專利名稱：一種改進非晶硅太陽電池性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源中薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改進非晶硅太陽電池 性能的方法，通過改進非晶硅薄膜太陽電池i/p界面來實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今光伏市場中主要是晶體硅太陽電池和非晶硅太陽電池。晶體硅電池的成本比 較高，特別是現(xiàn)在硅材料急劇短缺，這極大制約了晶體硅電池以后的發(fā)展。相比之下，非晶 硅電池原材料消耗少，能耗低，制備工藝簡單；而且使用價格低廉的玻璃、不銹鋼、塑料等做 襯底，很大程度地降低成本。非晶硅電池的這些獨特的優(yōu)越性使之發(fā)展迅猛。非晶硅太陽電池中，ρ層一般作為迎光面，即太陽光照到電池上后，先通過ρ層，在 靠近i/p界面的i層區(qū)域產(chǎn)生相對較多的光生載流子，這時i/p界面的質(zhì)量將直接影響到 電池的性能。由于P層帶隙( 2. OeV)與i層帶隙( 1.7eV)差別較大，在i/p界面處 能帶出現(xiàn)突變；同時由于P層與i層間熱張力不同，以及無規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的失配，將在i/p 界面處產(chǎn)生大量懸鍵，形成幾個納米厚的高缺陷態(tài)區(qū)域。這些缺陷態(tài)本身作為復合中心，會 加劇光生載流子的復合，從而嚴重影響電池的性能。因此，改進i/p界面的質(zhì)量，降低界面 處的缺陷態(tài)密度，對提高電池的效率，推廣非晶硅電池的應用具有很重要的意義。目前對i/p界面的研究屬于國際研究的前沿課題，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的改 進方法，其中最普遍的是在i/p界面間加帶隙為常數(shù)或梯度變化的緩沖層。非晶硅太陽電 池中，P層與緩沖層一般用摻碳非晶硅(a-SiC:H)材料制成，通過調(diào)節(jié)碳(C)的含量得到不 同寬度的帶隙。由于納米硅(nc-Si:H)相對a_SiC:H具有高電導、低吸收的特點，同時可以 避免C摻雜引入新的缺陷態(tài)。近年有些研究小組采用ρ型納米硅(p-nC-Si:H)作為ρ層材 料，但緩沖層仍然用a-SiC:H ；或者緩沖層用納米硅，而ρ層仍用a-SiC:H膜。在我們制備的電池中，ρ層與緩沖層都采用納米硅膜，通過雙納米硅層結(jié)構(gòu)來改進 i/p界面，達到提高非晶硅薄膜太陽電池的性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種改進非晶硅太陽電池性能的方法，以 提高非晶硅太陽電池的性能。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種改進非晶硅太陽電池性能的方法，該方法通 過改進非晶硅薄膜太陽電池i/p界面來實現(xiàn)，是在P層為納米硅的條件下，在非晶硅薄膜太 陽電池的i/p界面處插入納米硅緩沖層，形成雙納米硅層結(jié)構(gòu)。上述方案中，該方法包括如下步驟步驟1 將襯底清洗干凈，放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，然后對襯底進 行烘烤，同時抽真空；
步驟2 在襯底上依次沉積η層和i層；步驟3 生長完i層后，先在氫氣流量70至150SCCm，腔體壓力為500至700Pa的 條件下氫處理i層表面30至120秒，然后再沉積納米硅緩沖層以及納米硅ρ層，形成n-i-p 結(jié)構(gòu)；步驟4 :n-i-p結(jié)構(gòu)沉積形成后，將樣品冷卻，并從等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)取出，用磁控濺射生長ITO透明電極。上述方案中，步驟1中所述襯底是柔性襯底或?qū)щ姴Ａ?。上述方案中，步驟2和步驟3中所述沉積η層、i層、納米硅緩沖層與ρ層，是采用 等離子體增強型化學氣相沉積技術(shù)在襯底上依次沉積生長η層、i層、納米硅緩沖層與ρ層； 其中背景真空都高于10_4Pa。上述方案中，步驟2中所述沉積η層時，氫稀釋比(H2/SiH4)為10 20，摻雜比例 (PH3/SiH4)為 1 40 1 60，反應氣壓為 200Pa 300Pa，功率密度為 0. 05W/cm2 0. 2W/ cm2，襯底溫度為200°C 300°C，反應時間5min lOmin，η層厚度20nm 25nm。上述方案中，步驟2中所述沉積i層時，氫稀釋比(H2/SiH4)為3 10，反應氣壓 為IOOPa 250Pa，功率密度為0. 03W/cm2 0. 06W/cm2，襯底溫度為100°C 200°C，反應時 間 40min 80min，i 層厚度 250nm 600nm。上述方案中，步驟3中所述沉積納米硅緩沖層時，在高壓強(500 700Pa)、高功率 (O. 8 Iff/cm2)、低溫(60 90°C )、氫稀釋比(H2/SiH4)為66. 7下沉積5 IOnm厚的納米 薄層作為緩沖層；然后同樣在高壓強(550 750Pa)、高功率(0. 8 lW/cm2)、低溫(50 80°C)、氫稀釋比(H2/SiH4)為100下沉積15 20nm厚的ρ型納米薄層作為ρ層，其中ρ層 摻雜比例B2H6/SiH4為1 100。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1)、本發(fā)明提供的這種改進非晶硅太陽電池性能的方法，采用雙納米硅層結(jié)構(gòu)來 改進非晶硅太陽電池i/p界面，從而提高電池性能。其特征為在P層為納米硅條件下，在i/ P界面處插入納米硅緩沖層，形成雙納米硅層結(jié)構(gòu)來改進非晶硅薄膜太陽電池性能。這種 i/p界面處理方法沒有碳摻雜，穩(wěn)定性更好，簡便易行，便于推廣。另外采用這種方法可以不 用甲烷，節(jié)省原材料的使用，降低原材料成本；同時可以免去PECVD系統(tǒng)的一個甲烷氣路及 相關(guān)設(shè)施，將極大的降低設(shè)備成本。2)、本發(fā)明采用雙納米硅層結(jié)構(gòu)來改進非晶硅太陽電池i/p界面，即在ρ層為納米 硅的條件下，在i/p界面處插入一層納米硅緩沖層來改善界面。其中通過調(diào)節(jié)沉積過程中 的氫稀釋比來控制納米硅緩沖層與納米硅P層的帶隙，使緩沖層帶隙比P層帶隙比小，但比 i層帶隙大。這樣的納米硅緩沖層可以減小電池P層與i層的能帶失配，降低i/p界面處的 缺陷態(tài)密度。與未加納米硅緩沖層的電池相比，加納米硅緩沖層后，電池的開路電壓Vrc從 0. 86V提高到0. 89V，短路電流Jsc從10. 97mA/cm2提高到12. 96mA/cm2。電池轉(zhuǎn)換效率提高 了 17%。3)、本發(fā)明與現(xiàn)今普遍采用的摻碳非晶硅作為ρ層或緩沖層相比，這種i/p界面處 理方法可以避免碳摻雜產(chǎn)生缺陷態(tài)，同時簡便易行，便于推廣。另外該方法對納米硅薄膜的 生長設(shè)備沒有額外要求。另外由于不用甲烷，節(jié)省原材料的使用，降低原材料成本；同時可以免去PECVD系統(tǒng)的一個甲烷氣路及相關(guān)設(shè)施，將極大的降低設(shè)備成本。對太陽能電池的 生產(chǎn)和推廣使用具有重要意義。



圖1是雙納米硅結(jié)構(gòu)的非晶硅太陽電池結(jié)構(gòu)圖。圖2是依照本發(fā)明實施例制備的采用雙納米硅層結(jié)構(gòu)(納米硅ρ層與納米硅緩沖 層)電池和只采用納米硅P層(未加納米硅緩沖層)電池的I-V曲線對比。圖3是按緩沖層沉積條件生長的單層膜的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像。圖4是按ρ層沉積條件生長的單層膜的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。生長所用的設(shè)備是等離子體輔助化學氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)，包括反應腔室(裝 片室、摻雜室和本征室)、真空系統(tǒng)、襯底加熱及控溫系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)等。沉積電池用到 的氣體為99. 99%的高純硅烷和氫器發(fā)生器制備的氫氣作為反應氣體，用純度為0.5% (用 氫氣稀釋)的硼烷和的磷烷(用氫氣稀釋)作為摻雜氣體。激發(fā)等離子體的射頻電源 的頻率是13. 56MHz ο參照圖1是雙納米硅層結(jié)構(gòu)的非晶硅太陽電池的結(jié)構(gòu)圖，下面詳細介紹本發(fā)明的 具體生長工藝步驟1 將襯底(柔性襯底或?qū)щ姴Ａ?用洗潔精擦洗干凈然后用去離子水煮沸5 分鐘，再用去離子水沖洗；再煮沸，再沖洗，循環(huán)3次。最后超聲清洗機超聲15分鐘。步驟2 將清洗干凈的襯底放入PECVD系統(tǒng)中，300°C烘烤1小時，將系統(tǒng)背景真空 度抽到高于lX10_4Pa。為減小腔室內(nèi)壁附著物對沉積薄膜的影響，每次沉積前，均用與本 次沉積相同條件的等離子體覆蓋腔體15分鐘左右。步驟3 首先沉積η層。沉積前，先用氫等離子體清潔襯底表面1分鐘；沉積N層 時，氫稀釋比(H2/SiH4)為10 20 ；摻雜比例(PH3/SiH4)為1 40 1 60 ；反應氣壓為 200Pa 300Pa ；功率密度為0. 05ff/cm2 0. 2ff/cm2 ；襯底溫度為200°C 300°C ；反應時間 5min lOmin，生長的η層厚度為20 25nm。步驟4:然后沉積本征層(即i層)，氫稀釋比(H2/SiH4)為3 10;反應氣壓為 IOOPa 250Pa ；功率密度為0. 03ff/cm2 0. 06ff/cm2 ；襯底溫度為100°C 200°C;反應時間 40min 80min, i 層大概 250 600nm。步驟5 生長完i層后，準備沉積納米硅i/p緩沖層。先在氫氣流量70 150sCCm， 腔體壓力為500 700Pa下氫處理i層表面30 120秒。然后在高壓強(500 700Pa)、 高功率(0. 8 Iff/cm2)、低溫(60 90°C )、氫稀釋比(H2/SiH4)為66. 7下沉積5 IOnm 厚的納米硅薄層作為緩沖層。步驟6 生長完納米硅i/p緩沖層后，準備沉積納米硅ρ緩沖層。在高壓強(550 750Pa)、高功率(O. 8 Iff/cm2)、低溫(50 80°C )、氫稀釋比(H2/SiH4)為100下沉積大概 15 20nm厚的ρ型納米硅薄層作為ρ層。其中摻雜比例B2H6/SiH4為1 100左右。
步驟7 沉積完畢，將電池從PECVD系統(tǒng)取出，用磁控濺射生長ITO透明電極。
為了說明此發(fā)明的有用性，制備兩個電池。一個電池按上述過程制備，采用雙納米 硅層結(jié)構(gòu)作為緩沖層與P層；另一個電池未加納米硅緩沖層，只是P層采用納米硅，其它沉 積條件與第一個電池一樣。在模擬太陽光下測試得到的IV曲線如圖2。與未加納米硅緩 沖層的電池相比，加納米硅緩沖層后，電池的開路電壓Vqc從0. 86V提高到0. 89V，短路電流 Jsc從10. 97mA/cm2提高到12. 96mA/cm2。電池轉(zhuǎn)換效率提高了 17%。為了進一步證明緩沖層與ρ層是納米硅結(jié)構(gòu)。我們制備了相應當單層膜進行透射 電子顯微鏡分析。先在玻璃襯底上按電池i層條件沉積一層很薄的非晶硅膜，然后按電池 緩沖層與P層沉積條件分別制備了單層膜。這樣保證單層膜結(jié)構(gòu)與電池的緩沖層或P層結(jié) 構(gòu)一致。用氫氟酸將膜剝落后進行透射電子顯微鏡分析。結(jié)果如圖3與圖4，能夠清楚看到 在非晶硅的母體中鑲嵌著較多的有序的納米級晶粒。其中P層條件單層膜的納米晶粒比緩 沖層的納米晶粒多。這充分說明按上述條件生長得到的緩沖層與P層是納米硅結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過采用雙納米硅層結(jié)構(gòu)來改進非晶硅太陽電池i/p界面來提高電池性 能，其特征在于在P層為納米硅條件下，在i/p界面處插入納米硅緩沖層，與P層共同形成 雙納米硅層結(jié)構(gòu)來改進非晶硅薄膜太陽電池性能。通過透射電子顯微鏡分析得出緩沖層與 P層都是納米硅結(jié)構(gòu)。將雙納米硅層結(jié)構(gòu)應用于電池后，開路電壓與短路電流都得到了改 進，電池轉(zhuǎn)換效率有較大的提高。這種i/p界面處理方法沒有碳摻雜，穩(wěn)定性更好，簡便易 行，便于推廣。另外采用這種方法可以不用甲烷，節(jié)省原材料的使用，降低原材料成本；同時 可以免去PECVD系統(tǒng)的一個甲烷氣路及相關(guān)設(shè)施，將極大的降低設(shè)備成本。對太陽能電池 的生產(chǎn)和推廣使用具有重要意義。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，該方法通過改進非晶硅薄膜太陽電池i/p界面來實現(xiàn)，是在p層為納米硅的條件下，在非晶硅薄膜太陽電池的i/p界面處插入納米硅緩沖層，形成雙納米硅層結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，該方法包括 如下步驟步驟1 將襯底清洗干凈，放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，然后對襯底進行烘 烤，同時抽真空；步驟2 在襯底上依次沉積η層和i層；步驟3 生長完i層后，先在氫氣流量70至150sCCm，腔體壓力為500至700Pa的條件 下氫處理i層表面30至120秒，然后再沉積納米硅緩沖層以及納米硅ρ層，形成n-i-p結(jié) 構(gòu)；步驟4 :n-i-p結(jié)構(gòu)沉積形成后，將樣品冷卻，并從等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng) 取出，用磁控濺射生長ITO透明電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，步驟1中所述 襯底是柔性襯底或?qū)щ姴ＡА?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，步驟2和步驟 3中所述沉積η層、i層、納米硅緩沖層與P層，是采用等離子體增強型化學氣相沉積技術(shù)在 襯底上依次沉積生長η層、i層、納米硅緩沖層與P層；其中背景真空都高于10_4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，步驟2中所述 沉積η層時，氫稀釋比(H2/SiH4)為10 20，摻雜比例(PH3/SiH4)為1 40 1 60，反 應氣壓為200Pa 300Pa，功率密度為0. 05ff/cm2 0. 2W/cm2，襯底溫度為200°C 300°C， 反應時間5min lOmin，η層厚度20nm 25nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，步驟2中所述 沉積i層時，氫稀釋比(H2/SiH4)為3 10，反應氣壓為IOOPa 250Pa，功率密度為0. 03W/ cm2 0. 06W/cm2，襯底溫度為100°C 200°C，反應時間40min 80min，i層厚度250nm 600nmo
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，步驟3中所述 沉積納米硅緩沖層時，在高壓強(500 700Pa)、高功率(0. 8 lW/cm2)、低溫(60 90°C )、 氫稀釋比(H2/SiH4)為66. 7下沉積5 IOnm厚的納米薄層作為緩沖層；然后同樣在高壓強 (550 750Pa)、高功率(0. 8 Iff/cm2)、低溫(50 80°C )、氫稀釋比(H2/SiH4)為 100 下 沉積15 20nm厚的ρ型納米薄層作為ρ層，其中ρ層摻雜比例B2H6/SiH4為1 100。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進非晶硅太陽電池性能的方法，其特征在于，該方法通過改進非晶硅薄膜太陽電池i/p界面來實現(xiàn)，是在p層為納米硅的條件下，在非晶硅薄膜太陽電池的i/p界面處插入納米硅緩沖層，形成雙納米硅層結(jié)構(gòu)。將雙納米硅層結(jié)構(gòu)應用于電池后，開路電壓與短路電流都得到了改進，電池轉(zhuǎn)換效率有較大的提高。這種i/p界面處理方法沒有碳摻雜，穩(wěn)定性更好，簡便易行，便于推廣。另外采用這種方法可以不用甲烷，節(jié)省原材料的使用，降低原材料成本；同時可以免去PECVD系統(tǒng)的一個甲烷氣路及相關(guān)設(shè)施，將極大的降低設(shè)備成本，對太陽能電池的生產(chǎn)和推廣使用具有重要意義。
文檔編號H01L31/20GK101800268SQ20101011775
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者劉石勇, 姚文杰, 彭文博, 曾湘波, 王占國, 王超, 肖海波, 謝小兵 申請人:中國科學院半導體研究所