專利名稱：一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非晶硅薄膜電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法。
背景技術(shù)：
目前世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)緊張，溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題日益嚴(yán)重。如何有效地解決能源問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保生產(chǎn)亟待解決。在此契機(jī)下，光伏電池作為一種利用自然太陽光發(fā)電的可再生能源得到了快速發(fā)展。從技術(shù)成熟程度和應(yīng)用程度上看，光伏電池主要分為晶硅電池和以非晶硅為主的薄膜電池。但非晶硅組件，由于使用非常少的半導(dǎo)體材料，如晶片電池每峰瓦需要硅材料15_20g，而薄膜電池每峰瓦僅需要硅材料為晶片電池的 1/20、整個(gè)非晶硅薄膜電池組件耗費(fèi)的能量僅相當(dāng)于晶片電池的1/4左右消耗的能量，還可以避免晶硅電池片的主要原材料在生產(chǎn)加工過程中存在污染環(huán)境的問題而得到重視和研究。非晶硅薄膜主要通過分解硅烷氣體的方法制得，通常制得的非晶硅薄膜存在大量的懸掛鍵缺陷、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定如SiH2鍵等，存在嚴(yán)重的光致衰退效應(yīng)，質(zhì)量較差。為解決這一難題，當(dāng)前廣泛流行的高質(zhì)量非晶硅薄膜的制備是采用氫氣稀釋法，即大量的氫氣稀釋硅烷的氣體進(jìn)行反應(yīng)制得，大量的氫原子將補(bǔ)償懸掛鍵缺陷，減少了光致衰退效應(yīng)，最終得到穩(wěn)定的高質(zhì)量非晶硅薄膜。但利用氫氣稀釋法制備高質(zhì)量非晶硅薄膜的過程中，存在以下問題反應(yīng)后殘余的大量的氫氣尾氣的處理耗能——尾氣須用惰性氣體，通常是乂，稀釋到氫氣理論爆炸濃度極限值4%以下，然后進(jìn)行燃燒處理，這個(gè)過程需耗費(fèi)大量的氣體，同時(shí)燃燒時(shí)排放大量的熱量，造成能源的浪費(fèi)和溫室效應(yīng)的加劇；同時(shí)氫氣和硅烷的氣體流量稀釋比為1/1-5/1，制備過程中氫氣使用量巨大，氣體分解能耗大。我們通過工藝研發(fā)，在無氫氣參與沉積下，采用射頻等離子化學(xué)氣相沉積制備得到的非晶硅薄膜中不穩(wěn)定鍵SiH2物質(zhì)含量1%-5%，薄膜性質(zhì)穩(wěn)定，生產(chǎn)過程耗能少，無須氫氣，利于環(huán)保，從而消除了使用氫氣帶來的一系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題和提出的技術(shù)任務(wù)是克服現(xiàn)有氫氣稀釋硅烷造成能源的浪費(fèi)和溫室效應(yīng)的缺陷，提供一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法是本征層沉積時(shí)無氫氣參與，只利用硅烷氣體分解反應(yīng)制得非晶硅薄膜。進(jìn)一步的采用射頻化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在低功率密度、低沉積壓強(qiáng)、無氫氣氣氛下制得。按照以下參數(shù)沉積沉積溫度為160-270°C ；沉積功率密度為0. 003-0. 04ff/cm2 ； 沉積壓力為30-110Pa;硅烷流量為0. 5-3slm。沉積溫度為180-220°C。沉積功率密度為 0. 006-0. 02W/cm2。沉積壓力為 30_90Pa。本發(fā)明的有益效果是在制備過程中不使用氫氣，只利用硅烷氣體分解反應(yīng)制得非晶硅薄膜，因此不會(huì)產(chǎn)生氫氣稀釋制備方法中的大量的原材料氣體消耗和溫室效應(yīng)。本發(fā)明制得的本征層可用作薄膜電池的本征發(fā)電層。本征層薄膜中不穩(wěn)定SiH2物質(zhì)含量 1%_5%，從而發(fā)電層本征層厚度可以降低，減少了本征層缺陷，降低了載流子的復(fù)合率，從而提高非晶硅質(zhì)量。


圖1是非晶硅薄膜電池的結(jié)構(gòu)示意圖2是SiH4流量為0. 3 0. 6slm,沉積壓強(qiáng)為30 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖3是SiH4流量為0. 8 1. 2slm，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖4是SiH4流量為0. 8 1. 2slm,沉積壓強(qiáng)為90 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖5是SiH4流量為0. 8 1. 2slm，沉積壓強(qiáng)為110 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖6是沉積功率密度為0. 003 0. 006mW/cm2，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的 I-V曲線及功率曲線圖7是沉積功率密度為0. 03 0. 04mW/cm2，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V 曲線及功率曲線圖8是沉積溫度為160 180°C，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖9是沉積溫度為250 270°C，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖10是SiH4流量為2 2. 4slm，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖11是SiH4流量為3 3. 5slm，沉積壓強(qiáng)為60 時(shí)非晶硅薄膜電池的I-V曲線及功率曲線圖2-11中，有“ + ”標(biāo)識(shí)的曲線為I-V曲線，另一曲線為功率曲線； 圖中標(biāo)號(hào)說明1-TC0導(dǎo)電玻璃、2-空穴導(dǎo)電層P、3-緩沖層B、4-非晶硅本征層I、5-電子導(dǎo)電層N、6-背電極。。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明涉及的非晶硅薄膜電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，自上至下依次是TCO導(dǎo)電玻璃、 空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N、背電極。制造時(shí)在TCO導(dǎo)電玻璃上依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N、背電極，即可制得非晶硅薄膜太陽能電池。本發(fā)明方法用于制造非晶硅本征層I。實(shí)施例1
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃(也叫透明導(dǎo)電氧化物)；(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為200 220°C，沉積功率密度為0. 01 0. 02ff/cm2,沉積壓力為30Pa，硅烷流量為0. 3 0. 6slm,沉積厚度360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下制得的非晶硅薄膜太陽能電池的的性能參數(shù)如圖2所示開路電壓Voc 為99. 445V，短路電流Isc為1. 6823A，最大輸出功率Rii為112. 915W，最大功率時(shí)的輸出電壓Vpm為79. 197V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. ^6A，填充因子FF為0. 675，光電轉(zhuǎn)換效率 η 為 7. 78%ο實(shí)施例2
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為200 220°C，沉積功率密度為0. 01 0. 02mW/cm2，沉積壓力為601 ，硅烷流量為0. 8 1. 2slm，沉積厚度360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖3所示開路電壓Voc為 98. 73V，短路電流Isc為1. 649A，最大輸出功率Rn為110. 663W，最大功率時(shí)的輸出電壓Vpm 為79. 582V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1.408A，填充因子FF為0.6798，光電轉(zhuǎn)換效率η為 7. 62%ο實(shí)施例3
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0. 014ff/cm2,沉積壓力為90Pa，硅烷流量為 1. 8slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖4所示開路電壓Voc為 98. 333V，短路電流Isc為1. 648A，最大輸出功率Rn為109. 988W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為78. 312V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 4045A,填充因子FF為0. 6787V，光電轉(zhuǎn)換效率 η 為 7. 57%。實(shí)施例4
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0.014W/cm2，沉積壓力為llOPa，硅烷流量為 1. 8slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖5所示開路電壓Voc為 98. ^7V，短路電流Isc為1.645A，最大輸出功率Rn為109. U8W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為78. 162V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 396A，填充因子FF為0. 6748，光電轉(zhuǎn)換效率η 為 7. 51%。實(shí)施例5
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0.006W/cm2，沉積壓力為60Pa，硅烷流量為 1. 8slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖6所示開路電壓Voc為 96. 978V，短路電流Isc為1. 670A，最大輸出功率Rn為110. 079W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為76. 96V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 430A，填充因子FF為0. 6797，光電轉(zhuǎn)換效率η 為 7. 58%ο實(shí)施例6
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0. 03ff/cm2,沉積壓力為60 ，硅烷流量為1. 8slm, 沉積厚度360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖7所示開路電壓Voc為 95. 302V，短路電流Isc為1.679A，最大輸出功率Rn為106. 170W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為76. 448V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 389A，填充因子FF為0. 6635，光電轉(zhuǎn)換效率η 為 7. 31%。實(shí)施例7
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為180°C，沉積功率密度為0.014W/cm2，沉積壓力為60Pa，硅烷流量為 1. 8slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。
該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖8所示開路電壓Voc為 102. 104V，短路電流Isc為1.644A，最大輸出功率Rn為102. 952W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為77. 231V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 333A，填充因子FF為0. 6135，光電轉(zhuǎn)換效率η 為 7. 09%ο實(shí)施例8
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為260 0C，沉積功率密度為0. 014ff/cm2,沉積壓力為60Pa，硅烷流量為
1.8slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖9所示開路電壓Voc為
95.26V,短路電流Isc為1. 6837A，最大輸出功率Rn為105. 89W，最大功率時(shí)的輸出電壓Vpm 為74. 668V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1.418A，填充因子FF為0.6602，光電轉(zhuǎn)換效率η為 7. 29%ο實(shí)施例9
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0. 014ff/cm2,沉積壓力為60Pa，硅烷流量為
2.4slm，沉積厚度 360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖10所示開路電壓Voc為 101. 737V，短路電流Isc為1. 651A，最大輸出功率Rn為103. 251W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為77. 01V,最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 341A，填充因子FF為0. 6149，光電轉(zhuǎn)換效率η 為 7. 11%。實(shí)施例10
(1)清洗TCO導(dǎo)電玻璃；
(2)在TCO導(dǎo)電玻璃上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備沉積非晶硅薄膜(包括依次沉積空穴導(dǎo)電層P、緩沖層B、非晶硅本征層I、電子導(dǎo)電層N)，其中非晶硅本征層I的沉積參數(shù)如下
沉積溫度為210°C，沉積功率密度為0. 014ff/cm2,沉積壓力為60Pa，硅烷流量為3slm， 沉積厚度360 450nm ；
(3)隨后沉積ZnO和Ag的復(fù)合背電極。該工藝下得到的非晶硅薄膜太陽能電池的性能參數(shù)如圖11所示開路電壓Voc為
96.762V，短路電流Isc為1. 6851A，最大輸出功率Rn為102. 427W，最大功率時(shí)的輸出電壓 Vpm為72. 97V，最大功率時(shí)的電流Ipm為1. 404A，填充因子FF為0. 6282，光電轉(zhuǎn)換效率η為 7. 05%。 本發(fā)明是在低的沉積壓強(qiáng)、低的硅烷流量、低的沉積功率密度下實(shí)施，非晶硅沉積速度比較緩慢，將有利于非晶硅中不穩(wěn)定鍵SiH2等的釋放、非晶硅層結(jié)構(gòu)的弛豫、膜層缺陷的減少，從而制得了高質(zhì)量的穩(wěn)定的非晶硅薄膜。
權(quán)利要求
1.一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征是本征層沉積時(shí)無氫氣參與，只利用硅烷氣體分解反應(yīng)制得非晶硅薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征是采用射頻化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在低功率密度、低沉積壓強(qiáng)、無氫氣氣氛下制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征在于按照以下參數(shù)沉積沉積溫度為160-270°C、沉積功率密度為0. 003-0. 04W/cm2、沉積壓力為30-110Pa、硅烷流量為0. 5-3slm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征是沉積溫度為180-220°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征是沉積功率密度為0. 006-0. 02W/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，其特征是沉積壓力為30-90Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高質(zhì)量非晶硅本征層的無氫氣稀釋制備方法，屬于非晶硅薄膜電池技術(shù)，現(xiàn)有氫氣稀釋硅烷造成能源的浪費(fèi)和溫室效應(yīng)，本發(fā)明是按照以下參數(shù)沉積沉積溫度為160-270℃；沉積功率密度為0.003-0.04W/cm2；沉積壓力為30-110Pa；硅烷流量為0.5-3slm。本發(fā)明在制備過程中不使用氫氣，只利用硅烷氣體分解反應(yīng)制得非晶硅薄膜，因此不會(huì)產(chǎn)生氫氣稀釋制備方法中的大量的原材料氣體消耗和溫室效應(yīng)。本發(fā)明制得的本征層可用作薄膜電池的本征發(fā)電層。
文檔編號(hào)C23C16/24GK102212797SQ201110100648
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者葉平平, 葉志高, 李媛, 郝芳 申請(qǐng)人:杭州天裕光能科技有限公司