一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高效硅基薄膜太陽電池領(lǐng)域，具體為一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法。本發(fā)明采用已制備好的子電池基底，對其進行清洗處理；首先，以高純石英靶為靶材，濺射一層硅氧薄膜；然后抽真空除氧，以金屬鋁靶為靶材，繼續(xù)在硅氧薄膜層上濺射一層鋁膜；接著以高純石英靶為靶材，繼續(xù)在金屬鋁膜上濺射一層硅氧薄膜；最后，將制備好的薄膜放入快速退火爐中退火。這種方法將在疊層電池的子電池之間制備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態(tài)密度的隧穿反射層，此層薄膜兼具了中間層的光學(xué)優(yōu)點和隧道結(jié)的電學(xué)性能，具有寬帶隙、高電導(dǎo)率、低折射率、高缺陷態(tài)密度等特點，能有效地提高硅基薄膜疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
【專利說明】
—種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法，屬高效硅基薄膜太陽電池領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]非晶硅(a_S1:H)薄膜是硅基薄膜太陽電池的基礎(chǔ)材料，具有光吸收系數(shù)大、折射率高和熱性能良好等優(yōu)點。應(yīng)用于太陽電池時，所需薄膜的厚度僅為晶硅的1%左右，非晶硅太陽電池既可采用玻璃等襯底，又可采用不銹鋼、鈦箔、鋁箔和塑料等柔性襯底，因而可做成柔性太陽電池。但非晶硅薄膜太陽電池存在光致衰減(S-W)效應(yīng)，制約了其規(guī)模應(yīng)用。非晶硅/微晶硅(a-s1:H/^C-S1:H)疊層電池，簡稱非/微疊層電池，由不同帶隙的a-S1:H頂電池與Kc-Si = H底電池串聯(lián)而成。這種疊層結(jié)構(gòu)既能拓寬電池的光譜響應(yīng)范圍，提高太陽光譜的利用率，又能降低不穩(wěn)定的非晶硅頂電池的厚度，抑制光致衰減效應(yīng)，從而改善太陽電池的整體穩(wěn)定性。然而，疊層結(jié)構(gòu)并不是子電池的簡單串聯(lián)，其總電池的電流往往取決于較小的非晶硅頂電池電流。因此，疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)重點考慮:(1)各子電池的最大電流需盡量匹配；(2)各子電池之間的隧道結(jié)(Tunnel Recombinat1n Junct1n, TRJ)應(yīng)具有較小的電學(xué)損失與光學(xué)損失。
[0003]針對電流匹配，人們研究了子電池本征吸收層的厚度比，在最佳厚度比值下子電池的電流可獲得良好匹配，例如:非晶娃本征層厚度一般為150-200nm,微晶娃本征層厚度一般為2 μ m。為了增加電池穩(wěn)定性，降低光致衰減效應(yīng)，人們還研究了中間反射層(Intermediate Reflector Layer, IRL)的作用，以在降低本征非晶娃厚度的同時,保持最大的匹配電流；針對電學(xué)損失和光學(xué)損失，人們研究了子電池界面處的隧道結(jié)，由于隧道結(jié)相對電池內(nèi)建電場為反偏結(jié)，任何寄生勢壘都將使電池的電流電壓特性變差，若結(jié)處的光生電子與空穴能完全復(fù)合，就不會產(chǎn)生寄生勢壘而削減子電池的電場。目前，人們對疊層結(jié)構(gòu)的上述兩方面研究尚獨立進行:具有選擇性反射作用的中間反射層是基于光學(xué)的反射與透射原理；而具有較大缺陷態(tài)密度的隧道結(jié)是基于電學(xué)的隧穿復(fù)合理論。因此，其研究成果難以大幅提高疊層太陽電池的性能。綜合考慮疊層結(jié)構(gòu)的子電池界面對整個電池的光學(xué)性能和電學(xué)性能的影響，結(jié)合中間反射層的作用與隧道結(jié)的原理，在子電池界面處制備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態(tài)密度的薄膜，稱此兼具陷光性能和隧穿性能的薄膜為隧穿反射層(Tunnel Recombinat1n Reflector, TRR),以改善娃基薄膜疊層太陽電池的電流匹配度，降低光學(xué)損失與電學(xué)損失，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
[0004]近年來，人們對硅基疊層太陽電池子電池之間的插入層已有了一定的研究。如:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的專利(申請?zhí)?200910078560.8)硅基薄膜疊層太陽能電池隧道結(jié)的制作方法，其特征是插入層為具有較高復(fù)合速率的復(fù)合層材料，非晶納米硅復(fù)合層。此插入層考慮了隧道結(jié)處的隧穿性能，但沒有考慮光學(xué)性能；湖南共創(chuàng)光伏科技有限公司的專利(申請?zhí)?CN201320698865.0) —種電池用復(fù)合中間反射層以及多結(jié)疊層硅基薄膜電池，其特征是該復(fù)合中間反射層是包括至少一層η型S1x或SiNx膜層的多層膜結(jié)構(gòu)，與每層中間反射層相鄰的前一層和后一層均為不含氧或氮的η型硅薄膜摻雜層，通過調(diào)節(jié)O或N含量來調(diào)節(jié)膜層折射率以適應(yīng)不同的陷光要求。此插入層考慮了各子電池交界處的光學(xué)性能，但沒有考慮隧道結(jié)的隧穿性能；景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院的專利(申請?zhí)?201010045857.7)一種具有摻雜中間層結(jié)構(gòu)的非晶/微晶硅疊層太陽電池及其制造方法，采用中間層為n+-ZnO: Α1/ρ+-μ c-S1: H薄膜結(jié)構(gòu)的重摻雜n+p+隧道結(jié)來串聯(lián)頂電池和底電池，雖然此插入層兼顧了陷光性能和隧穿性能，但由于插入層為制備方法不同的兩層薄膜組成，不僅工藝更為復(fù)雜，而且引入了更多的界面態(tài)。鑒于此，本專利發(fā)明了一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法，所制備的插入層薄膜帶隙寬、折射率低、電導(dǎo)率高、缺陷態(tài)密度大，同時兼具中間層的光學(xué)優(yōu)點與隧道結(jié)的電學(xué)特點，能有效地提高疊層電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對【背景技術(shù)】提出的問題，本發(fā)明提供了一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法，這種方法將制備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態(tài)密度的薄膜，此隧穿反射層兼具了中間反射層的光學(xué)優(yōu)點和隧道結(jié)的電學(xué)特點，具有寬帶隙、高電導(dǎo)率、低折射率、高缺陷態(tài)密度等特點，能有效地提高硅基薄膜疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明提供的一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法，其技術(shù)方案包括:在已制備的子電池上濺射硅氧薄膜；在硅氧薄膜上濺射金屬鋁膜；在金屬鋁膜上濺射硅氧薄膜；退火。具體為:
A)采用已制備好的子電池為基底，先對其進行清洗處理，而后用N2吹干；
B)以高純石英靶為靶材，用射頻電源濺射一層硅氧薄膜；
C)抽真空除氧后，以金屬鋁靶為靶材，繼續(xù)在硅氧薄膜層上濺射一層Al膜；
D)以高純石英靶為靶材，繼續(xù)在金屬Al膜上濺射一層硅氧薄膜；
E)將制備好的薄膜放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下快速退火。
[0007]所述步驟(A)具體為:已制備好的子電池基底可選用基于玻璃襯底的非晶硅頂電池或基于柔性襯底的微晶硅底電池，采用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min，而后用N2吹干；
所述步驟(B)具體為:在磁控濺射腔室中，通入濺射氣體Ar氣，以純度為99.999%的S12靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(T40min ；
所述步驟(C)具體為:以純度為99.99%的金屬Al靶為靶材，在預(yù)先抽好真空的腔室中通入濺射的Ar氣，將濺射調(diào)節(jié)功率至60W?74W，預(yù)濺射后繼續(xù)在硅氧薄膜上濺射一層Al膜，時間為2(T30s ；
所述步驟(D)具體為:打開射頻電源，調(diào)節(jié)功率至100W?150W，以純度為99.999%的S12靶為靶材，繼續(xù)在金屬Al膜上濺射2(T40min ；
所述步驟(E)具體為:將制備好的薄膜放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T60(TC快速退火20min。
[0008]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明提出的一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層制備方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明提出的包含隧穿反射層的硅基薄膜疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)圖； 圖3為本發(fā)明提出的隧穿反射層的工作原理圖。
[0009]【具體實施方式】:
實施例1
本實施例按以下步驟:
利用三室等離子體增強氣相化學(xué)沉積(PECVD)鍍膜系統(tǒng)，在玻璃襯底上連續(xù)制備非晶娃電池P層、I層和N層,取出樣品,采用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min,而后用N2吹干；
將襯底安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關(guān)上腔室門后抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關(guān)小主閥，調(diào)節(jié)工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然后關(guān)閉射頻電源和Ar氣；
將關(guān)小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內(nèi)的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射硅氧薄膜時殘留的氧。關(guān)小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈沖電源并調(diào)節(jié)功率至6(T74W，待功率穩(wěn)定后，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續(xù)在硅氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為15?30nm，然后立即關(guān)閉脈沖電源并用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調(diào)節(jié)功率至10(Tl50W，待功率穩(wěn)定后挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續(xù)在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關(guān)閉射頻電源和Ar氣，待分子栗冷卻后取出樣品；
將制備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻后取出；
利用三室等離子體增強氣相化學(xué)沉積(PECVD)鍍膜系統(tǒng)，在隧穿反射層上連續(xù)制備微晶娃電池P層、I層和N層。
[0010]實施例2
本實施例按以下步驟:
利用三室等離子體增強氣相化學(xué)沉積(PECVD)鍍膜系統(tǒng)，在柔性襯底上連續(xù)制備微晶娃電池N層、I層和P層。取出樣品，采用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min,而后用N2吹干；
將襯底安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關(guān)上腔室門后抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關(guān)小主閥，調(diào)節(jié)工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然后關(guān)閉射頻電源和Ar氣；
將關(guān)小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內(nèi)的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以去除濺射硅氧薄膜時殘留的氧。關(guān)小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈沖電源并調(diào)節(jié)功率至6(T74W，待功率穩(wěn)定后，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續(xù)在硅氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為15?30nm，然后立即關(guān)閉脈沖電源并用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調(diào)節(jié)功率至10(Tl50W，待功率穩(wěn)定后挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續(xù)在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關(guān)閉射頻電源和Ar氣，待分子栗冷卻后取出樣品；
將制備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻后取出；
利用三室等離子體增強氣相化學(xué)沉積(PECVD)鍍膜系統(tǒng)，在隧穿反射層上連續(xù)制備非晶娃電池N層、I層和P層。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的制備方法，其特征是:“采用已制備好的子電池基底，對其進行清洗處理；以高純石英靶為靶材，用射頻電源濺射一層硅氧薄膜；抽真空除氧后，以金屬鋁靶為靶材，在硅氧薄膜層上濺射一層鋁膜；以高純石英靶為靶材，再在金屬鋁膜上濺射一層硅氧薄膜；將制備好的薄膜放入快速退火爐中退火”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的子電池基底，其特征在于可以是基于玻璃襯底的非晶硅頂電池基底，也可以是基于柔性襯底的微晶娃底電池基底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅氧薄膜，其特征在于以高純石英靶為靶材，通過控制射頻功率、反應(yīng)氣體流量及濺射時間，制備成3(T50nm厚的S1x(l〈x〈2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的鋁膜，其特征在于先抽真空除去濺射腔室內(nèi)殘留的氧氣，以金屬鋁靶為靶材，通過控制脈沖功率、反應(yīng)氣體流量及濺射時間，制備成15?30nm厚的Al薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的退火，其特征在于在RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T60(TC 快速退火 20min。
【文檔編號】H01L31/20GK104319295SQ201410681933
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】楊雯, 涂曄, 段良飛, 楊培志, 張力元 申請人:云南師范大學(xué)