非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池p型層的制備方法及用途
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池P型層的制備方法及用途。該方法是采用RF-PECVD沉積制備頂電池的P型層，反應氣體為氫氣、硅烷、硼烷，沉積時氫氣、硅烷與硼烷的氣體流量體積比例保持在150～200：1：3～8，其中，硼烷為硼烷體積濃度為0.5%的硼烷氫氣混合氣體，氣壓為160～220Pa，制備溫度在100℃以內(nèi)，腔室內(nèi)功率密度在300mW/cm2以上；該P型層帶隙寬度在2.0eV以上。該P型層使得頂電池獲得更高的開路電壓并適當降低其短路電流密度，使頂電池在雙結(jié)及三結(jié)電池各子電池中產(chǎn)生的短路電流最低，從而形成“頂電池電流限制”效應，以有效地提高各子電池之間的電流匹配及整體電池的填充因子，從而提高雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池 P型層的制備方法及用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于硅基薄膜太陽電池領(lǐng)域，涉及一種非晶硅鍺薄膜太陽電池；具體來說， 涉及一種用于雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池的新型P層的制備方法及用途。

【背景技術(shù)】
[0002] 在各種薄膜電池中，非晶硅（a_Si:H)薄膜太陽電池是開發(fā)最早、研究最多的薄 膜電池。由于非晶硅薄膜材料本身帶隙較寬，對太陽光譜中長波光吸收不充分，限制了電 池效率的進一步提高。為了拓寬對太陽光譜的有效吸收范圍，人們將帶隙寬度較低并且 連續(xù)可調(diào)的非晶硅鍺（a-SiGe:H)材料應用到電池中，提出了非晶硅/非晶硅鍺（a_Si:H/ a-SiGe:Η)雙結(jié)薄膜太陽電池以及非晶硅/非晶硅鍺/非晶硅鍺（a-Si :H /a-SiGe:H/ a-SiGe:H)三結(jié)薄膜太陽電池的設計。雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池可以有效的拓寬 電池對太陽光譜的有效吸收范圍，頂電池非晶硅子電池帶隙最寬，其吸收短波長能量較高 的光，中間電池及底電池依次吸收長波長處能量較低的光。
[0003] 由于各子電池之間的串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，電池最終的電流輸出由產(chǎn)生電流最小的那個子 電池決定，因此各子電池之間的電流匹配就顯得十分重要，在制備雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺電 池時，存在的問題主要是太陽光主要被頂電池吸收，剩余被中間電池及底電池有效吸收的 光不足，從而造成頂電池電流較高，而中電池及底電池電流較低，最終限制了總的電流輸 出。如果一味降低頂電池的厚度，則容易造成頂電池的開路電壓降低，從而導致電池總的電 壓下降，影響電池光電轉(zhuǎn)換效率提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種應用于雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜 太陽電池頂電池的新型P層，在制備雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池的P層時，相 比于底電池和中間子電池的P層，采用更高的氫稀釋比例、更高的功率和氣壓以及較低的 沉積溫度，沉積形成帶隙寬度更高的P型納米硅層。從而，使得制備的頂電池獲得更高的開 路電壓并適度降低其短路電流密度，使頂電池在雙結(jié)及三結(jié)電池各子電池中產(chǎn)生的短路電 流最低，從而形成"頂電池電流限制"效應，這樣的設計能有效地提高各子電池之間的電流 匹配及整體電池的填充因子，從而提高雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池P型層的制備 方法，該方法是采用等離子增強化學氣相沉積（RF-PECVD)方法沉積制備頂電池的P型摻雜 層，反應氣體為氫氣、娃燒、硼燒，制備溫度在1 〇〇 °c以內(nèi)，沉積時氫氣、娃燒與硼燒的氣體流 量體積比例保持在150?200 :1 :3?8,其中，硼烷為以氫氣稀釋，體積濃度為0. 5%的硼 烷氫氣混合氣體；腔室內(nèi)氣壓保持在160-220 Pa,腔室內(nèi)功率密度在300 mW/cm2以上；所 述的P型摻雜層帶隙寬度在2.0 eV以上。所述功率密度越高，在一定范圍內(nèi)，薄膜生長速 率越快，成膜質(zhì)量會相應降低，同時伴隨腔室內(nèi)黃粉等污染增多，因此并不是越高越好的趨 勢；但為了制備出本發(fā)明所要求的P型層，應保持在300 mW/cm2以上。另外，帶隙寬度在2.0 eV以上，已經(jīng)是一個非常高的值，且由于材料本身特性所限，該帶隙寬度值并不能隨意繼續(xù) 增大。
[0006] 上述的制備方法，其中，所述的制備溫度為70?80 °C。
[0007] 上述的制備方法，其中，沉積時腔室內(nèi)氣壓保持在200 Pa (2.0 mbar)。
[0008] 上述的制備方法，其中，所述的P型摻雜層厚度為15?30nm。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種上述方法制備的P型層，其中，該P型摻雜層帶隙寬度在2. 0 eV以上，厚度為15?30nm。 本發(fā)明還提供了一種上述的制備方法制備的P型層的用途，該P型層能用于雙結(jié)及三 結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種雙結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池，其由依次從下向上設置的襯 底、背電極、底電池、頂電池及前電極構(gòu)成，其中，頂電池由N型摻雜層、非晶硅本征吸收層 及P型摻雜層構(gòu)成，該頂電池的P型摻雜層是由上述的制備方法制成的。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池，其由依次從下向上設置的襯 底、背電極、底電池、中間電池、頂電池及前電極構(gòu)成，其中，頂電池由N型摻雜層、非晶硅本 征吸收層及P型摻雜層構(gòu)成，其中，該頂電池的P型摻雜層是由上述的制備方法制成的。
[0012] 本發(fā)明的工作原理：相比較中間子電池及底層子電池的P層，采用更高的氫稀釋 比例、更高的功率和氣壓以及較低的沉積溫度，沉積形成帶隙寬度更高的P型納米硅層，將 其應用于頂電池中，原先一部分被P層吸收的高能量光子可以透過這種帶隙更高的P層，被 頂電池本征層有效吸收產(chǎn)生電子空穴對，因此即使頂電池厚度保持在較低的水平，也能產(chǎn) 生需要的電流值。頂電池厚度較低，可以讓更多的光入射至中間子電池及底電池，使得下面 的子電池產(chǎn)生足夠的電流，形成"頂電池電流限制效應"，這種設計可以使得雙結(jié)及三結(jié)電 池的電流值達到最優(yōu)，同時，寬帶隙的P層還可以進一步提高頂電池的開路電壓，從而提高 電池總體的開路電壓。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的方法制備的這種帶隙寬度更高的頂電池 P型摻 雜層可以使得頂電池的電流保持在較低水平，形成頂電池電流限制效應，優(yōu)化雙結(jié)及三結(jié) 電池的電流匹配，同時提高電池整體的開路電壓，同時，由于各子電池之間的優(yōu)化，電池的 填充因子也會上升，從而提高雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【具體實施方式】
[0014] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步地說明。
[0015] 實施例1 以25 mm厚的柔性聚酰亞胺為襯底，采用等離子體輔助化學氣相沉積方法（PECVD，工 作頻率為13. 56 MHz)，在具有Ag/ZnO復合背反射層的襯底上沉積N-I-P結(jié)構(gòu)的雙結(jié)非晶硅 鍺薄膜（a-Si :H/a-SiGe:H)，其中N層反應氣體為氫氣、硅烷、磷烷，厚度約為50 nm;I層反 應氣體為氫氣、硅烷及鍺烷，厚度約為200?300 nm ;P層反應氣體為氫氣、硅烷、硼烷，厚度 約為15?30 nm。采用磁控濺射方法(工作頻率為13. 56 MHz)沉積相同的ITO (銦錫氧化 物）薄膜作為前電極，厚度約為70 nm。
[0016] 以上結(jié)構(gòu)的非晶硅鍺薄膜電池在本征層的沉積過程中均采用了 V型漸變帶隙結(jié) 構(gòu)。電池在25°C，AM 0太陽光譜（1353 W/m2)下進行太陽電池輸出特性測試。
[0017] 分別制備了普通的非晶硅（a-Si)P型層以及不同工藝條件的納米硅（nc-Si:H)P 型層作為雙結(jié)非晶硅鍺薄膜電池頂電池的P層，具體參數(shù)如表1所示，對應電池的I-V性能 如表2所示。從微觀尺度上，所有硅基薄膜電池的各個膜層都是納米結(jié)構(gòu)的，為了區(qū)別于普 通的非晶硅以及微晶硅，研究人員特意將這種寬帶隙的P層稱為"納米硅"（nc-Si:H)，以區(qū) 別于普通摻雜的P型非晶硅。
[0018] 現(xiàn)有技術(shù)中，典型非晶結(jié)構(gòu)的P層采用與N型層相似的沉積條件，應用到電池中由 于頂電池帶隙寬度的限制導致電池開路電壓和填充因子都相對較低，兩子電池(頂電池、底 電池)電流的匹配較差導致短路電流密度很低，目前已很少使用。采用非晶硅單結(jié)電池中所 通常使用的P型層條件，即表1中nc-Si :H-1條件，電池樣品B的開路電壓和填充因子都大 幅提升，這一改進已經(jīng)普遍地應用在硅基薄膜太陽電池的工藝制備中。在此基礎(chǔ)上，采用優(yōu) 化后的新納米P層條件，即nc-Si :H-2條件，制備的雙結(jié)非晶硅鍺薄膜電池樣品C的開路電 壓和填充因子進一步提高，優(yōu)化的各子電池電流匹配也使得其短路電流密度得到提升，從 而使得制備的電池光電轉(zhuǎn)換效率得到進一步提高。這一實驗結(jié)果表明，新型的P型摻雜層 相比較已經(jīng)普遍采用的P型層，更適合應用于雙結(jié)電池的頂電池當中。
[0019] 表1不同結(jié)構(gòu)的頂電池 P層制備參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池P型層的制備方法，其特征在于，該方法是采用 等離子增強化學氣相沉積法，沉積制備頂電池的P型層，反應氣體為氫氣、硅烷、硼烷，制 備溫度在l〇〇°C以內(nèi)，沉積時氫氣、硅烷與硼烷的氣體流量體積比例保持在150?200 :1 : 3?8,其中，硼烷為以氫氣稀釋，體積濃度為0. 5%的硼烷氫氣混合氣體；腔室內(nèi)氣壓保持在 160-220 Pa，腔室內(nèi)功率密度在300 mW/cm2以上；所述的P型層帶隙寬度在2. 0 eV以上。
2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的制備溫度為70?80 °C。
3. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，沉積時腔室內(nèi)氣壓保持在200 Pa。
4. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的P型層厚度為15?30nm。
5. -種采用權(quán)利要求1的制備方法制備的P型層，其特征在于，該P型層帶隙寬度在 2. 0 eV以上，厚度為15?30nm。
6. -種采用權(quán)利要求1的制備方法制備的P型層的用途，其特征在于，該P型層能用于 雙結(jié)及三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池頂電池。
7. -種雙結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池，其由依次從下向上設置的襯底、背電極、底電池、 頂電池及前電極構(gòu)成，其中，頂電池由N型摻雜層、非晶硅本征吸收層及P型摻雜層構(gòu)成，其 特征在于，該頂電池的P型摻雜層是由權(quán)利要求1的制備方法制成的P型層。
8. -種三結(jié)非晶硅鍺薄膜太陽電池，其由依次從下向上設置的襯底、背電極、底電池、 中間電池、頂電池及前電極構(gòu)成，其中，頂電池由N型摻雜層、非晶硅本征吸收層及P型摻雜 層構(gòu)成，其特征在于，該頂電池的P型摻雜層是由權(quán)利要求1的制備方法制成的P型層。
【文檔編號】H01L31/076GK104393120SQ201410556353
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】楊君坤, 劉成, 徐正軍, 段波濤, 葉曉軍 申請人:上海空間電源研究所