一种窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料及其应用

摘要

一种窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料，是采用层递式循环沉积方法制备的由微晶锗薄膜和非晶锗薄膜交替生长的多层材料，微晶锗薄膜的厚度为20-50nm，非晶锗薄膜的厚度为1-10nm，然后进行等离子体处理或化学退火处理，如此循环沉积微晶锗薄膜和非晶锗薄膜，直至形成总厚度为50-1500nm的微晶锗-非晶锗异质薄膜；该窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料可用于基于Ⅳ族薄膜材料的宽光谱四端叠层硅基薄膜太阳电池。本发明的优点是：可将薄膜太阳电池的光谱响应范围拓展至1800nm，在不增加设备成本的前提下便可获得基于Ⅳ族薄膜材料的新型宽光谱叠层太阳电池，更加充分地利用了太阳光谱，提高了电池的光电转换效率。

说明书

【技术领域】

本发明涉及硅基薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种窄带隙微晶锗-非 晶锗异质吸收层材料及其应用。

【技术背景】

在太阳电池领域中，硅基薄膜太阳电池是受到广泛认可的低成本技术路线。 传统意义上讲，硅基薄膜太阳电池是指以非晶硅、微晶硅、硅锗合金、硅碳合 金、硅氧合金等薄膜材料为本征吸收层的太阳电池，普遍具有原材料消耗量低、 易于大面积制备，制造成本、能耗低，且制造过程无毒、无污染等优势，目前 已逐步走向产业化。

采用不同带隙的吸收层材料制成多结叠层电池，是提高硅基薄膜太阳电池 稳定效率的有效途径。目前，最为常见的叠层电池结构为非晶硅-微晶硅双结叠 层、非晶硅-非晶硅锗-非晶硅锗和非晶硅-非晶硅锗-微晶硅三结叠层结构等。在 上述结构中，首层、第二层和后续层具有递减的带隙，每一层吸收的太阳光谱 波长则不断递增。

但是，无论哪种电池结构，最底层电池的理论带隙均不低于1.1eV，从而将 太阳电池的长波光谱吸收限制在1100nm，仅能利用AM1.5标准太阳光谱总辐 射量的约80%，造成一定的光损失。因此，拓展光谱吸收范围，成为进一步提 高硅基薄膜太阳电池效率的关键。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸 收层材料及其应用，该材料可吸收大于1100nm波长，应用于基于Ⅳ族薄膜材料 的四端叠层太阳电池，结构新颖，能够拓展近红外区域的太阳电池光谱响应，最 大限度地利用太阳光谱。

本发明的技术方案：

一种窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料，是采用层递式循环沉积方法制 备的由微晶锗薄膜和非晶锗薄膜交替生长的多层材料，微晶锗薄膜的厚度为 20-50nm，其内部结晶成分占全部材料的体积百分比为40-80%，晶粒尺寸为 15-40nm，之后沉积非晶锗薄膜的厚度为1-10nm，然后进行等离子体处理或化学 退火处理，如此循环沉积微晶锗薄膜和非晶锗薄膜，直至形成总厚度为 50-1500nm的微晶锗-非晶锗异质薄膜，即为窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材 料。

一种所述窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料的应用，用于基于Ⅳ族薄膜 材料的宽光谱四端叠层硅基薄膜太阳电池，该太阳电池由衬底、金属电极、透明 导电电极、底端电池的n型掺杂层、微晶锗-非晶锗异质吸收层、底端电池的p 型掺杂层、透明导电与栅线复合电极、中间透明绝缘层、透明导电与栅线复合电 极、微晶硅电池、非晶硅锗电池、非晶硅电池和透明导电与栅线复合电极叠加 构成，其中金属电极、透明导电电极、底端电池的n型掺杂层、微晶锗-非晶锗 异质吸收层、底端电池的p型掺杂层和透明导电与栅线复合电极构成以微晶锗- 非晶锗异质材料为吸收层的薄膜太阳电池的底端电池，用于吸收1100-1800nm波 段的长波太阳光谱，透明导电与栅线复合电极、微晶硅电池、非晶硅锗电池、非 晶硅电池和透明导电与栅线复合电极构成传统的硅基薄膜叠层顶端电池，用于吸 收300-1100nm波段的太阳光谱，底端电池和顶端电池各有电池两极并设有四个 引出端，底端电池和顶端电池之间以透明绝缘层相连，其电阻率高于1010Ωcm、 1100-1800nm波段透过率高于60%、折射率为1.5-3.0。

本发明的工作原理：

采用层递式沉积方法制备的新型微晶锗-非晶锗异质吸收层材料，具有优异 的光电转换能力。这是因为，具有单一成分的微晶锗材料，在生长过程中随着 厚度的增加而不断累积晶界缺陷，缺陷态密度的大幅增加使载流子输运特性变 差，进而使材料失去吸收光子并将其转换成电子的能力。采用层递式沉积方法， 在沉积一定厚度的微晶锗材料后，沉积一层非晶锗薄层，并结合一定的等离子 体处理或者化学退火处理技术，可以有效减缓因晶粒长大、交联而形成的晶界 缺陷，达到钝化晶界缺陷的目的。另外，周期性的微晶锗-非晶锗异质结构是一 种多量子阱材料，带隙为1.1eV的非晶锗材料构成电子和空穴的势垒，通过改 变非晶锗层的厚度，可以调节微晶锗-非晶锗异质吸收层材料的带隙，使之在 0.70-1.10eV之间变化，达到拓展电池近红外区域光谱响应的目的。

为了充分发挥微晶锗-非晶锗异质吸收层材料的窄带隙优势，提高电池转换 效率，我们提出一种新颖的四端叠层电池结构设计。硅基薄膜叠层太阳电池的 传统结构是，带隙由宽到窄的不同子电池分别吸收由短波到长波的太阳光谱， 各个子电池之间以隧穿结的形式串联结合，实现电流的输运。然而，若将窄带 隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料直接用于传统结构的硅基薄膜叠层太阳电池 中，由于受到叠层电池电流匹配原则的限制，在开路电压相对较低的前提下无 法真正提高叠层电池的转换效率。采用新颖的四端叠层电池结构，以绝缘性透 明中间层材料代替传统的n/p隧穿结，实现顶端电池与底端电池的物理连接以 及电学分隔，使顶端电池与底端电池可以分别吸收300-1100nm和1100-1800nm 波段的太阳光谱，在电学上互不影响，摆脱了叠层电池电流匹配原则的限制； 另一方面，低折射率的透明氧化物绝缘层，具有光管理的功能，起到中间反射 层的作用，对入射光进行选择性再分配，将适合的短波长光反射回到顶端电池， 同时保证适合底端电池利用的光能够有效地透射，最终使微晶锗-非晶锗异质吸 收层材料的窄带隙优势得到充分发挥。

本发明的优点和有益效果是：研发制备出一种用于薄膜太阳电池的新型吸 收层材料，即基于晶界钝化技术的周期性窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材 料，该材料具有低缺陷态密度的特征，并且带隙可在0.70-1.10eV之间连续可调， 可将薄膜太阳电池的光谱响应范围拓展至1800nm，实现宽光谱吸收，可有效利 用AM1.5太阳光谱总辐射量的95%；该材料用于基于Ⅳ族薄膜材料的宽光谱四 端叠层电池，可充分发挥窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料在拓展光谱响应 范围方面的优势，并且与传统的硅基薄膜叠层电池技术相兼容，使两者有机结 合，在不增加设备成本的前提下便可获得基于Ⅳ族薄膜材料的新型宽光谱太阳 电池，更加充分地利用了太阳光谱，提高了电池的光电转换效率。

【附图说明】

图1为窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料结构示意图。

图中：1.微晶锗材料i1  2.非晶锗材料i2

3.微晶锗材料i1        4.非晶锗材料i2

5.微晶锗材料i1        6.非晶锗材料i2

7.微晶锗材料i1        8.非晶锗材料i2

9.微晶锗材料i1        10.非晶锗材料i2

11.微晶锗材料i1       12.非晶锗材料i2

13.微晶锗材料i1       14.非晶锗材料i2

15.微晶锗材料i1       16.非晶锗材料i2

17.微晶锗材料i1       18.非晶锗材料i2

19.微晶锗材料i1       20.非晶锗材料i2

21.微晶锗材料i1       22.非晶锗材料i2

23.微晶锗材料i1       24.非晶锗材料i2

25.微晶锗材料i1       26.非晶锗材料i2

图2是基于Ⅳ族薄膜材料的宽光谱四端叠层电池结构示意图。

图中：27.衬底 28.金属电极 29.透明导电电极 30.底端电池的n型掺杂层 31.窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层 32.底端电池的p型掺杂层 33.透明导电与栅线复合电极 34.透明绝缘层 35.透明导电与栅线复合电极 36.微晶硅电池 37.非晶硅锗电池 38.非晶硅电池 39.透明导电与栅线复合电极

【具体实施方式】

实施例：

一种窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料，如图1所示，是采用层递式循 环沉积方法制备的由微晶锗薄膜和非晶锗薄膜交替生长的多层材料，其中微晶锗 薄膜1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25采用等离子辅助反应热 CVD技术制备，即通过锗烷和氢气的化学反应在沉积温度为250-350℃下制备， 气体体积流量百分比是：锗烷占0.1-2％、氢气为余量，微晶锗薄膜的厚度为 45nm，其内部结晶成分占全部材料的体积百分比为60%，晶粒尺寸为30nm，带 隙为0.7-0.8eV；非晶锗薄膜2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、 26采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，反应气体为纯锗烷，反应温度为 250-300℃，薄膜厚度为5nm；微晶锗-非晶锗异质薄膜的总厚度为650nm。

将该窄带隙微晶锗-非晶锗异质吸收层材料用于基于Ⅳ族薄膜材料的宽光谱 四端叠层硅基薄膜太阳电池，该太阳电池由衬底27、金属电极28、透明导电电 极29、底端电池的n型掺杂层30、微晶锗-非晶锗异质吸收层31、底端电池的p 型掺杂层32、透明导电与栅线复合电极33、透明绝缘层34、透明导电与栅线复 合电极35、微晶硅电池36、非晶硅锗电池37、非晶硅电池38和透明导电与栅 线复合电极39叠加构成，其中金属电极28、透明导电电极29、底端电池的n 型掺杂层30、微晶锗-非晶锗异质吸收层31、底端电池的p型掺杂层32和透明 导电与栅线复合电极33构成以微晶锗-非晶锗异质材料为吸收层的薄膜太阳电池 的底端电池，用于吸收1100-1800nm波段的长波太阳光谱，透明导电与栅线复合 电极35、微晶硅电池36、非晶硅锗电池37、非晶硅电池38和透明导电与栅线 复合电极39构成传统的硅基薄膜叠层顶端电池，用于吸收300-1100nm波段的太 阳光谱，底端电池和顶端电池各有电池两极并设有四个引出端28、33、35、39， 底端电池和顶端电池之间以透明绝缘层34相连，其电阻率高于10¹⁰Ωcm、 1100-1800nm波段透过率高于60%、折射率为1.5-3.0。

该实施例中涉及的中间透明绝缘层材料为氢化非晶硅氧材料，采用等离子体 增强化学气相沉积技术制备，即通过硅烷、二氧化碳和氢气的化学反应在沉积温 度为200℃下制备，厚度为500nm，折射率为2.0-2.5。微晶硅电池37、非晶硅 锗电池38和非晶硅电池39采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，其串联得 到的传统叠层硅基薄膜太阳电池可以达到12-13％的转换效率，与底端电池相结 合，可以使基于Ⅳ族薄膜材料的四端叠层电池转换效率达到13-14％。