專利名稱：：多晶硅—碳化硅疊層薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及太陽能電池，具體是指一種由多晶硅和碳化硅二個子電池疊接構(gòu)成的可吸收寬波段太陽能的疊層薄膜太陽能電池。
背景技術：
：太陽能是大自然賜予人類最清潔，最豐富的能源資源。目前商用的多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率多在15%左右，由于硅原材料漲價的影響，多晶硅太陽能電池成本的55%以上花費在硅材料襯底上。從商業(yè)產(chǎn)品的角度考慮，人們已經(jīng)在大力開發(fā)低成本、高效率、大面積的硅薄膜太陽能電池。由于硅材料的禁帶寬度為1.12eV,其構(gòu)成的p-n結(jié)僅對略高于該能量的太陽光子有較強的吸收作用，由硅薄膜制成的單結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一般都低于10%。為了進一步提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，疊層硅基薄膜太陽能電池引起了人們極大的重視。疊層太陽能電池的中心思想就是用不同禁帶寬度的半導體薄膜材料分別吸收太陽能光譜中不同波長的光子能量，進而提高整個太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。立方碳化硅(3C-SiC)是一種寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度約為在2.2eV，具有熱導率高，抗氧化性能好，對環(huán)境友好，且原材料豐富，用它制成的太陽能電池可以吸收太陽光中近紫外光部分的光子能量。2006年，日本的ShuichiNonomura曾綜述過用熱絲化學氣相沉積方法制備碳立方化硅/非晶硅薄膜單結(jié)太陽能電池，獲得的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為7.58%(ThinSolidFilms,2006,501:164)。在疊層薄膜太陽能電池方面，2008年荷蘭的仗衛(wèi)丄3^1"0卯報導了用熱絲化學氣相沉積方法制備微晶硅/微晶鍺硅/摻氫微晶硅三疊層薄膜太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率達到IO.9%(ThinSolidFilms,2008，516:6818)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目是提出一種在廉價的坡璃或者不銹鋼襯底上制備的有高光電轉(zhuǎn)化效率的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，以獲得有巿場竟爭力的高性價比的硅基薄膜太陽能電池產(chǎn)品。一種多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于依次由玻璃襯底、在玻璃襯底上沉積的透明導電薄膜電極，在透明導電薄膜電極上通過熱絲化學氣相沉積生長的疊接在一起的下子電池和上子電池，以及上電極組成；其中透明導電薄膜下電極是是氧化銦錫(IT0),或者鋁摻雜氧化鋅(AZ0)或者氧化錫(Sn02);其中下子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型碳化硅層/p型碳化硅層構(gòu)成；其中上子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型多晶硅層/p型多晶硅層構(gòu)成；其中上電極為Al金屬層，Al電極與上子電池之間有一層Ag金屬反射層。上述多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其透明導電薄膜電極的可見光透過率大于85%,電阻率小于5xl(T^cm。其p型碳化硅層的厚度為150nm-1500nm，載流子濃度為1xI016cm—3至5XI017cm—3;n型碳化硅層的厚度為為l5-200nm,載流子濃度為1X1018cm—3至5X10l9cm-3。其p型多晶硅層的厚度為100-2000mn,載流子濃度為1X1016cm-3至5X10"cm-3;n型多晶硅層的厚度為15-200nm,載流子濃度為1X10'ScnT3至5X10'9cm一3。一種多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于依次由不銹鋼襯底、Ag金屬反射層、透明導電過渡層、在過渡層上通過熱絲化學氣相沉積生長的疊接在一起的下子電池和上子電池、以及透明導電上電極組成；其中透明導電過渡層和透明導電上電極是氧化銦錫(ITO)，鋁摻雜氧化鋅(AZO)或者氧化錫(Sn02);其中下子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型多晶硅層/p型多晶硅層構(gòu)成的上子電池；其中上子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型碳化硅層/p型碳化硅層構(gòu)成；其中透明導電上電極過渡層是氧化銦錫(no)，或者鋁摻雜氧化鋅(AZ0)或者氧化錫(Sn02)。上述多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其透明導電薄膜電極的可見光透過率大于85%,電阻率小于5xl(TOcm。其p型多晶硅層的厚度為100-2000nm，載流子濃度為1XI016cm—3至5X1017咖_3;n型多晶硅層的厚度為15-200腦，載流子濃度為1XlOm-3至5X1019Cm-3。其p型碳化硅層的厚度為150nm-1500nm,載流子濃度為lX1016cm-3至5X1017cm-3;n型碳化硅層的厚度為為15-200nm，載流子濃度為lX1018cm—3至5Xl(TcnT3。所說的碳化硅層由硅烷(SiH4)和甲烷(CH4)混合氣體在熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)中獲得，P型摻雜由加入乙硼烷(B2H6)氣體實現(xiàn)，n型摻雜由加入磷烷(PH3)氣體實現(xiàn)。多晶硅層由硅烷(SiH4)氣體在熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)中獲得，P型摻雜由加入乙硼烷(BA)氣體實現(xiàn)，n型摻雜由加入磷烷(PH3)氣體實現(xiàn)。所說的疊層薄膜太陽能電池的電極為Al金屬層或者透明導電薄膜層，它們均由磁控濺射法沉積得到。本發(fā)明的疊層薄膜電池釆用標準的一維器件模型進行計算。器件的輸運物理性質(zhì)是通過三組方程獲得泊松方程、自由載流子的電流密度方程、自由載流子的連續(xù)性方程。泊松方程是連接自由載流子空間分布、被俘獲的電荷的空間分布和電離摻雜物的空間分布與物質(zhì)系統(tǒng)中電場空間分布的紐帶。泊松方程最終與自由載流子n和p有關。電流密度方程將器件宏觀參數(shù)電流密度與微觀載流子濃度的分布，器件中電池強度分布等參數(shù)聯(lián)系到了一起。描述導帶中電子與價帶中空穴的的方程為連續(xù)方程。連續(xù)方程將器件中空穴、電子的產(chǎn)生復合過程與流過器件中的電流連續(xù)在一起。材料的光吸收系數(shù)釆用直接帶隙模型進行擬合，光學過程釆用多層介質(zhì)模型進行擬合。通過求解滿足一定邊界條件的泊松方程、自由載流子的電流密度方程和自由載流子的連續(xù)性方程求出疊層薄膜電池的電流密度與材料的摻雜濃度，薄膜厚度等參數(shù)的關系?？紤]疊層薄膜電池上下子電池之間的電流匹配，通過計算機軟件計算得到疊層薄膜電池的I-V曲線，進而得到疊層薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率、填充因子、開路電壓、短路電流參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)的比較得到每層薄膜的最優(yōu)摻雜濃度和厚度。計算中所用的標準太陽光譜為AMI.5(IEC904-3)。模擬計算中所用的參數(shù)如表一所示。器件結(jié)構(gòu)模擬舉例對于單結(jié)碳化硅太陽能電池的n+—p結(jié)構(gòu)，假定n+層摻雜濃度為lxl019cm-3,厚度為50nm,p層摻雜濃度為1xI017cm-3,通過計算機軟件模擬優(yōu)化，在P層厚度為178nm時，得到最優(yōu)效率為9.29%，此時短路電流密度為8.03mA/cm2，開路電壓為1.34V,填充因子為0.861。如果在單結(jié)碳化硅電池的下面(太陽光先通過禁帶較寬的碳化硅電池)增加一個禁帶寬度較窄的多晶硅子電池構(gòu)成所說的疊層薄膜太陽能電池。只考慮各層材料的吸收，不考慮界面的反射，同時考慮上下子電池之間的電流匹配，經(jīng)過優(yōu)化疊層電池結(jié)構(gòu)，得到當下電池的n+多晶層摻雜濃度為1019cm-3，厚度為50腿，p多晶層摻雜濃度為1017cm-3，厚度為141nm時，得到的最高轉(zhuǎn)換效率為15.74%,此時短路電流密度為8.03mA/cm2,開路電壓為2.12V，填充因子為0.926，所需碳化硅上子電池加上多晶硅下子電池的總厚度遠小于1.Onm。計算得到太陽光通過上子電池和下子電池吸收后光通量隨波長的關系如圖3所示?？梢钥闯觯景l(fā)明的疊層薄膜電池在保證電池性能的基礎上大大節(jié)省了材料和簡化了結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的疊層電池的結(jié)構(gòu)是合理的，可行的。機理和技術特點本發(fā)明的疊層硅基薄膜太陽能電池與現(xiàn)有的太陽能晶體硅太陽能電池相比，具有以下優(yōu)點1.由不同禁帶寬度的材料疊加而成，提高了對太陽能光譜的利用率和光電轉(zhuǎn)化效率。相比于單結(jié)SiC太陽能電池(轉(zhuǎn)化效率9.29%,填充因子為0.861),本發(fā)明的疊層薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率、填充因子都得到了很大的提高(轉(zhuǎn)化效率為15.74%，填充因子為0.9")。2.整個疊層電池都是Si基材料，SiC、多晶硅都是無污染，綠色環(huán)保材料，原材料來源豐富。3.將工藝非常成熟的多晶硅薄膜材料用于疊層薄膜太陽能電池中，并且所需的多晶硅薄膜(厚度〈lum)的厚度非常薄(多晶硅單結(jié)太陽能電池厚度M00um),大大節(jié)省了原材料。表一模擬過程中所用到的參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表二不同載流子濃度和薄層厚度時的模擬計算結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>圖l是本發(fā)明中透明襯底上疊層薄膜太陽能結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖中標號名稱l.玻璃材料；2.透明導電層-下電極；3.p型碳化硅層；4.n型碳化硅層；5.p型多晶硅層；6.n型多晶硅層；7.Ag反射層；8.Al上電極。圖中箭頭為入射太陽光。圖2是明中不銹鋼襯底上疊層薄膜太陽能結(jié)構(gòu)剖面示意圖。。圖中標號名稱9.不銹鋼材料；10.Ag反射層；ll.透明導電層過渡層；12.p型多晶硅層；13.n型多晶硅層；14.p型碳化硅層；15.n型碳化硅層；16.透明導電層-上電極。圖中箭頭為入射太陽光。圖3是標準太陽光通過本發(fā)明的二個子電池吸收后的光通量與光波長的關系曲線圖。具體實施例方式第一實施例坡璃襯底上疊層薄膜太陽能電池的制備釆用普通玻璃片為襯底，經(jīng)過標準RCA工藝清洗后，放入磁控濺射室中，本底真空優(yōu)于5xlO—5Pa,沉積時真空為0.5Pa，用純度為99.9M的ITO靶濺射生長600nm厚度的ITO薄膜，濺射時襯底溫度為300°C,生長的ITO透明導電薄膜的可見光透過率為86%,電阻率約2xl(T3Q*cm。隨后，將樣品裝入熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)中，通入硅烷、甲烷、磷烷和氫氣的混合氣體，其中硅烷與甲烷的比例為1:1,磷烷與硅烷的比例為1%，襯底溫度為400。C,生長厚度為SOnm的n型碳化硅；再通入硅烷、甲烷、乙硼垸和氫氣的混合氣體，其中硅烷與甲烷的比例為l:l,乙硼烷與硅烷的比例為0.OW,襯底溫度為400。C，生長厚度為180nm的p型碳化硅。之后通入硅烷、磷烷和氫氣的混合氣體，其中磷烷與硅烷的比例為1%，襯底溫度為"0。C，生長厚度為50nm的n型多晶硅；再通入硅烷、乙硼烷和氫氣的混合氣體，其中乙硼垸與硅烷的比例為0.05%,襯底溫度為"0。C，生長厚度為"Omn的p型多晶硅。其后，將樣品裝入磁控濺射系統(tǒng)中，以純度為99.99%的Ag靶濺射生長一層400nm的Ag反射層，以純度為99.99%的Al靶濺射生長一層1000nm的Al上電極層，襯底溫度均為室溫。第二實施例不銹鋼襯底上疊層薄膜太陽能電池的制備釆用不銹鋼薄片為襯底，經(jīng)過標準RCA工藝清洗后，放入磁控濺射室中，本底真空優(yōu)于5xl0，a，沉積時真空為0.5Pa,先用純度為99.99%的Ag乾濺射生長一層400nm的Ag反射層，襯底溫度為室溫；再用純度為99.99%的AZO靶生長一層600nm厚度的AZO薄膜，生長時襯底溫度為450。C,生長的AZO透明導電薄膜的可見光透過率為89%,電阻率約4x10—3Q*cm。隨后，將樣品裝入熱絲化學氣相沉積系統(tǒng)中，通入硅烷、乙硼烷和氫氣的混合氣體，其中乙硼烷與硅烷的比例為0.05%,襯底溫度為600°C,生長厚度為140rnn的p型多晶硅；再通入硅烷、磷烷和氫氣的混合氣體，其中磷烷與硅烷的比例為1%,襯底溫度為600°C，生長厚度為50nm的n型多晶硅。之后通入硅烷、甲烷、乙硼烷和氫氣的混合氣體，其中硅烷與甲烷的比例為1:1,乙硼烷與硅烷的比例為0.05%,襯底溫度為600°C,生長厚度為180nm的p型碳化硅；再通入硅烷、甲烷、磷烷和氫氣的混合氣體，其中硅烷與甲烷的比例為1:1，磷垸與硅烷的比例為1%，襯底溫度為600°C,生長厚度為50nm的n型碳化硅。其后，將樣品裝入磁控濺射系統(tǒng)中，用純度為99.99"/。的AZO靶生長一層1000nm厚度的AZO薄膜作為上電極，生長時襯底溫度為450。C,生長的AZO透明導電薄膜的口J見光透過率為89%，電阻率約4x10—3Ocm。權利要求1、一種多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于依次由玻璃襯底、在玻璃襯底上沉積的透明導電薄膜電極，在透明導電薄膜電極上通過熱絲化學氣相沉積生長的疊接在一起的下子電池和上子電池，以及上電極組成；其中透明導電薄膜下電極是是氧化銦錫(ITO)，或者鋁摻雜氧化鋅(AZO)或者氧化錫(SnO2)；其中下子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型碳化硅層/p型碳化硅層構(gòu)成；其中上子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型多晶硅層/p型多晶硅層構(gòu)成；其中上電極為Al金屬層，Al電極與上子電池之間有一層Ag金屬反射層。2、根據(jù)權利要求1所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于透明導電薄膜電極的可見光透過率大于85%，電阻率小于5xl(T3Ocm。3、根據(jù)權利要求l所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于上述p型碳化硅層的厚度為150nm-1500腿，載流子濃度為lxio16cm-3至5Xl0"cm-3;n型碳化硅層的厚度為為15-2OOnm,載流子濃度為1Xl(y8cm-3至5X1019011-3。4、根據(jù)權利要求1所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于上述p型多晶硅層的厚度為100-2000nm,載流子濃度為lX1016cm-3至5X1017cm-3;n型多晶硅層的厚度為15-200nm,載流子濃度為lX1018cm—3至5X10'9cm—3。5、一種多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于依次由不銹鋼襯底、Ag金屬反射層、透明導電過渡層、在過渡層上通過熱絲化學氣相沉積生長的疊接在一起的下子電池和上子電池、以及透明導電上電極組成；其中透明導電過渡層和透明導電上電極是氧化銦錫(IT0),鋁摻雜氧化鋅(AZO)或者氧化錫(Sn02);其中下子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型多晶硅層/p型多晶硅層構(gòu)成的上子電池；其中上子電池由熱絲化學氣相沉積法生長的n型碳化硅層/p型碳化硅層構(gòu)成；其中透明導電上電極過渡層是氧化銦錫(ITO),或者鉬摻雜氧化鋅(AZ0)或者氧化錫(Sn02)。6、根據(jù)權利要求5所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于透明導電薄膜電極的可見光透過率大于85%,電阻率小于5x10Ocm。7、根據(jù)權利要求5所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于上述p型多晶硅層的厚度為100-2000nm，載流子濃度為lX10'6cm—3至5X1017cm-3;n型多晶硅層的厚度為15-200nm,載流子濃度為lX1018cm—3至5X1019cm_3。8、根據(jù)權利要求5所述的多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，其特征在于上述p型碳化硅層的厚度為l50nm-l500nm，載流子濃度為lX1016cm—3至5X10'7cm—3;n型碳化硅層的厚度為為15-200腿，載流子濃度為1X10'8cm—3至5X1019cm—3。全文摘要本發(fā)明公開一種多晶硅-碳化硅疊層薄膜太陽能電池，屬太陽能電池
技術領域：
。該太陽能電池由玻璃襯底或者不銹鋼襯底，在該襯底上通過磁控濺射沉積的透明導電氧化物層以及通過熱絲化學氣相沉積方法制備的二個疊接的薄膜子太陽能電池構(gòu)成，其中一個子電池由p型碳化硅層/n型碳化硅層構(gòu)成，另一個子電池由p型多晶硅層/n型多晶硅層構(gòu)成。本發(fā)明的特點是由兩種不同禁帶寬度的硅基材料疊接組成，提高了對太陽光譜的利用率和光電轉(zhuǎn)換效率。采用廉價襯底和低成本薄膜生長源材料，降低了太陽能電池的成本，使之具有與晶體硅太陽能電池的競爭優(yōu)勢。文檔編號H01L31/0687GK101393942SQ20081019506公開日2009年3月25日申請日期2008年11月5日優(yōu)先權日2008年11月5日發(fā)明者吳天如,沈鴻烈,魯林峰,黃海賓申請人:南京航空航天大學