專利名稱：nc-Si:H/SiN_x超晶格量子阱太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池，特指一種應(yīng)用nC-Si:H和SiNx構(gòu)成超晶格納米量子阱材料的新型太陽(yáng)電池。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是清潔可再生能源中備受青睞和期待的能源技術(shù)，從能量轉(zhuǎn)換效率、生產(chǎn)成本、器件使用壽命和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域等方面綜合評(píng)價(jià)，Si基太陽(yáng)電池?zé)o疑具有明顯優(yōu)勢(shì)，并一直占據(jù)著主導(dǎo)發(fā)展地位，而Si基太陽(yáng)電池中，p-n結(jié)單晶Si太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟，但是，由于制作這類太陽(yáng)電池需要消耗大量Si材料，所以如何以相對(duì)較低材料消耗，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的Si基太陽(yáng)電池便成為擺在人們面前的一項(xiàng)重要課題。此后，非晶硅、微晶硅、多晶硅等薄膜太陽(yáng)電池應(yīng)運(yùn)而生。如果將晶體硅太陽(yáng)電池稱為第一代硅基太陽(yáng)電池的話，那么上述薄膜太陽(yáng)電池可稱之為第二代PIN硅薄膜太陽(yáng)電池。PIN硅薄膜太陽(yáng)電池雖然在材料損耗等因素上，大大降低了電池生產(chǎn)成本，但在轉(zhuǎn)換效率上未繼承第一代硅基太陽(yáng)電池優(yōu)勢(shì)，因此為使太陽(yáng)能被更多人接受，必須降低第一代硅基太陽(yáng)電池生產(chǎn)成本和提高第二代硅基太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率。分析第一代和第二代太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題，可歸納為以下三個(gè)主要方面第一，由于硅基材料制備工藝水平的限制，使其難以獲得具有預(yù)期要求的結(jié)構(gòu)與光電特性，所以往往導(dǎo)致太陽(yáng)電池的光伏參數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；第二，只采用單一帶隙光伏材料制作太陽(yáng)電池時(shí)，由于能量小于此帶隙光子不能被吸收造成低能損耗，而大于此帶隙光子的多余能量，以熱能形式散失，從而光子能量得不到充分利用，如圖1 ；第三，在目前的P-n結(jié)和p-i-n 型(p+-p-i-n-n+)太陽(yáng)電池中，一個(gè)光子只能激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)。本發(fā)明針對(duì)以上原因，利用納米硅的帶隙可調(diào)性和結(jié)合多氮化硅的良好勢(shì)壘特性制備了 nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池。此種電池的超晶格量子阱材料中，極薄的 nc-Si層充當(dāng)一個(gè)封閉載流子的量子阱層，nc-Si:H薄膜光學(xué)帶隙依次由頂向下形成過(guò)渡結(jié)構(gòu)，拓展了太陽(yáng)電池對(duì)光的吸收譜、提高光吸收總量和吸收效率；同時(shí)保持第二代薄膜電池低成本優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池及制備方法，以提高硅基太陽(yáng)電池的整體性能，它具有“高效率、低成本和長(zhǎng)壽命”等優(yōu)點(diǎn)。nc-Si :!1/51隊(duì)超晶格量子阱太陽(yáng)電池，按入射光線的方向依次包括玻璃襯底、TCO 透明電極、P+歐姆接觸層、P層、η層、η+歐姆接觸層和aiO/ΑΙ背電極，其特征在于在ρ層和η層之間沉積有nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱，Nc-Si和SiNx的厚度通過(guò)控制薄膜生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制，根據(jù)電池光吸收性能需求和目前生產(chǎn)工藝條件的限制，每層nc-Si :H或SiNx 的厚度盡可能控制在9 士 0. 5nm,周期為45 士 5。
本發(fā)明解決其關(guān)鍵問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是根據(jù)納米材料制備技術(shù)，采用PECVD 逐層沉積技術(shù)沉積不同成分的材料，尤其嚴(yán)格控制電池各層間形成良好的界面和量子阱材料的每層厚度。據(jù)此，其核心加工工藝如下
1、在玻璃襯底上，首先制成絨面結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)光吸收性能；
2、制備TCO透明電極；
3、利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備P+歐姆接觸層，ρ層；
4、利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)逐層交替制備nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱；
5、利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備η層，η+歐姆接觸層；
6、利用濺射技術(shù)制備SiO/Al背電極；
7、進(jìn)行太陽(yáng)電池版刻蝕和封裝后續(xù)工藝。上述制備方案中，步驟2和步驟6采用濺射工藝制備，濺射前本底真空為 1. 6X 10_4Pa，導(dǎo)入氣體總流量為lOOml/min，采用Ar為保護(hù)氣體。上述制備方案中，步驟4采用逐層交替沉積，通過(guò)固定直流偏壓(200V)，控制 nc-Si:H的晶粒大小在2 3nm ；通過(guò)調(diào)節(jié)射頻功率(50W 250W)等控制nc-Si :H晶態(tài)成分，制備光學(xué)帶隙由入射光線的方向依次從大至小的量子阱材料，見(jiàn)圖2，Nc-Si和SiNx的厚度通過(guò)控制薄膜生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制，每單層厚度控制在9士0. 5nm，周期為45士5。步驟3、4和5中所用硅烷的氫稀釋比([SiH4]/[SiH+H2])為5%。步驟3中利用PECVD方法制備ρ+型硅薄膜時(shí)，硼摻雜率(β功/&‘=10%);制備ρ型硅薄膜時(shí)，硼摻雜率(力=5/&=5%)。所用硼烷的氫稀釋比是0. 5%。步驟4中利用PECVD逐層交替沉積nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱材料。所用沉積條件本底真空在1. 6X 10_4Pa，射頻功率為50 250W(頻率為13. 56MHz)，沉積溫度在280 °C，直流偏壓為200V，反應(yīng)壓強(qiáng)為200Pa。其中氫氣和氮?dú)饩鶠?9. 9999%高純氣體。步驟5中利用PECVD方法制備η型硅薄膜時(shí)，磷摻雜率(β :P/Si:m ；制備n+型硅薄膜時(shí)，磷摻雜率(A=/ys/=io%)。所用磷烷的氫稀釋比為ο. 5%。本發(fā)明的有益效果設(shè)計(jì)了新型太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，該新型太陽(yáng)電池具有“高效率，低成本和長(zhǎng)壽命”的優(yōu)點(diǎn)。形成漸變式量子阱材料，拓寬了太陽(yáng)電池的光吸收譜，形成了一種近似全光譜的nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池；具有明顯的量子效應(yīng)，并可產(chǎn)生一個(gè)光子可產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(duì)的多重激發(fā)效應(yīng)。


圖1是太陽(yáng)電池的能量損失分析示意圖2是本發(fā)明的nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱電池的帶隙示意圖； 圖3是本發(fā)明的新型太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
1.太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在透明襯底上設(shè)計(jì)p+/p/nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱/n/n+結(jié)構(gòu)的新型太陽(yáng)電池，見(jiàn)圖 3，增加p+，η+是為了降低半導(dǎo)體材料與金屬電極的接觸電阻，提高短路電流；nc-Si:H/SiNx 中nc-Si:H光學(xué)帶隙可調(diào)，由此形成nc-Si:H的光學(xué)帶隙按入射光線的方向依次遞減，可有效擴(kuò)大光譜吸收范圍。
2.新型太陽(yáng)電池的制備 2. 1透明襯底玻璃的清洗
一、用比例為1:2 5的氨水、雙氧水、去離子水混合煮沸5 10分鐘；
二、分別依次用甲苯、丙酮、酒精超聲波清洗15分鐘；
三、用去離子水沖洗玻璃表面；
四、用高純氮?dú)獯蹈桑?br> 透明襯底清洗后可制備絨面結(jié)構(gòu)。2. 2制備設(shè)備及材料
設(shè)備PECVD沉積系統(tǒng)、超聲波清洗設(shè)備、濺射臺(tái)； 材料濃度為5%的高氫稀釋硅烷、濃度為0. 5%的高氫稀釋硼烷和磷烷、純度為99. 99% 的氫氣；丙酮、酒精、甲苯、棉絮、高純氮?dú)獾取?.3 上下電極利用磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)。2. 4 界面缺陷處理
PECVD沉積每層硅薄膜后，對(duì)薄膜進(jìn)行5分鐘氫鈍化處理，以降低表面載流子復(fù)合。2.5電池刻蝕與封裝
實(shí)施效果該新型太陽(yáng)電池與第一代和第二代太陽(yáng)電池相比，既降低了生產(chǎn)材料消耗， 又保證了太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率，并且理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)飛0%，遠(yuǎn)超第一代和第二代硅基太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率(32. 5%)。
權(quán)利要求
1.nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池，按入射光線的方向依次包括玻璃襯底、TCO透明電極、P+歐姆接觸層、P層、η層、η+歐姆接觸層和SiO/Al背電極，其特征在于在ρ層和 η層之間沉積有nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱，Nc-Si和SiNx的厚度通過(guò)控制薄膜生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制，每層nc-Si H或SiNx的厚度控制在9 士 0. 5nm,量子阱周期為45 士 5。
2.如權(quán)利要求1所述的nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池的制備方法，包括在玻璃襯底上成絨面結(jié)構(gòu)的步驟、制備TCO透明電極的步驟、利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備P+歐姆接觸層，P層的步驟、利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備η層，η+歐姆接觸層的步驟、利用濺射技術(shù)制備SiO/Al背電極的步驟和進(jìn)行太陽(yáng)電池版刻蝕和封裝的的步驟，其特征在于在制備P層之后和制備η層之前，利用等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)逐層交替制備 nc-Si :H/SiNx超晶格量子阱；所用沉積條件本底真空在1.6X10_4Pa，射頻功率為50 250W，頻率為13. 56MHz,，沉積溫度在觀0。C，直流偏壓為200V，反應(yīng)壓強(qiáng)為200Pa，通過(guò)固定直流偏壓200V，控制nc-Si :H的晶粒大小在2 3nm ；通過(guò)調(diào)節(jié)射頻功率50W 250W控制 nc-Si: H晶態(tài)成分，制備光學(xué)帶隙由入射光線的方向依次從大至小的量子阱材料，Nc-Si和 SiNx的厚度通過(guò)控制薄膜生長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行控制，每單層厚度控制在9士0. 5nm，量子阱周期為 45 士 5。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池，特指一種應(yīng)用nc-Si:H和SiNx構(gòu)成超晶格納米量子阱材料的新型太陽(yáng)電池，利用納米硅的帶隙可調(diào)性和結(jié)合多氮化硅的良好勢(shì)壘特性制備了nc-Si:H/SiNx超晶格量子阱太陽(yáng)電池，此種電池的超晶格量子阱材料中，極薄的nc-Si層充當(dāng)一個(gè)封閉載流子的量子阱層，nc-Si:H薄膜光學(xué)帶隙依次由頂向下形成過(guò)渡結(jié)構(gòu)，拓展了太陽(yáng)電池對(duì)光的吸收譜、提高光吸收總量和吸收效率；同時(shí)保持第二代薄膜電池低成本優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102157594SQ20111006639
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者丁建寧, 盧超, ?？? 程廣貴, 郭立強(qiáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)