CN203553195U - 渐变带隙纳米硅薄膜 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了渐变带隙纳米硅薄膜，为纳米硅薄膜材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV。本实用新型的渐变带隙纳米硅薄膜用于纳米硅电池的I层（也即光吸收层），充分吸收不同波段的太阳光能，还改善了光生空穴的传输，从而可以有效提高电池的光电转换效率；同时渐变光吸收层结构解决了纳米硅太阳电池开路电压较低的问题，而且渐变结构使其与P层及N层的带隙差别较小，较大程度的解决了P/I、I/N界面的带隙失配问题，避免了异质结的界面效应，降低光致衰退效应，降低成本。

Description

渐变带隙纳米硅薄膜
技术领域
本实用新型涉及硅薄膜太阳能电池领域，特别是渐变带隙的纳米硅薄膜。 
背景技术
硅薄膜太阳电池有原材料消耗少，易于大面积连续化生产，制备过程污染小等优点；是光伏电池的重要发展方向。非晶硅电池存在光致衰退效应，这限制了他的发展，纳米硅（微晶硅）太阳电池的材料有序性好，基本无衰退，并且能和非晶硅电池结合制备叠层电池提高效率，降低成本。现有的纳米硅薄膜太阳能电池不能充分吸收不同波段的太阳光能，电能转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低。 
实用新型内容
本实用新型的目的是解决传统硅薄膜太阳电池转换效率低、光致衰减大及纳米硅太阳电池开路电压与填充因子较低的问题，提供一种新的渐变带隙纳米硅薄膜材料。 
实现本实用新型目的的技术方案是渐变带隙纳米硅薄膜，为纳米硅薄膜材料；所述晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV。 
渐变带隙有多种结构，本实用新型提出四种方案，其中方案一由一个1200nm的渐变带隙形成“C”型渐变结构，带隙从1.7eV递变到1.3eV；纳米硅薄膜晶化率为70%。 
方案二由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。 
方案三由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。 
方案四由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-51%；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51%-40%。 
采用了上述技术方案后，本实用新型具有以下的有益的效果：（1）本实用新型的渐变带隙纳米硅薄膜用于纳米硅电池的I层（也即光吸收层），充分吸收不同波段的太阳光能，还改善了光生空穴的传输，从而可以有效提高电池的光电转换效率，降低光致衰退效应，降低成本；同时，渐变光吸收层结构解决了纳米硅太阳电池开路电压较低的问题，而且渐变结构使其与P层及N层的带隙差别较小，较大程度的解决了P/I、I/N界面的带隙失配问题，避免了异质结的界面效应， 
（2）本实用新型的渐变带隙纳米硅薄膜通过控制晶化率在一定范围内变化，使得形成渐变带隙，制备简单，且无需掺入新的元素来改变带隙，制备成本低。 
（3）本实用新型的原理还可以扩展出其他厚度的渐变带隙结构，也同样适用于倒结构电池，且易于实现组件的制备。 
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中 
图1为本实用新型的“C”型渐变结构。 
图2为本实用新型的“V”型渐变结构。 
图3为本实用新型的“U”型渐变结构。 
图4为本实用新型的“E”型渐变结构。 
图5为本实用新型的制成的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池的一种具体结构示意图。 
附图中标号为： 
玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3、顶电池31、N1层31-1、I1层31-2、P1层31-3、底电池32、N2层32-1、I2层32-2、P2层32-3、背电极4。 
具体实施方式
本具体实施方式的渐变带隙纳米硅薄膜材料为由非晶硅、晶粒和晶界组成的混合相的纳米硅薄膜材料。所选用的晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；器件质量级（能够用于发电的材料属于器件质量级）的纳米硅薄膜晶化率（晶相与非晶相的比例）范围为40%-70%；通过控制晶化率在前述范围内变化，使得渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV。控制晶化率方法包括调节纳米硅薄膜的核心制备参数，如硅烷浓度（SC）、制备功率的高低和制备气压的高低等。 
渐变带隙有多种结构，本实用新型提出四种方案，第一种如图1中所示，由一个 1200nm的渐变带隙形成“C”型渐变结构，带隙从1.7eV递变到1.3eV；纳米硅薄膜晶化率最高为70%。由于纳米硅薄膜生长初期存在非晶孵化层及晶化率线性提升的现象，沉积300nm左右，晶化率即可趋于稳定，因此“C”型渐变结构的1200nm通过70%晶化率实现带隙由1.7eV到1.3eV的递变。 
第二种如图2所示，由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。具体来说，由于纳米硅薄膜生长初期存在非晶孵化层及晶化率线性提升的现象，沉积300nm左右，晶化率即可趋于稳定，故渐变一300nm通过70%晶化率的制备参数实现带隙由1.7eV到1.3eV的递变，渐变二900nm采用70%-40%晶化率制备参数线性变化实现带隙由1.3eV-1.5eV的递变。 
第三种如图3所示，由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。 
第四种如图4所示，由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-51%；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51%-40%。 
四种结构渐变带隙对电池效率的提升各有优势，制备电池时可按实际需求选取，对于电池厚度改变时，可在上述结构基础上做相应调整。由此制得的渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池，包括玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3和背电极4；硅薄膜太阳能电池3为单结硅薄膜太阳能电池或多结叠层硅薄膜太阳能电池；单结硅薄膜太阳能电池的I层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的I层均采用本实用新型的渐变带隙纳米硅薄膜。单结硅薄膜太阳能电池的N层和多结叠层硅薄膜太阳能电池的每层电池的N层均采用N型nc-SiOx:H膜。 
见图5，渐变带隙纳米硅薄膜太阳能电池包括玻璃衬底1、透明导电膜2、硅薄膜太阳能电池3和背电极4，硅薄膜太阳能电池3为由顶电池31和底电池32构成的双结叠层硅薄膜太阳能电池；顶电池31的N1层31-1为nc-SiOx:H/nc-Si:H，I1层31-2为a-Si:H，P1层31-3为a-SiC:H；底电池32的N2层32-1为a-Si:H，I2层32-2为nc-Si:H，P2层32-3为nc-Si:H；背电极4为ZnO与Ag/Al的复合膜。其中，a-Si:H为氢化非晶硅薄膜；nc-Si:H 为氢化纳米硅（微晶硅）薄膜；a-SiC:H为掺碳的氢化非晶硅层；nc-SiOx:H为掺氧的氢化纳米硅（微晶硅）层；nc-SiOx:H/nc-Si:H为两叠层的电池膜层，一层是掺氧的氢化纳米硅（微晶硅）层，一层是氢化纳米硅。 
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (4)

1.渐变带隙纳米硅薄膜，其特征在于：为纳米硅薄膜材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV；由一个1200nm的渐变带隙形成“C”型渐变结构，带隙从1.7eV递变到1.3eV；纳米硅薄膜最高晶化率为70%。 
2.渐变带隙纳米硅薄膜，其特征在于：为纳米硅薄膜材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV；由两个渐变带隙形成“V”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙为900nm，带隙从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。 
3.渐变带隙纳米硅薄膜，其特征在于：为纳米硅薄膜材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV；由三个渐变带隙形成“U”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为600nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙为300nm，从1.3eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-40%。 
4.渐变带隙纳米硅薄膜，其特征在于：为纳米硅薄膜材料；晶体硅的带隙为1.12eV，非晶硅为1.75eV；所述器件质量级的纳米硅薄膜晶化率范围为40%-70%；所述渐变带隙纳米硅薄膜的带隙为1.3eV～1.5eV；由四个渐变带隙形成“E”型渐变结构；第一渐变带隙膜厚为300nm，带隙从1.7eV递变到1.3eV，纳米硅薄膜生长初期薄膜纵向生长非晶孵化层到70%晶化率；第二渐变带隙膜厚为300nm，带隙为1.3eV，纳米硅薄膜晶化率为70%；第三渐变带隙膜厚为300nm，从1.3eV递变到1.43eV，纳米硅薄膜晶化率为70%-51%；第四渐变带隙膜厚为300nm，从1.43eV递变到1.5eV，纳米硅薄膜晶化率为51%-40%。 
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