專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基太陽(yáng)電池制備工藝，特別是一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)電池在解決日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題和能源供給問(wèn)題的有效途徑之一。由于硅材料在半導(dǎo)體行業(yè)的廣泛應(yīng)用，且人們對(duì)硅材料的各種特性都有非常清楚的認(rèn)識(shí)。因此，硅基太陽(yáng)電池在所有的太陽(yáng)電池中占有非常重要的地位，其中與非晶硅相關(guān)的太陽(yáng)電池包括非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池(含微晶硅和非晶硅鍺等)，以及非晶硅/單晶硅構(gòu)成的HIT型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。在硅基薄膜太陽(yáng)電池中，非晶硅(a-Si:H)薄膜太陽(yáng)電池，特別是以非晶硅為基礎(chǔ)的非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池，因在降低成本實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)上具有很大的空間而備受光伏產(chǎn)業(yè)界的青睞。根據(jù)采用的襯底材料的不同和沉積順序的不同，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池可以分為兩大類(lèi)第一類(lèi)是以玻璃等透明襯底的p-i-n型，其結(jié)構(gòu)為玻璃襯底/透明導(dǎo)電前電極/非晶硅Pin結(jié)/透明導(dǎo)電背電極/金屬電極；第二類(lèi)是以不銹鋼等不透明襯底的 n-i-p型，其結(jié)構(gòu)為不銹鋼襯底/金屬電極/透明導(dǎo)電背電極/非晶硅pin結(jié)/透明導(dǎo)電前電極/金屬柵電極。其中，透明導(dǎo)電膜TCO是指IT0、Sn02和ZnO等，金屬電極是指Ag和 Al等。ρ型摻雜層作為窗口層，與η型摻雜層一起形成太陽(yáng)電池的內(nèi)建勢(shì)。對(duì)ρ型窗口層的基本要求是具有高電導(dǎo)率、低激活能和寬帶隙，其中高電導(dǎo)率和低激活能可以增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)并減小窗口層和透明導(dǎo)電電極之間的接觸電阻，寬帶隙可以使更多的光入射到電池本中吸收層，因此P型窗口層對(duì)于非晶硅基太陽(yáng)電池是非常關(guān)鍵的。如果單純從光學(xué)的角度考慮，P型窗口層的帶隙越寬越好，而對(duì)于實(shí)際的非晶硅太陽(yáng)電池而言，還需要考慮窗口層帶隙與本征層帶隙之間的匹配，如非晶硅本征層帶隙 1.8ev，非晶硅鍺本征層 1. 4-1. 6eV，微晶硅本征層1. 2eV0窗口層帶隙與本征層帶隙之間的失配將導(dǎo)致兩者之間界面(p/i)載流子復(fù)合增大，影響太陽(yáng)電池的填充因子和開(kāi)路電壓，并最終影響太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率。另一個(gè)重要問(wèn)題是非晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓V。。與ρ型窗口層的性能關(guān)系密切。 理論計(jì)算表明，帶尾態(tài)導(dǎo)致的復(fù)合是限制非晶硅太陽(yáng)電池V。。最重要的因素，通過(guò)計(jì)算本征層電子和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的差得到的最大V。。的值為1.0士0. IV。而實(shí)際上，太陽(yáng)電池的V。。 不僅與本征層有關(guān)，與窗口層的關(guān)系也密切相關(guān)。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠得到V。。的超過(guò)1.0V 的非晶硅太陽(yáng)電池，已經(jīng)接近上述的計(jì)算值，其中在窗口層方面的優(yōu)化也起到了非常重要的作用，參見(jiàn)Xianbo Liao, Wenhui Du,Xiesen Yang, et al, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 352，2006，1841-1846。在非晶硅薄膜太陽(yáng)電池中，a_SiC:H，μ c_SiC:H和nc_Si :H的ρ型或者η型窗口層得到了廣泛的研究和應(yīng)用。由于a_SiC:H和yc-SiC:H會(huì)造成本征層碳的污染，所以具有寬帶隙和低激活能的P型納米硅(p-nC-Si:H)被認(rèn)為是非晶硅太陽(yáng)電池的理想窗口層選擇，其中寬帶隙來(lái)源于具有納米尺寸硅晶粒的量子限制效應(yīng)。為了得到這種nc-Si:H窗口層材料，一般需要高功率、高氫稀釋和高的沉積壓力等較為苛刻的實(shí)驗(yàn)條件。如果輝光功率偏低，難以獲得寬帶隙；如果輝光功率很高，則很容易導(dǎo)致界面的轟擊損傷，在n-i-p型非晶硅太陽(yáng)電池中造成對(duì)i/p界面的損傷，降低太陽(yáng)電池的性能。從上面的分析可以看出，ρ型納米硅(nc-Si:H)作為非晶硅太陽(yáng)電池的窗口層必須解決兩個(gè)問(wèn)題1)高輝光功率沉積過(guò)程中的高能粒子轟擊造成的損傷；2)寬帶隙窗口層和較低帶隙的本征層之間的帶隙匹配和帶隙過(guò)渡。為此，本發(fā)明提出一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層及其制備方法，有效地解決了上述的兩個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層及其制備方法，該納米硅窗口層能夠顯著提高n-i-p型硅基薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率，其制備方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。本發(fā)明的技術(shù)方案一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層，是在襯底上依次疊加有金屬背電極M、 透明導(dǎo)電背電極Tl、η型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品表面沉積的具有梯度型帶隙特征的P型納米硅窗口層，由硅薄膜Ρ1、硅薄膜Ρ2和硅薄膜Ρ3依次疊加構(gòu)成， 其中硅薄膜Pl、硅薄膜Ρ2和硅薄膜Ρ3的厚度分別為0. 5-2nmU-3nm和5-30nm，整個(gè)納米硅窗口層的總厚度為10-50nm、晶粒尺寸為l-lOnm、電導(dǎo)率為0. 00001-5S/cm、激活能為 0. 01-0. kV，帶隙寬度為 1. 8-2. 5eVo一種所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，包括以下步驟1)將在襯底上依次疊加有金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品放入高真空沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為室溫-300°C， 本底真空度不低于10_5Pa，通入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為0. 5-5Torr，在輝光功率密度為 0. 01-0. Iff/cm2條件下輝光沉積硅薄膜Pl ；2)將輝光功率密度從0. 01-0. Iff/cm2逐漸增大到0. 1-0. 5ff/cm2,輝光沉積硅薄膜 P2 ；3)在輝光功率密度為0. 5-5ff/cm2條件下輝光沉積硅薄膜P3。所述沉積設(shè)備為13. 56MHz-100MHz的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD、微波等離子體化學(xué)氣相沉積或電子回旋共振化學(xué)氣相沉積。所述反應(yīng)氣體包括源氣體為硅烷類(lèi)SiH4、Si2H6或Si3H8 ；稀釋氣體為H2、He或Ar ； 摻雜氣體為BF3、4禮或8(013)3 ；摻雜原子與硅原子比為0. 5-5% ；稀釋氣體與源氣體的流量之比為50-500 1。一種所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的應(yīng)用，用于n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的納米硅窗口層。本發(fā)明的機(jī)理分析在n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池中，常規(guī)的ρ型窗口層制備方法是，在依次具有襯底S、金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品
4表面，在某一確定的工藝條件下沉積P型納米硅窗口層P，然后再沉積透明導(dǎo)電前電極T2和金屬柵電極Μ1，這樣就形成一個(gè)完整的非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池。本發(fā)明提出具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層制備方法是，在依次具有襯底S、 金屬背電極Μ、透明導(dǎo)電背電極Tl、η型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品表面， 首先在一個(gè)較低的輝光功率下沉積厚度較薄的P型硅薄膜Ρ1，然后逐漸升高功率沉積薄膜 Ρ2，最后在較高的功率下完成窗口層Ρ3的沉積。此后，再沉積透明導(dǎo)電前電極Τ2和金屬柵電極Μ1，這樣就形成一個(gè)完整的非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池。起始階段的低功率一方面可以得到較低的帶隙，有利于與本征層之間的帶隙匹配，更重要的是較低的功率帶來(lái)的粒子轟擊作用也小，可以顯著減小界面載流子復(fù)合，有利于Voc和FF的改善。最后階段的高功率可以得到寬帶隙的納米硅，而中間逐漸升高的功率有利于形成梯度漸變的帶隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層及其制備方法，兼顧考慮與現(xiàn)有非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的工藝兼容性。該方法采用PECVD沉積技術(shù)，通過(guò)有效控制沉積參數(shù)的范圍，特別是輝光功率的變化，達(dá)到控制材料的晶粒尺寸、晶化率、電導(dǎo)率、激活能和帶隙寬度等參數(shù)的目的，獲得了具有高電導(dǎo)和寬帶隙的納米硅窗口層薄膜材料。該類(lèi)窗口層材料和制備方法用于單結(jié)非晶硅薄膜太陽(yáng)電池中，能夠顯著提高太陽(yáng)電池的FF和Voc，從而提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是將該方法用于制備n-i-p型硅基薄膜太陽(yáng)電池的窗口層時(shí)，既能夠獲得高電導(dǎo)和寬帶隙，又能夠有效地減小太陽(yáng)電池i/p (本征層/窗口層)界面的轟擊，還可以實(shí)現(xiàn)本征層和窗口層之間的帶隙匹配，從而可顯著提高太陽(yáng)電池的填充因子、開(kāi)路電壓和短波光譜響應(yīng)，從而得到高光電轉(zhuǎn)換效率的硅基薄膜太陽(yáng)電池。該納米硅窗口層制備方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。


圖1為n-i-p型非晶硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中ρ型納米硅窗口層采用梯度漸變功率制備。圖2為分別采用恒定功率和梯度漸變功率制備納米硅窗口層的非晶硅基薄膜電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為用恒定功率，(b)為梯度漸變功率。圖3為分別采用恒定功率和梯度漸變功率制備納米硅窗口層的n-i-p型非晶硅硅薄膜太陽(yáng)電池的量子效率QE曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。以下實(shí)施例中，n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在依次具有襯底S、金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品表面，首先在一個(gè)較低的輝光功率下沉積厚度較薄的P型硅薄膜Ρ1，然后逐漸升高功率沉積薄膜Ρ2，最后在較高的功率下完成窗口層Ρ3的沉積。此后，再沉積透明導(dǎo)電前電極Τ2和金屬柵電極Μ1，這樣就形成一個(gè)完整的非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池。具體實(shí)施方法是將依次具有襯底S、金屬背電極Μ、透明導(dǎo)電背電極Τ1、η型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品置于反應(yīng)腔室中，向反應(yīng)腔室內(nèi)通入硅烷、氫氣和硼烷，然后進(jìn)行輝光放電沉積P型窗口層。根據(jù)輝光功率的不同，制備了一組具有不同P型窗口層的n-i-p型非晶硅太陽(yáng)電池。下面介紹本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例。實(shí)施例1 一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，包括以下步驟1)將在襯底上依次疊加有金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品放入13. 56ΜΗζ-100ΜΗζ的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相PECVD沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為150°C，本底真空度2X10_4Pa，通入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體中源氣體為硅烷類(lèi)SiH4 ；稀釋氣體為吐；摻雜氣體為IH6 ；摻雜原子與硅原子比為1%;稀釋氣體與源氣體的流量之比為250 1，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為2Torr，在輝光功率密度為0. 08ff/cm2條件下輝光沉積厚度為1. 5nm的硅薄膜Pl ；2)將輝光功率密度從0. 08ff/cm2逐漸增大到0. 32W/cm2，輝光沉積厚度為2nm的硅薄膜P2 ；3)在輝光功率密度為0. 32ff/cm2條件下輝光沉積厚度為12nm的硅薄膜P3。該具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層，用于n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的納米硅窗口層，得到的n-i-p型非晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓0. 80V，短路電流密度13. 86mA/ cm2，填充因子61%，光電轉(zhuǎn)換效率6. 76%。圖2為分別采用恒定功率和梯度漸變功率制備納米硅窗口層的非晶硅基薄膜電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為用恒定功率，(b)為梯度漸變功率。圖中清楚表明采用梯度功率時(shí)的梯度型帶隙特征。圖3為分別采用恒定功率和梯度漸變功率制備納米硅窗口層的n-i-p型非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的量子效率QE曲線。圖中表明當(dāng)采用梯度漸變功率法制備納米硅窗口層時(shí)， 相應(yīng)n-i-p型非晶硅薄膜太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)更高，且光譜范圍更寬。實(shí)施例2 一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，包括以下步驟1)將在襯底上依次疊加有金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品放入13. 56ΜΗζ-100ΜΗζ的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相PECVD沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為150°C，本底真空度2X10_4Pa，通入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體中源氣體為硅烷類(lèi)SiH4 ；稀釋氣體為吐；摻雜氣體為IH6 ；摻雜原子與硅原子比為1%;稀釋氣體與源氣體的流量之比為250 1，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為2Torr，在輝光功率密度為0. 08ff/cm2條件下輝光沉積厚度為1. 5nm的硅薄膜Pl ；2)將輝光功率密度從0. 08ff/cm2逐漸增大到0. 56W/cm2，輝光沉積厚度為3nm的硅薄膜P2 ；3)在輝光功率密度為0. 56ff/cm2條件下輝光沉積厚度為Ilnm的硅薄膜P3。該具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層，用于n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的納米硅窗口層，得到的n-i-p型非晶硅太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓0. 88V，短路電流密度13. 52mA/ cm2，填充因子63%，光電轉(zhuǎn)換效率7.5%。值得關(guān)注的是，本發(fā)明首先通過(guò)有效控制輝光功率等沉積參數(shù)，可以使材料沉積在非晶硅/微晶硅的相變區(qū)間，使材料中的晶粒尺寸控制在幾個(gè)納米量級(jí)，通過(guò)量子限制效應(yīng)來(lái)增大材料的帶隙寬度，保持材料的高電導(dǎo)率。寬的帶隙和低的激活能有利于增大電池的內(nèi)建電場(chǎng)，高的電導(dǎo)率有利于串聯(lián)電阻的降低，從而使得電池的V。。和FF都得到了不同程度的提高，從而提高了太陽(yáng)電池效率。此外，本發(fā)明在兼容沉積非晶硅、非晶硅鍺和微晶硅等硅基薄膜沉積工藝的基礎(chǔ)獲得納米硅，方法簡(jiǎn)單便于操作實(shí)現(xiàn)，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層，是在襯底上依次疊加有金屬背電極M、 透明導(dǎo)電背電極Tl、η型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品表面沉積的具有梯度型帶隙特征的P型納米硅窗口層，其特征在于由硅薄膜Ρ1、硅薄膜Ρ2和硅薄膜Ρ3依次疊加構(gòu)成，其中硅薄膜Pl、硅薄膜Ρ2和硅薄膜Ρ3的厚度分別為0. 5-2nm、l-3nm和5-30nm，整個(gè)納米硅窗口層的總厚度為10-50nm、晶粒尺寸為l-lOnm、電導(dǎo)率為0. 00001-5S/cm、激活能為0. 01-0. kV，帶隙寬度為1. 8-2. 5eV0
2.一種如權(quán)利要求1所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將在襯底上依次疊加有金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極Tl、η型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品放入高真空沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為室溫-300°C， 本底真空度不低于10-5 ，通入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體壓強(qiáng)為0. 5-5Torr，在輝光功率密度為 0. 01-0. Iff/cm2條件下輝光沉積硅薄膜Pl ；2)將輝光功率密度從0.01-0. Iff/cm2逐漸增大到0. 1-0. 5W/cm2，輝光沉積硅薄膜P2 ；3)在輝光功率密度為0.5-5ff/cm2條件下輝光沉積硅薄膜P3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，其特征在于所述沉積設(shè)備為13. 56MHz-100MHz的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD、微波等離子體化學(xué)氣相沉積或電子回旋共振化學(xué)氣相沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)氣體包括源氣體為硅烷類(lèi)SiH4、Si2H6或Si3H8 ；稀釋氣體為H2、He或Ar ；摻雜氣體為BF3、B2H6或B(CH3)3 ；摻雜原子與硅原子比為0. 5-5% ；稀釋氣體與源氣體的流量之比為 50-500 1。
5.一種如權(quán)利要求1所述具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層的應(yīng)用，其特征在于 用于n-i-p型非晶硅基薄膜太陽(yáng)電池的納米硅窗口層。
全文摘要
一種具有梯度型帶隙特征的納米硅窗口層，是在襯底上依次疊加有金屬背電極M、透明導(dǎo)電背電極T1、n型硅基薄膜N和本征硅基薄膜I的待處理樣品表面沉積形成，由硅薄膜P1、硅薄膜P2和硅薄膜P3依次疊加構(gòu)成；其制備方法是在較低的輝光功率下沉積厚度較薄的p型硅薄膜P1，然后逐漸升高功率沉積薄膜P2，最后在較高的功率下完成窗口層P3。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該納米硅窗口層用于n-i-p型硅基薄膜太陽(yáng)電池的窗口層時(shí)，既可獲得高電導(dǎo)和寬帶隙，又能有效地減小太陽(yáng)電池i/p界面的轟擊，還可以實(shí)現(xiàn)本征層和窗口層之間的帶隙匹配，顯著提高太陽(yáng)電池的填充因子、開(kāi)路電壓和光譜響應(yīng)，從而得到高光電轉(zhuǎn)換效率的硅基薄膜太陽(yáng)電池。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102569481SQ20121002238
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者侯國(guó)付, 倪牮, 劉飛連, 張曉丹, 趙穎, 馬峻 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)