
4)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积制备in界面层，反应气体为硅烷和氢气；
制备in界面层的沉积条件为：反应温度160℃，反应压强150Pa，功率为100W，硅烷体积浓度为3％，气体总流量为100sccm；保持上述条件沉积10min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在4min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为1.0％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出磷掺杂梯度增加的in界面层；
5)在in界面层上依次制备n型微晶硅层和背反射电极Al，即得单结微晶硅薄膜太阳能电池。
实施例4
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池，包括衬底、透明导电薄膜、P型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极，所述P型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。所述pi界面层为具有沿P型微晶硅薄膜窗口层到本征微晶硅薄膜吸收层方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述pi界面层的厚度为10nm。所述in界面层为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层到n型微晶硅层方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层。所述in界面层的厚度为5nm。所述pi界面层4的晶化率为65％；所述in界面层6的晶化率为50％。pi界面层4的晶化率高于in界面层6的晶化率。
本实施例的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
1)取玻璃衬底，在玻璃衬底上沉积透明导电薄膜；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在织构过的透明导电薄膜上沉积p型微晶硅薄膜窗口层，反应气体为高纯氢气、硅烷，掺杂气体为乙硼烷(B2H6)；
p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度160℃，反应压强200Pa，功率为140W，硅烷体积浓度为1％，掺杂气体体积浓度为0.8％，气体总流量为180sccm；
沉积9min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积4min，采用自然衰减的方式，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出硼掺杂梯度衰减的pi界面层；
3)采用甚高频等离子体增强化学气相沉积法，在pi界面层上沉积本征微晶硅薄膜吸收层，反应气体为硅烷和氢气，激发电源频率为75MHz；
4)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积制备in界面层，反应气体为硅烷和氢气；
制备in界面层的沉积条件为：反应温度150℃，反应压强120Pa，功率为90W，硅烷体积浓度为1.5％，气体总流量为200sccm；保持上述条件沉积5min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在3min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为1.0％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出磷掺杂梯度增加的in界面层；
5)在in界面层上依次制备n型微晶硅层和背反射电极Al，即得单结微晶硅薄膜太阳能电池。
实验例
本实验例对实施例1-4所得单结微晶硅薄膜太阳能电池进行检测，其I-V特性检测结果如表1和图2-6所示。
其中，对比例的单结微晶硅薄膜太阳能电池包括衬底、透明导电薄膜、p型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极，不含有界面层；其余同实施例1。
表1实施例1-4所得单结微晶硅薄膜太阳能电池性能检测结果
从表1和图2-6可以看出：在相同的电池有效面积条件下，实施例1-4的单结微晶硅薄膜太阳能电池，开路电压达到0.635V以上，光电转换效率均超过7％，相对于不含界面层的对比例，具有较高的开路电压的光电转换效率。试验结果表明：本发明的微晶硅薄膜太阳能电池，在掺杂层与本征层之间设置过渡区域，改善了电池的界面性能和能带结构，有利于载流子的输出和收集，从而提高了电池的效率。
Claims (10)
1.一种微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：包括衬底、透明导电薄膜、p型微晶硅薄膜窗口层、本征微晶硅薄膜吸收层、n型微晶硅层和背反射电极；所述p型微晶硅薄膜窗口层与本征微晶硅薄膜吸收层之间设有pi界面层，所述本征微晶硅薄膜吸收层与n型微晶硅层之间设有in界面层。
2.根据权利要求1所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述pi界面层为具有沿p型微晶硅薄膜窗口层到本征微晶硅薄膜吸收层方向依次递减的硼掺杂梯度的微晶硅薄膜层。
3.根据权利要求1或2所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述pi界面层的厚度为5～20nm。
4.根据权利要求1所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述in界面层为具有沿本征微晶硅薄膜吸收层到n型微晶硅层方向依次递增的磷掺杂梯度的微晶硅薄膜层。
5.根据权利要求1或4所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述in界面层的厚度为5～30nm。
6.根据权利要求1、2或4所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述pi界面层的晶化率为45％～75％；所述in界面层的晶化率为30％～55％。
7.根据权利要求6所述的微晶硅薄膜太阳能电池，其特征在于：所述pi界面层的晶化率高于in界面层的晶化率。
8.一种如权利要求1所述的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在p型微晶硅薄膜窗口层沉积结束后，保持辉光不断，将通入的掺杂气体切断，利用反应腔室中剩余的掺杂气体继续沉积至掺杂气体耗尽，在p型微晶硅薄膜窗口层上制备出pi界面层；
2)采用射频等离子体增强化学气相沉积法，在本征微晶硅薄膜吸收层沉积结束后，等离子体起辉后进行沉积，再通入掺杂气体并逐渐增大流量，在本征微晶硅薄膜吸收层上制备出in界面层。
9.根据权利要求8所述的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤1)中，p型微晶硅薄膜窗口层的沉积条件为：反应温度150～200℃，反应压强100～300Pa，功率为100～200W，硅烷体积浓度为0.5％～2.0％，掺杂气体体积浓度为0.2％～0.8％，气体总流量为100～200sccm；沉积5～10min后，p型微晶硅薄膜窗口层的反应结束，保持辉光不断，切断掺杂气体的气路，继续沉积4～10min，在p型微晶硅薄膜窗口层上制得pi界面层。
10.根据权利要求8或9所述的微晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤2)中，制备in界面层的沉积条件为：反应温度150～180℃，反应压强100～150Pa，功率为40～100W，硅烷体积浓度为1.5％～3.0％，气体总流量为100～200sccm；保持上述条件沉积3～12min后，再通入掺杂气体继续沉积，并在3～5min内逐渐增大流量至掺杂气体体积浓度为0.5％～1.0％，在本征微晶硅薄膜吸收层上制得in界面层。
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