CN1697201A - 硅薄膜太阳电池用p型窗口层及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及硅薄膜太阳电池的窗口层，特别是p型窗口层的结构和制备技术，属于新能源中薄膜太阳电池的技术领域。硅薄膜太阳电池用p型窗口层，由透明衬底、透明导电薄膜、p型窗口层等组成，其特点在于：P层分为P1和P2两层，P1层是具有高晶化率宽带隙纳米硅的薄膜，厚度比P2层要薄一个数量级。在设计p型窗口层时，采用双层p型掺杂层结构。调控两层的晶化率、掺杂浓度与厚度，来达到晶化和掺杂效果分别完成、最终合成一致达到高电导、高晶化率同时得以满足的效果，为随后微晶硅有源层的生长提供良好晶化基础，并以高电导的p型掺杂提供高开路电压和低的串联电阻，从而在保证稳定性基础上提高电池效率，有利展示薄膜电池低成本的优势。

Description

硅薄膜太阳电池用p型窗口层及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅基薄膜太阳电池的窗口层，特别是p型窗口层的结构和制备技术，属于新能源中薄膜太阳电池的技术领域。
背景技术
能源是一个国家能得以发展的动力。在化石能源日益趋于枯竭的时代，新型可替代能源的研究，将是能使国民经济持续发展的保障和显示国力的标志。本发明涉及一种硅薄膜太阳电池用p型窗口层的新结构及相应制备技术，可以同时提高电池的光电转换效率和稳定性，降低成本，属于新能源中薄膜太阳电池的技术领域。
非晶硅薄膜太阳电池的优势是成本低，因为其生产制造工艺简单、省材、便于大面积连续化生产。但是非晶硅薄膜太阳电池的低效率和因光致衰退效应导致的稳定性问题，又在很大程度上抵销了硅基薄膜电池低成本的优势。采用甚高频等离子增强化学气相沉积(VHF-PECVD，激发频率13.56-100MHz)或射频高压等离子增强化学气相沉积(RFHP-PECVD，激发频率13.56MHz，气压0.5Torr以上)技术制备微晶硅薄膜，并由此制备的微晶硅薄膜太阳电池从原理上可以基本消除光致衰退的问题，同时可以拓展对太阳光谱的长波响应提高电池的光电转换效率。
在p-i-n型微晶硅薄膜太阳电池中，P层作为电池的窗口层，对电池性能有重要影响。P型a-SiC:H作为窗口材料在p-i-n型非晶硅薄膜太阳电池中被广泛使用。其光学带隙最大可以达到～2.8eV，但其电导率(σ)一般只有10-6S/cm，比微晶硅p层要低3-5个数量级。因此，对于微晶硅薄膜太阳电池来说，P型a-SiC:H作为电池窗口层材料，光学带隙可满足要求，但对电池内阻及稳定性带来的影响将不容忽视，因而限制了P型a-SiC:H在微晶硅薄膜太阳电池中的应用。
采用PECVD技术，通过高氢稀释硅烷(SC＝[SiH4]/([SiH4]+[H2])≤1％，高沉积功率(≥0.76W/cm2)可以获得p型纳米薄膜材料。这种技术对非晶硅薄膜太阳电池很有使用价值，而在微晶硅薄膜太阳电池中，所需的p层材料厚度只有20-30nm。因而，这样的纳米材料难于获得微晶电池所需要的晶化率，这是因为随后沉积的有源区——本征微晶硅要在p型窗口材料上进行生长。若所生长的p材料晶化率不高，则在其上生长的本征微晶硅，起始孵化层的晶化率也受到影响。这将直接影响电池的p/i界面特性，而该界面特性是影响微晶硅薄膜太阳电池性能的关键；同时还会严重影响有源区的材料结构和光电特性，而微晶硅有源层是获得高效、高稳定微晶硅电池的根本。所以我们说，P型窗口层对制备高效、高稳定硅薄膜太阳电池来说，具有举足轻重的作用。而至今我们在微晶硅电池的报道中，很少见到能同时满足窗口特性又不影响微晶硅有源层特性的P型窗口层的制备技术。
发明内容
发明目的，制备高晶化率、高电导率的p型窗口层，是制备高效、低成本微晶硅薄膜太阳电池的关键技术之一。本发明的目的在于提出一种制备高晶化率、高电导率的硅薄膜太阳电池用p型窗口层的结构和制备技术，以期同时提高太阳电池的光电转换效率和稳定性，真正达到更进一步降低生产制造成本。
本发明的技术方案：硅薄膜太阳电池用p型窗口层，由透明衬底G、透明导电薄膜T、p型窗口层P、本征有源区I、N+区N、背电极M组成，其特点在于：P层分为P1和P2两层，P1层是具有高晶化率宽带隙纳米硅的薄膜，厚度比P2层要薄一个数量级；P2层是厚度为10nm-40nm的高电导率的宽带隙p型微晶硅材料。
薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法包括3个步骤。
本发明的有益效果是：通过控制p型窗口层的结构(双层的几何结构、晶化结构)以及调控掺杂剂的改变方式，达到窗口层的高晶化率、高电导，完全满足微晶硅薄膜电池窗口层的要求。对随后的本征微晶硅有源层奠定了好的晶化基础，方便调制本征层的晶化程度和特性，有利于提高电池效率。同时，由于避免了常规碳掺杂导入的对稳定性的影响，能保证达到既提高电池的光电转换效率又保障稳定性的双重目的。从而可以真正展示薄膜电池低成本的优势。
附图说明
图1：一般的微晶硅薄膜太阳电池结构示意图
图2：带有两层p窗口层的本发明微晶硅薄膜太阳电池结构示意图
图中G：透明衬底  T：透明导电薄膜  P：p型窗口层  P1：第1层p层  P2：第2层p层  I：本征有源区  N：N+区  M：背电极
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：采用本发明的硅薄膜太阳电池，由透明衬底G、透明导电薄膜T、p型窗口层P、本征有源区I、N+区N、背电极M组成，其特点在于：P层分为P1和P2两层，P1层是具有高晶化率宽带隙纳米硅的薄膜，厚度比P2层要薄一个数量级；P2层是厚度为10nm-40nm的高电导率的宽带隙p型微晶硅材料。
薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法，它包括下属3个步骤：
1)将带有T的玻璃衬底G放在真空室内，本底真空低于10-3托；
2)采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积P1和P2薄膜，所用辉光激励频率为：13.56MHz-100MHz：
3)向反应室通入反应气体为：硅烷、氢气、硼烷或三甲基硼，P1和P2薄膜反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1托(Torr)以上；
辉光功率密度：40毫瓦(mW)-500毫瓦(mW)；
衬底表面温度：100-260℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))％≤5％；
含硼气体与硅烷之比(硼掺杂剂浓度)：BS≤3％。
通过调节硼掺杂剂浓度，使P2层的BS比P1层的要高一个数量级及以上。
本发明采用不同频率的PECVD技术制备高晶化率、高电导率的p型窗口层。所使用的反应气源为：以氢稀释的硅烷类气体为主，以不同的含硼的有机类气体或用惰性气体携带的含硼的液态化合物作为掺杂剂。所使用的衬底是镀有透明导电薄膜T(如ZnO、SnO2、SnO2/ZnO复合膜等)的厚0.5毫米-8毫米(mm)玻璃衬底G。背电极由Ag、Al、ZnO等金属材料和ZnO组合而成。
本发明的高晶化率、高电导的p型窗口层的结构是采用双层p型结构。这两个p层有多点不同。
本发明的高晶化率、高电导的p型窗口层的制备工艺是：控制这两层的晶化率、掺杂浓度与厚度是不同的。
靠近衬底的P1具有高晶化率，高于随后第二层的晶化率。
P1层的掺杂浓度小于P2层的掺杂浓度，相差几倍及以上。
P1层的厚度远小于P2层的厚度，相差约一个数量级及以上。
这种改变掺杂剂的方法与常规使用的方法不同。常规思路是为了避免硼掺杂对后续本征层的影响，通常采用的是逐步减小硼掺杂的方法。而我们的掺杂剂浓度，在第二层比第一层是增加的。这正是我们特点所在。
我们新的制备方法，是P1层通过协同调控氢稀释率与沉积气压等，并降低掺杂剂，达到高晶化率下适当高的电导率。在P2层，在已经很高晶化率但是很稀薄的P1作起始晶化层的基础上，用比P1层高得多的掺杂剂，以达到提高电导率的目的。这样可以在高晶化起始层的前提下，抑制了硼对降低晶化率的作用，仍然能保证整个窗口层在高电导的前提下有高的晶化率，并为后续的本征层提供良好的晶化籽晶的基础。有利于减薄或消除微晶硅有源层生长初期通常会出现的起始非晶硅孵化层，这样基本无需考虑p层带来的影响，从而有利于改善p/i界面。结果提高电池填充因子和电流，以及开路电压，进而电池效率会全面的提高。
我们在两层p层薄、厚控制上的巧妙之处，则是将电导比P2层低的P1层做的很薄，这样基本不会引入串联电阻。
我们采用双层的目的，是使用不同的层达到高晶化和高电导不同的目的。也就是说，利用P1层达到提高自身晶化率的同时，以保障下层也能有足够的晶化前提。P2层在P1层提供高晶化率前提下，抑制硼减小晶化率的作用，保证了高晶化率与电导率。
总之，我们新方法的特点，是打破常规的制备误区，利用基本物理概念与良好的匹配制备技术，达到p层高电导、高晶化率的窗口层目的。
实施例1
在Corning7059玻璃衬底上，采用硅烷、氢气、硼烷作为反应源气体，通过VHF-PECVD方法，辉光激发频率为60MHz，按照本专利薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法中所包括的步骤选择沉积工艺参数，制备微晶硅p层材料，在厚度为20-30nm的前提条件下，其电导可在10-1s/cm的量级上，晶化率达40％-50％。
实施例2
在覆有ZnO透明导电薄膜的玻璃衬底上，采用硅烷、氢气、硼烷和磷烷作为反应源气体，通过VHF-PECVD方法，辉光激发频率为60MHz，按照本专利薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法中所包括的步骤选择沉积工艺参数，按说明书附图2所示的步骤，制备p型窗口层及微晶硅薄膜太阳电池。在电池面积为0.253平方厘米情况下，所制备的单结pin型微晶硅薄膜太阳电池效率达到9.2％(进行J-V测试时，所用的光强为AM1.5，100mW/cm2)。

Claims (3)

1.一种硅薄膜太阳电池用p型窗口层，由透明衬底(G)、透明导电薄膜(T)、p型窗口层(P)、本征有源区(I)、N+区(N)、背电极(M)组成，其特征在于：P层分为P1和P2两层，P1层是具有高晶化率宽带隙纳米硅的薄膜，厚度比P2层要薄一个数量级；P2层是厚度为10nm-40nm的高电导率的宽带隙p型微晶硅材料。
2.一种硅薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法，其特征在于它包括下属步骤：
1)将透明衬底G放在真空室内，本底真空低于10-3托；
2)采用等离子增强化学气相沉积方法沉积P1和P2薄膜，所用辉光激励频率为：
13.56MHz-100MHz；
3)向反应室通入反应气体为：硅烷、氢气、硼烷、三甲基硼，P1和P2薄膜反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1托以上；
辉光功率密度：40毫瓦-500毫瓦；
衬底表面温度：100-260℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))％≤5％；
含硼气体与硅烷之比(硼掺杂剂浓度)：BS≤3％。
3.根据权利要求2所述的硅薄膜太阳电池用p型窗口层的制备方法，其特征在于：通过调节硼掺杂剂浓度，使P2层的BS比P1层的要高一个数量级及以上。
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