一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光誘導(dǎo)晶化的新型非晶硅薄膜太陽能電池器件，屬無機(jī)材料太陽能器件制備的工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。光學(xué)薄膜包括減反膜、增透膜、增反膜等，本發(fā)明主要通過控制晶粒大小，來達(dá)到調(diào)制光學(xué)薄膜層的增反和增透功能。本發(fā)明方法特征在于通過等離子體化學(xué)氣相沉積法（PECVD）在氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃上沉積三層分別為p型、i型和n型的非晶硅（a-Si）薄膜，然后使用波長為532nm的倍頻摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光輻照樣品表面，來實現(xiàn)n型和p型層由非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч?poly-Si)光學(xué)薄膜層。通過變化激光能量密度，來控制晶化光學(xué)薄膜層多晶硅晶粒大小，以調(diào)節(jié)光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的無機(jī)材料硅薄膜可應(yīng)用于太陽能汽車玻璃上和建筑物玻璃幕墻上。
【專利說明】一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備工藝，屬無機(jī)材料太陽能電池【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]受到高純度的硅原料極度短缺的影響，發(fā)展新一代的非晶硅(a-Si )薄膜太陽電池在當(dāng)今世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)中顯得相當(dāng)重要。由于a-Si多缺陷的特點，摻雜往往使缺陷密度進(jìn)一步增加，a-Si太陽電池的基本結(jié)構(gòu)不是pn結(jié)，而是pin結(jié)。重?fù)诫s的p、n區(qū)在電池內(nèi)部形成內(nèi)建勢，以收集電荷。i區(qū)是光敏區(qū)，它對光子的吸收系數(shù)很高，對敏感譜域的光吸收殆盡。所以，p/i/n結(jié)構(gòu)的a-Si電池的厚度取500nm左右，而作為死光吸收區(qū)的ρ、η層的厚度限制在1nm量級。
[0003]非晶硅薄膜太陽電池比起晶體硅太陽電池有諸多優(yōu)勢:首先成本低廉，a-Si可以沉積在普通玻璃上，通過低溫(10(T30(TC)工藝，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短；其次它易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力，生產(chǎn)可全流程自動化。但是同時，a-Si的缺點也是很明顯的，主要就是光電轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性較差。為此，在a-Si薄膜的基礎(chǔ)上引入再結(jié)晶技術(shù)，利用激光誘導(dǎo)晶化的方法將沉積好的a-Si薄膜通過退火轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序的多晶硅(poly-Si)薄膜。同時poly-Si薄膜太陽電池的電子遷移率也接近單晶娃薄膜太陽電池，比非晶硅薄膜太陽電池要高廣2個數(shù)量級。
[0004]另外，激光誘導(dǎo)晶化法主要是利用瞬間激光脈沖產(chǎn)生的高能量入射非晶硅薄膜表面，僅在薄膜表層產(chǎn)生熱能效應(yīng)，使非晶硅薄膜在瞬間達(dá)到1000°c左右，從而實現(xiàn)非晶硅向多晶硅的轉(zhuǎn)變。在此過程中，激光脈沖的瞬間能量被非晶硅薄膜吸收并轉(zhuǎn)化為相變能，因此不會有過多的熱能傳導(dǎo)到薄膜襯底。合理選擇激光的波長和功率，使用激光加熱就能夠使非晶硅薄膜達(dá)到熔化的溫度且保證基片的溫度低于450°c。因此激光晶化技術(shù)已成為一種具有良好應(yīng)用前景的微晶硅薄膜制備技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟:
A.采用等離子體化學(xué)氣相沉積法，在射頻功率為35W，功率源電容耦合為13.56MHz，襯底氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃的溫度范圍為180?300°C，氣體輝光氣壓范圍為90Pa以下，制備各層非晶硅；其具體工藝參數(shù)為:
a.ρ型層非晶硅的制備:硼烷B2H6與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.28%，厚度為20?50nm ；b.1型層非晶硅制備:硅烷SiH4與氫氣H2質(zhì)量流量比為10%，厚度為300~600nm ；
c.η型層非晶硅的制備:磷烷PH3與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.55%，厚度為30~50nm ；
B.光學(xué)薄膜層多晶硅的制備:使用波長為532nm的倍頻摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光輻照樣品表面，經(jīng)蠅眼技術(shù)整形為平頂綠色激光后晶化η型和ρ型層非晶硅，實現(xiàn)η型和ρ型層由非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч韫鈱W(xué)薄膜層，調(diào)節(jié)激光能量密度為600~1200mJ/cm2 ；
C.陰極導(dǎo)電電極層的制備:使用磁控濺射制備摻鋁氧化鋅導(dǎo)電電極，厚度為15~30nm ；
D.環(huán)氧樹脂層封裝層的制備:配制環(huán)氧樹脂的透明溶液，澆注薄膜玻璃四周，蓋上上層玻璃蓋子，就得到非晶硅薄膜太陽能電池器件。
[0007]同現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點:
1.非晶硅(a-Si )可以沉積在普通玻璃上，通過低溫(100^300oC )工藝條件來制備。 [0008]2.成本低，生產(chǎn)的耗電量小，能量回收時間短。
[0009]3.載流子遷移率高，利用激光誘導(dǎo)晶化后的多晶硅(poly-Si)遷移率明顯高于非晶娃(a-Si)兩個數(shù)量級。
[0010]4.易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力，生產(chǎn)可全流程自動化。
[0011]通過控制晶化光學(xué)薄膜層多晶硅晶粒大小，可調(diào)節(jié)光學(xué)薄膜層為增反膜或增透膜，來調(diào)整器件的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1本發(fā)明中激光誘導(dǎo)晶化后多晶硅光學(xué)薄膜層的拉曼(Raman)表征圖譜和金相顯微鏡表面形貌表征。
[0013]圖2本發(fā)明中不同功率激光誘導(dǎo)晶化光學(xué)薄膜層的非晶硅太陽能電池電流-電壓(1-V)曲線圖譜電學(xué)性能表征。
[0014]圖3本發(fā)明中基于激光誘導(dǎo)晶化光學(xué)薄膜層的非晶硅薄膜太陽能電池器件結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下:
本實施例的具體工藝步驟如下:
A.采用等離子體化學(xué)氣相沉積法，在射頻功率為35W，功率源電容耦合為13.56MHz，襯底氧化銦錫(ΙΤ0)導(dǎo)電玻璃的溫度范圍為180~300°C，氣體輝光氣壓范圍為90Pa以下，制備各層非晶硅；其具體工藝參數(shù)為:
a.ρ型層非晶硅的制備:硼烷B2H6與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.28%，厚度為30nm ；
b.1型層(本征層)非晶硅制備:硅烷SiH4與氫氣H2質(zhì)量流量比為10%，厚度為500nm ；
c.η型層非晶硅的制備:磷烷PH3與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.55%，厚度為30nm ；
B.光學(xué)薄膜層多晶硅的制備:使用波長為532nm的倍頻摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光輻照樣品表面，經(jīng)蠅眼技術(shù)整形為平頂綠色激光后晶化η型和ρ型層非晶硅，實現(xiàn)η型和ρ型層由非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч韫鈱W(xué)薄膜層，調(diào)節(jié)激光能量密度為lOOOmJ/cm2 ；
C.陰極導(dǎo)電電極層的制備:使用磁控濺射制備摻鋁氧化鋅導(dǎo)電電極，厚度為25nm； D.環(huán)氧樹脂層封裝層的制備:配制環(huán)氧樹脂的透明溶液，澆注薄膜玻璃四周，蓋上上層玻璃蓋子，就得到非晶硅薄膜太陽能電池器件。
[0016]本實施例與上述實施例基本相同，所不同之處在于:
光學(xué)薄膜層多晶硅的制備:使用波長為532nm的倍頻Nd: YAG激光輻照樣品表面，經(jīng)蠅眼技術(shù)整形為平頂綠色激光后，晶化η型和ρ型層非晶硅，實現(xiàn)η型和ρ型層由非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч韫鈱W(xué)薄膜層。主要通過調(diào)節(jié)激光能量密度，以控制晶粒大小，來達(dá)到調(diào)制光學(xué)薄膜層的增反和增透功能，現(xiàn)調(diào)節(jié)激光能量密度為1200mJ/cm2。
[0017]本發(fā)明方法制得的多晶硅光學(xué)薄膜層的非晶硅薄膜太陽能電池器件完全適合于光電太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的要求，可用于太陽能汽車薄膜玻璃和建筑物薄膜玻璃幕墻上，降低加工成本，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0018]通過Raman圖譜表征光學(xué)薄膜層的晶化程度,金相顯微鏡表征光學(xué)薄膜層的表面形貌，ι-v曲線表征太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換性能。本發(fā)明方法制備太陽能電池器件檢測結(jié)果表明:
如圖1 Raman圖所示，特征峰位在520CHT1左右；如金相顯微鏡圖1插圖所示，激光誘導(dǎo)晶化晶粒陣列整齊，晶粒大小統(tǒng)一。
[0019]如圖2 1-V曲線所示，不同激光功率處理后的非晶硅薄膜太陽能電池器件電學(xué)性能與光電轉(zhuǎn)換效率變化明顯，激光能量密度在lOOOmJ/cm2處開路電壓和短路電流達(dá)到較大值，光電轉(zhuǎn)換性能較明顯。
[0020]如器件結(jié)構(gòu)圖3所示，先通過PECVD在導(dǎo)電玻璃上沉積三層P型、i型和η型的非晶硅，接著使用波長為532nm的倍頻摻釹釔鋁石榴石激光晶化η型和ρ型層非晶硅為多晶硅光學(xué)薄膜層，然后磁控濺射摻鋁氧化鋅導(dǎo)電電極，最后在薄膜四周澆注環(huán)氧樹脂透明溶液并蓋上上層玻璃，就得到非晶硅薄膜太陽能電池器件。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光誘導(dǎo)晶化的非晶硅薄膜太陽能電池器件的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟: A.采用等離子體化學(xué)氣相沉積法，在射頻功率為35W，功率源電容耦合為13.56MHz，襯底氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃的溫度范圍為180?300°C，氣體輝光氣壓范圍為90Pa以下，制備各層非晶硅；其具體工藝參數(shù)為: a.P型層非晶硅的制備:硼烷B2H6與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.28%，厚度為20?50nm ； b.1型層非晶硅制備:硅烷SiH4與氫氣H2質(zhì)量流量比為10%，厚度為300?600nm ； c.η型層非晶硅的制備:磷烷PH3與硅烷SiH4質(zhì)量流量比為0.55%，厚度為30?50nm ； B.光學(xué)薄膜層多晶硅的制備:使用波長為532nm的倍頻摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光輻照樣品表面，經(jīng)蠅眼技術(shù)整形為平頂綠色激光后晶化η型和P型層非晶硅，實現(xiàn)η型和P型層由非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч韫鈱W(xué)薄膜層，調(diào)節(jié)激光能量密度為600?1200mJ/cm2 ； C.陰極導(dǎo)電電極層的制備:使用磁控濺射制備摻鋁氧化鋅導(dǎo)電電極，厚度為15?30nm ； D.環(huán)氧樹脂層封裝層的制備:配制環(huán)氧樹脂的透明溶液，澆注薄膜玻璃四周，蓋上上層玻璃蓋子，就得到非晶硅薄膜太陽能電池器件。
【文檔編號】H01L31/20GK104037269SQ201410254559
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】史偉民, 匡華慧, 黃璐, 金晶, 陸舒逸, 楊偉光, 劉進(jìn), 明秀春 申請人:上海大學(xué)