專利名稱：一種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，該方法通過(guò)改進(jìn)隧穿復(fù)合結(jié)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
硅基薄膜電池用料省、能耗低，可以在玻璃、不銹鋼和塑料襯底上制備，而且可以實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)。這些特點(diǎn)使硅基薄膜電池成為以后進(jìn)一步降低太陽(yáng)電池成本的希望。但是非晶硅本征層只能吸收波長(zhǎng)在750nm以下的太陽(yáng)光，而且由于光致衰退效應(yīng)的原因，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的非晶硅單結(jié)太陽(yáng)電池的穩(wěn)定效率還是很低。怎樣提高硅基薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率成為這種電池以后是否能夠大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。在非晶硅材料本身的光致衰退問(wèn)題一時(shí)不能得到解決的情況下，非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池可以通過(guò)擴(kuò)展電池的光吸收范圍和減薄非晶硅本征層的厚度提高硅基薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。在非晶硅/微晶硅疊層電池中，非晶硅頂電池和微晶硅底電池的連接處會(huì)形成一個(gè)反向的ρ/η結(jié)，這個(gè)結(jié)通常稱作隧穿復(fù)合結(jié)。在疊層電池處于工作狀態(tài)時(shí)，本征層內(nèi)的光生電子和光生空穴會(huì)在內(nèi)建場(chǎng)的作用下分別向η層和ρ層遷移。隧穿復(fù)合結(jié)處頂電池的光生電子和底電池的光生空穴必須在隧穿復(fù)合結(jié)界面處快速?gòu)?fù)合，以免形成電荷積累，削弱內(nèi)建場(chǎng)，減少光生載流子的收集。增加隧穿復(fù)合結(jié)界面處復(fù)合幾率的一個(gè)有效方法就是在界面處生長(zhǎng)一層高缺陷態(tài)的復(fù)合層。目前改進(jìn)隧穿復(fù)合結(jié)的方法主要有以下兩個(gè)方面1、在隧穿復(fù)合結(jié)界面處插入高缺陷的氧化物(Nb0x、Ti0x或SiOx)，但Nb0x、Ti0x不能用PECVD制備；SiOx —般通過(guò)(X)2等離子體處理或中斷真空暴露大氣得到，厚度不容易控制，而且可能會(huì)對(duì)微晶硅底電池有損害。 2、對(duì)于隧穿復(fù)合結(jié)的ρ層為電導(dǎo)較低的摻碳非晶硅材料時(shí)，插入一層電導(dǎo)比ρ型摻碳非晶硅層更高的非晶硅P層來(lái)提高空穴向界面處的傳輸。近些年電導(dǎo)更高的P型納米硅層已經(jīng)應(yīng)用到硅薄膜電池中。本發(fā)明也采用電導(dǎo)更高的P型納米硅層作為隧穿復(fù)合結(jié)的P層，在P層為納米硅的條件下，本發(fā)明采用P型非晶硅作為插入層，通過(guò)改變P型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和厚度達(dá)到控制界面處復(fù)合的目的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的主要目的在于提供一種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法， 以提高非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池的性能( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池頂電池與底電池之間η/ρ界面處插入ρ型非晶硅復(fù)合層實(shí)現(xiàn)，即在頂電池的η層為非晶硅、底電池P層為納米硅的疊層電池的在η/ρ界面處插入P型非晶硅復(fù)合層。
上述方案中，所述改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，包括如下步驟步驟1 清洗不銹鋼襯底，放入PECVD系統(tǒng)中烘烤，并對(duì)PECVD系統(tǒng)抽本底真空；步驟2 在所述不銹鋼襯底上依次沉積微晶硅底電池的η層、微晶硅i層和納米硅 P層；步驟3 在微晶硅底電池的納米硅ρ層上沉積P型非晶硅復(fù)合層；步驟4:沉積完ρ型非晶硅復(fù)合層后，再依次沉積非晶硅頂電池的η層、非晶硅i層和納米硅ρ層，得到疊層電池結(jié)構(gòu)；步驟5 待該疊層電池結(jié)構(gòu)冷卻到室溫后，將該疊層電池結(jié)構(gòu)從PECVD系統(tǒng)中取出，用磁控濺射生長(zhǎng)銦錫氧化物頂電極。上述方案中，步驟1中所述對(duì)PECVD系統(tǒng)抽本底真空，本底真空為10_Va。上述方案中，步驟2中所述沉積微晶硅底電池的η層、微晶硅i層和納米硅ρ層，是采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在所述不銹鋼襯底上依次沉積生長(zhǎng)η層、微晶硅i 層與P層；其中η層和ρ層采用射頻，微晶硅i層采用甚高頻，H2/SiH4的氫稀釋比為7 20， 反應(yīng)氣壓為1201 150Pa，功率密度為0. 4ff/cm2 0. 6W/cm2，襯底溫度為180°C 250°C， 反應(yīng)時(shí)間60min lOOmin，微晶硅i層厚度1300nm 1700nm。上述方案中，所述η層和P層采用的射頻為13. 56MHz，微晶硅i層采用的甚高頻為 60MHz。上述方案中，步驟3中所述沉積ρ型非晶硅復(fù)合層時(shí)，所述微晶硅底電池的納米硅 P層的硼烷氣體摻雜比例為0. 67%，厚度為1至2nm。上述方案中，步驟4中沉積頂電池的非晶硅i層時(shí)，采用的頻率為射頻，該射頻頻率為13. 56MHz ;H2/SiH4的氫稀釋比為4 10，反應(yīng)氣壓為1201 250Pa，功率密度為 0. 03ff/cm2 0. 06W/cm2，襯底溫度為150°C 200°C，反應(yīng)時(shí)間45min 55min，i層厚度 250nm 350nmo(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)明通過(guò)采用ρ型非晶硅復(fù)合層來(lái)改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池的隧穿復(fù)合結(jié)界面來(lái)提高電池性能，在隧穿復(fù)合結(jié)的P層為高電導(dǎo)納米硅條件下，在隧穿復(fù)合結(jié)的η/ρ界面處插入一層ρ型的非晶硅復(fù)合層，通過(guò)調(diào)控P型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和生長(zhǎng)時(shí)間可以達(dá)到改進(jìn)優(yōu)化隧穿復(fù)合結(jié)的目的，將優(yōu)化后的隧穿復(fù)合結(jié)應(yīng)用到疊層電池中后疊層電池的開(kāi)壓幾乎等于疊層前非晶硅子電池和微晶硅子電池開(kāi)壓之和。這種隧穿復(fù)合結(jié)界面處理方法簡(jiǎn)便易行，便于推廣，通過(guò)調(diào)節(jié)P型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和生長(zhǎng)時(shí)間就可以得到優(yōu)質(zhì)的隧穿復(fù)合結(jié)。2、利用本發(fā)明，能減少疊層電池隧穿復(fù)合結(jié)處的損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疊層電池的開(kāi)壓等于子電池的開(kāi)壓之和，說(shuō)明隧穿復(fù)合結(jié)處沒(méi)有產(chǎn)生光生載流子的積累。同時(shí)調(diào)節(jié)P 型非晶硅復(fù)合層的硼烷氣體摻雜比和生長(zhǎng)時(shí)間的方法具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，便于應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化工藝中。


圖1是采用ρ型非晶硅復(fù)合層的非晶硅/微晶硅疊層電池示意圖2是ρ型非晶硅復(fù)合層摻雜比例對(duì)隧穿復(fù)合結(jié)IV曲線的影響；圖3是ρ型非晶硅復(fù)合層沉積時(shí)間對(duì)隧穿復(fù)合結(jié)IV曲線的影響；圖4是采用最優(yōu)條件的ρ型非晶硅復(fù)合層后得到的疊層電池的光IV曲線和疊層前的子電池的光IV曲線對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的這種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，通過(guò)在非晶硅 /微晶硅疊層太陽(yáng)電池頂電池與底電池之間η/ρ界面處插入ρ型非晶硅復(fù)合層實(shí)現(xiàn)，即在頂電池的η層為非晶硅、底電池P層為納米硅的疊層電池的在η/ρ界面處插入P型非晶硅復(fù)
I=I te ο本發(fā)明提供的這種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，具體包括如下步驟步驟1 清洗不銹鋼襯底，放入PECVD系統(tǒng)中烘烤，并對(duì)PECVD系統(tǒng)抽本底真空；步驟2 在所述不銹鋼襯底上依次沉積微晶硅底電池的η層、微晶硅i層和納米硅 P層；步驟3 在微晶硅底電池的納米硅ρ層上沉積P型非晶硅復(fù)合層；步驟4:沉積完ρ型非晶硅復(fù)合層后，再依次沉積非晶硅頂電池的η層、非晶硅i層和納米硅P層，得到疊層電池結(jié)構(gòu)；步驟5 待該疊層電池結(jié)構(gòu)冷卻到室溫后，將該疊層電池結(jié)構(gòu)從PECVD系統(tǒng)中取出，用磁控濺射生長(zhǎng)銦錫氧化物頂電極。生長(zhǎng)所用的設(shè)備是等離子體輔助化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)，沉積電池用到的氣體為99. 99%的高純硅烷和高純度氫氣作為反應(yīng)氣體，用純度為(用氫氣稀釋)的硼烷和的磷烷(用氫氣稀釋)作為摻雜氣體。非晶硅本征層的激發(fā)等離子體的射頻電源的頻率是13. 56MHz，微晶硅本征層的激發(fā)等離子體的甚高頻電源的頻率是60MHZ。參照?qǐng)D1是ρ型非晶硅復(fù)合層的非晶硅/微晶硅疊層電池結(jié)構(gòu)圖，下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體生長(zhǎng)工藝步驟1 將柔性不銹鋼襯底用洗潔精擦洗干凈然后用去離子水煮沸5分鐘，用超聲清洗機(jī)超聲5分鐘；再用去離子水沖洗；再煮沸5分鐘，用超聲清洗機(jī)超聲5分鐘；再?zèng)_洗， 再煮沸5分鐘，用超聲清洗機(jī)超聲5分鐘。步驟2 將清洗干凈的襯底放入PECVD系統(tǒng)中，300°C烘烤，將系統(tǒng)背景真空度抽到高于KT4Pa量級(jí)。步驟3 首先沉積微晶硅子電池的η層。采用射頻(13. 56MHz)，沉積前，先用氫等離子體清潔襯底表面5分鐘；沉積N層時(shí)，氫稀釋比(H2/SiH4)為30 50 ；摻雜比例(PH3/ SiH4)為0. 01-0. 02 ；反應(yīng)氣壓為250Pa 350Pa ；功率密度為0. 3ff/cm2 0. 7ff/cm2 ；襯底溫度為230°C 280°C ；反應(yīng)時(shí)間3min 7min，生長(zhǎng)的η層厚度為20 25nm。步驟4 然后沉積微晶硅底電池的本征層，采用甚高頻(60MHz)，氫稀釋比(H2/ SiH4)為7 20，反應(yīng)氣壓為120Pa 150Pa,功率密度為0. 4ff/cm2 0. 6ff/cm2,襯底溫度為180°C 250°C，反應(yīng)時(shí)間60min lOOmin，微晶硅i層厚度1300nm 1700nm。步驟5 然后沉積隧穿復(fù)合結(jié)的ρ層。采用射頻(13. 56MHz)，氫稀釋比(H2/SiH4) 為80-100，反應(yīng)氣壓為550Pa 700Pa，功率密度為0. 8ff/cm2 lW/cm2，襯底溫度為130°C 1800C，反應(yīng)時(shí)間3min 5min，生長(zhǎng)的ρ層厚度為20_30nm。步驟6 沉積ρ型非晶硅復(fù)合層。采用射頻(13. 56MHz)，氫稀釋比(H2/SiH4)為 8-12，摻雜比例(B2H6/SiH4)為0. 0007，反應(yīng)氣壓為120Pa 150Pa，功率密度為0. Iff/cm2, 襯底溫度為180°C 250°C，反應(yīng)時(shí)間10s。步驟7 沉積非晶硅頂電池的η層，采用射頻(13. 56MHz)，氫稀釋比(H2/SiH4)為 4-12 ；摻雜比例(PH3/SiH4)為0. 01-0. 02 ；反應(yīng)氣壓為150Pa 250Pa ；功率密度為0. 05W/ cm2 0. 15ff/cm2 ；襯底溫度為180°C 220°C ；反應(yīng)時(shí)間3min 7min，生長(zhǎng)的η層厚度為 20 25nm。步驟8 沉積非晶硅頂電池的本征層，采用射頻(13. 56MHz)，氫稀釋比(H2/SiH4)為 4-12，反應(yīng)氣壓為IOOPa 250Pa，功率密度為0. 04W/cm2 0. 15W/cm2，襯底溫度為150°C 200°C，反應(yīng)時(shí)間 30min 60min，i 層厚度 250nm 400nm。步驟9 沉積非晶硅頂電池的ρ層。采用射頻(13. 56MHz)，氫稀釋比(H2/SiH4)為 80-100，反應(yīng)氣壓為550Pa 700Pa，功率密度為0. 8ff/cm2 lW/cm2，襯底溫度為130°C 1800C，反應(yīng)時(shí)間3min 5min，生長(zhǎng)的ρ層厚度為20_30nm。步驟10 沉積完畢，將電池從PECVD系統(tǒng)取出，用磁控濺射生長(zhǎng)銦錫氧化物透明電極。為了說(shuō)明ρ型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和沉積時(shí)間可以作為調(diào)控隧穿復(fù)合結(jié)性質(zhì)的兩個(gè)有效參數(shù)，在不銹鋼襯底上單獨(dú)制備了隧穿復(fù)合結(jié)，分別改變P型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和沉積時(shí)間，測(cè)試P型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例(圖2)和沉積時(shí)間(圖3)間對(duì)隧穿復(fù)合結(jié)IV性質(zhì)的影響。可以看到ρ型非晶硅復(fù)合層的摻雜比例和沉積時(shí)間都對(duì)隧穿復(fù)合結(jié)的IV性質(zhì)有很大影響。由圖2和圖3可以看到，在本實(shí)驗(yàn)室的PECVD系統(tǒng)中，隧穿復(fù)合結(jié)的P型非晶硅復(fù)合層的最佳摻雜比例和生長(zhǎng)時(shí)間分別為0. 67%和10s。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述最佳隧穿復(fù)合結(jié)應(yīng)用到疊層電池后的結(jié)果，將疊層前非晶硅子電池和微晶硅子電池的光IV和采用優(yōu)化后的隧穿復(fù)合結(jié)的疊層電池的光IV進(jìn)行了對(duì)比 (圖4)。由圖4可以看到，疊層電池的看壓為1.4V，疊層前非晶子電池和微晶硅子電池的開(kāi)壓分別為0. 89V和0. 52V。疊層后電池的開(kāi)壓幾乎等于疊層前兩個(gè)子電池的開(kāi)壓之和，從開(kāi)壓的角度來(lái)講，隧穿復(fù)合結(jié)處幾乎沒(méi)有產(chǎn)生光生載流子的積累，光生電子和光生空穴得到了快速有效的復(fù)合。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于，該方法通過(guò)在非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池頂電池與底電池之間η/ρ界面處插入P型非晶硅復(fù)合層實(shí)現(xiàn)， 是在頂電池的η層為非晶硅、底電池P層為納米硅的疊層電池的在η/ρ界面處插入P型非晶硅復(fù)合層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 該方法包括如下步驟步驟1 清洗不銹鋼襯底，放入PECVD系統(tǒng)中烘烤，并對(duì)PECVD系統(tǒng)抽本底真空； 步驟2 在所述不銹鋼襯底上依次沉積微晶硅底電池的η層、微晶硅i層和納米硅ρ層；步驟3 在微晶硅底電池的納米硅ρ層上沉積ρ型非晶硅復(fù)合層； 步驟4 沉積完ρ型非晶硅復(fù)合層后，再依次沉積非晶硅頂電池的η層、非晶硅i層和納米硅P層，得到疊層電池結(jié)構(gòu)；步驟5 待該疊層電池結(jié)構(gòu)冷卻到室溫后，將該疊層電池結(jié)構(gòu)從PECVD系統(tǒng)中取出，用磁控濺射生長(zhǎng)銦錫氧化物頂電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 步驟1中所述對(duì)PECVD系統(tǒng)抽本底真空，本底真空為10_4!^。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 步驟2中所述沉積微晶硅底電池的η層、微晶硅i層和納米硅ρ層，是采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在所述不銹鋼襯底上依次沉積生長(zhǎng)η層、微晶硅i層與ρ層；其中η層和 P層采用射頻，微晶硅i層采用甚高頻，H2/SiH4的氫稀釋比為7 20，反應(yīng)氣壓為120 150Pa，功率密度為0. 4ff/cm2 0. 6W/cm2，襯底溫度為180°C 250°C，反應(yīng)時(shí)間60min lOOmin，微晶硅i層厚度1300nm 1700nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 所述η層和ρ層采用的射頻為13. 56MHz，微晶硅i層采用的甚高頻為60MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 步驟3中所述沉積ρ型非晶硅復(fù)合層時(shí)，所述微晶硅底電池的納米硅ρ層的硼烷氣體摻雜比例為0. 67%，厚度為1至aim。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，其特征在于， 步驟4中沉積頂電池的非晶硅i層時(shí)，采用的頻率為射頻，該射頻頻率為13. 56MHz ;H2/SiH4 的氫稀釋比為4 10，反應(yīng)氣壓為1201 250Pa，功率密度為0. 03ff/cm2 0. 06W/cm2，襯底溫度為150°C 200°C，反應(yīng)時(shí)間45min 55min，i層厚度250nm 350nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改進(jìn)非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池性能的方法，該方法通過(guò)在非晶硅/微晶硅疊層太陽(yáng)電池頂電池與底電池之間n/p界面處插入p型非晶硅復(fù)合層實(shí)現(xiàn)，是在頂電池的n層為非晶硅、底電池p層為納米硅的疊層電池的在n/p界面處插入p型非晶硅復(fù)合層。利用本發(fā)明，能減少疊層電池隧穿復(fù)合結(jié)處的損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明疊層電池的開(kāi)壓等于子電池的開(kāi)壓之和，說(shuō)明隧穿復(fù)合結(jié)處沒(méi)有產(chǎn)生光生載流子的積累。同時(shí)調(diào)節(jié)p型非晶硅復(fù)合層的硼烷氣體摻雜比和生長(zhǎng)時(shí)間的方法具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，便于應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化工藝中。
文檔編號(hào)H01L31/20GK102157614SQ20111002823
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者劉石勇, 姚文杰, 彭文博, 曾湘波, 楊萍, 王超, 謝小兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所