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法律状态信息
法律状态
2017-04-19
授权
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2014-03-19
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L31/042 申请日:20131120
实质审查的生效
2014-02-19
公开
公开
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种多结多叠层硅基薄膜太阳能电池 及其制造工艺，可方便应用于大规模产业化的硅基薄膜太阳能电池的制造技 术中。
背景技术
硅基薄膜太阳电池因其原材料储量丰富、无污染、制备工艺简单、便于 大面积连续化生产等优点，受到国内外专家的广泛关注，其中非晶硅/微晶硅 薄膜太阳电池是最常用的叠层太阳能电池，但就目前来讲，叠层电池仍存在 许多限制，如对于p型及n型非晶硅和微晶硅薄膜材料，由于结构的无序和 高的缺陷态密度及高的掺杂量，载流子的扩散长度很短，因此需要在p/n层 之间加入i层结构，这样既可以保证足够的光吸收，同时又可以提供足够的 内部电场。但i层的引入同样带入界面问题，由于p层和i层的带隙宽度不 同，p/i之间存在着界面缺陷和壁垒，导致光生载流子不能被有效收集。对于 单室沉积来说，由于pin层在同一腔室沉积，本征i层容易受到掺杂原子污 染，致使本征层及界面特性变差。同时，由于p层和TCO前电极要形成良好 的欧姆接触，起到构建电场的作用。因此，本申请设计高电导率的接触层， 宽带隙的窗口层和缓冲层，以及具有梯度带隙宽度的非晶碳化硅本征层以满 足特性需要。专利101866963A公开了一种高转化率硅基多结多叠层PIN 薄膜太阳能电池及其制造方法，本专利通过引用合并于此。
发明内容
本发明主要针对现有工艺技术上的不足，例如窗口层电导率较低，转化 效率低，而提出一种新的工艺制造方法，该方法通过采用宽带隙p-A-SiC接 触层，可以提升电池的导电性；采用宽带隙p-A-SiC窗口层，可以提升顶电 池对短波长蓝光的吸收；采用宽带隙p-A-SiC缓冲层减少界面壁垒，降低电 池的串联电阻及光吸收损失，提高光生载流子的收集效率，同时消除掺杂的 多余硼元素对本征层的影响；通过采用具有梯度带隙宽度的叠层i-A-SiC层， 以此增加太阳光谱的利用效率，提高光吸收。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
本发明的技术方案之一：
一种多结多叠层硅基薄膜太阳能电池，该电池结构为以下诸种之一：
（1）基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠层 i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-μc-SiC/i-μc-SiC/n-μc-SiC/中间反射层 /p-A-Si/i-A-Si/n-A-Si/中间反射层/p-A-Si1-xGex/i-A-Si1-xGex/n-A-Si1-xGex/ 中间反射层/p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层 /p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
（2）基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠层 i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-A-Si/i-A-Si/n-A-Si/中间反射层/ p-A-Si1-xGex/i-A-Si1-xGex/n-A-Si1-xGex/中间反射层/ p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层 /p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
（3）基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠层 i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-A-Si1-xGex/i-A-Si1-xGex/n-A-Si1-xGex/中 间反射层/p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层 /p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
（4）基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠层 i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层 /p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
其中，所述p层、i层、n层均选自c-Si1-xGex、A-Si1-xGex、c-SiC、 A-SiC、c-Si、A-Si、A-SiOx，μc-Si、μc-SiC、μc-SiOx、μc-Si1-xGex半导体材 料中的一种，n-表示电子型(n型)半导体，i-表示本征半导体，p-表示空穴型 (p型)半导体；0＜x＜1；“/”表示两层之间的界面；基片是玻璃、不锈钢或高 分子材料。A表示非晶，μc表示微晶。
所述接触层优选为p型非晶碳化硅，采用SiH4/H2气体体积流量比为 0.5～5.0的混合气体，通过掺杂CH4和TMB（三甲基硼），并采用等离子体 增强化学气相沉积方法（PECVD）形成，其中CH4/SiH4气体体积流量比为 0.01～3.0，TMB/SiH4气体体积流量比为0.01～2.0，反应室气体的压强为0.3 mbar～1.0mbar，射频功率密度为10mW/cm2～350mW/cm2，带隙宽度为2.1 eV～2.3eV；所述接触层厚度优选为：2nm～10nm。
所述的窗口层优选为p型非晶碳化硅，采用SiH4/H2气体体积流量比为 0.05～5.0的混合气体，通过掺杂CH4和TMB，并采用等离子体增强化学气 相沉积方法形成，其中CH4/SiH4气体体积流量比为0.02～3.0，TMB/SiH4气体体积流量比为0.01～3.0，反应室的反应气体压强为0.3mbar～3.0mbar， 射频功率密度为10mW/cm2～350mW/cm2，带隙宽度为2.0eV～2.1eV；所述 窗口层厚度优选为：2nm～10nm。
所述的缓冲层优选为p型非晶碳化硅，采用SiH4/H2气体体积流量比为 0.02～5.0的混合气体，通过掺杂CH4，并采用等离子体增强化学气相沉积方 法形成，其中CH4/SiH4体积比为0.1～2.0，所述的缓冲层沉积压强在1.0 mbar～3.0mbar，带隙宽度为1.8eV～2.0eV；所述缓冲层厚度优选为：5nm～ 15nm。
所述的叠层i-A-SiC本征层数量优选为1～3层，采用等离子体增强化学 气相沉积方法形成，氢稀释比SiH4/H2为0.2～5，反应室的反应气体压强为 0.3mbar～2.0mbar，带隙宽度为1.8eV～2.1eV；所述叠层i-A-SiC本征层厚 度优选为：100nm～300nm。
所述的中间反射层优选为n-SiOx或SiNx；其中n-SiOx的制备工艺为：采 用等离子体增强化学气相沉积方法，其中SiH4/H2气体体积流量比为0.01～ 0.5，CO2/SiH4气体体积流量比为0.5～3.5，(0.5%PH3/H2)/SiH4体积流量比 为0.01-0.5；工艺压力为1.0mbar～5.0mbar，射频功率密度为10mW/cm2～ 350mW/cm2；所述的中间反射层厚度优选为：10nm～100nm。其中0.5%PH3/H2表示PH3与H2的混合气体，且其中PH3体积分数为0.5%。
所述多结多叠层硅基薄膜太阳能电池，优选：
所述的p-A-SiC接触层厚度为：2nm～10nm；
所述的p-A-SiC窗口层厚度为：2nm～10nm；
所述的p-A-SiC缓冲层厚度为：5nm～15nm；
所述的叠层i-A-SiC本征层厚度为：100nm～300nm；
所述的中间反射层厚度为：10nm～100nm。
本发明的技术方案之二：多结多叠层硅基薄膜太阳能电池的制造工艺， 包括以下步骤：
（1）对玻璃基板进行清洗；
（2）在基板上制备TCO前电极；
（3）采用355nm波长激光器将TCO前电极分割形成子电池的电极；
（4）对划刻后的玻璃基板再次进行清洗；
（5）在具有导电膜的玻璃基片上，采用等离子体增强化学气相沉积工艺 制备非晶和微晶硅基薄膜；具体包括；p-A-SiC接触层沉积、p-A-SiC窗口层 沉积、p-A-SiC缓冲层沉积以及叠层i-A-SiC本征层沉积；
所述p-A-SiC接触层沉积，相关工艺参数为：
衬底温度150℃～300℃，SiH4/H2气体体积流量比为0.5～5.0，CH4/SiH4气体体积流量比为0.02～3.0，TMB/SiH4气体体积流量比为0.01～2.0，反应 腔室气压为0.3mbar～1.0mbar，射频功率密度为10mW/cm2～350mW/cm2； 所述的p-A-SiC接触层厚度为：2nm～10nm；
所述p-A-SiC窗口层沉积，相关工艺参数为：
衬底温度150℃～300℃，SiH4/H2气体体积流量比为0.05～5.0，CH4/SiH4气体体积流量比为0.02～3.0，TMB/SiH4气体体积流量比为0.01～3.0，反应 腔室气压为0.3mbar～3.0mbar，射频功率密度为10mW/cm2～350mW/cm2； 所述的p-A-SiC窗口层厚度为：2nm～10nm；
所述p-A-SiC缓冲层沉积，相关工艺参数为：
衬底温度150℃～300℃，SiH4/H2气体体积流量比为0.02～5.0，CH4/SiH4体积比为0.1～2.0，反应腔室气压为1.0mbar～3.0mbar，射频功率密度为10 mW/cm2～350mW/cm2；所述的p-A-SiC缓冲层厚度为：5nm～15nm；
所述叠层i-A-SiC本征层沉积，相关工艺参数为：
衬底温度150℃～300℃，叠层数量为1～3层，叠层总厚度为100～ 300nm，氢稀释比SiH4/H2为0.2～5，反应腔室气压为0.3mbar～2.0mbar，射 频功率密度为10mW/cm2～350mW/cm2；所述的叠层i-A-SiC本征层厚度为： 100nm～300nm；
（6）采用532nm波长激光器划刻镀膜后的玻璃基片，便于TCO背电极作 为导线连接子电池；
（7）制备TCO背电极；
（8）采用532nm波长激光器划刻硅基薄膜和TCO背电极，形成单个的子 电池；
（9）对电池边缘进行激光划线处理；
（10）对电池进行电路连接及封装。
本发明所制得的p-A-SiC接触层，p-A-SiC窗口层，p-A-SiC缓冲层以及 i-A-SiC本征层薄膜的性能如表1所示：
表1p-A-SiC和i-A-SiC薄膜性能
与现有技术相比，本发明的优势是：
1、本发明形成接触层使窗口层和前电极之间形成良好的欧姆接触，增 加导电性能；形成窗口层可有效增强对短波段光的吸收，减少窗口层对长波 段光的吸收，提高本征层的吸收效率；形成缓冲层可以有效缓冲p层与本征 层间的势垒高度，减少带边能级跃变，同时还可以阻挡腔室内剩余B元素杂 质对本征层的污染。
2、本发明可以有效提高叠层太阳能电池的吸收效率及光生载流子的收集 效率，改善p/TCO前电极，p/i层之间的界面性能，减少本征层的杂质污染， 提高电池的短路电流密度及光电转化效率，本发明的多结多叠层硅基薄膜太 阳能电池的转换效率有望达到19%，可应用于大面积硅基薄膜太阳能电池的 制备及大批量工业生产。
附图说明
图1是三结多叠层硅基薄膜太阳能电池制造工艺流程；
图2是四结多叠层硅基薄膜太阳能电池制造工艺流程；
图3是本发明实施例中的三结多叠层硅基薄膜太阳能电池的结构示意 图；
图4是本发明实施例中另一种四结多叠层硅基薄膜太阳能电池的结构示 意图；
图5是五结多叠层硅基薄膜太阳能电池的结构示意图；
图6是六结多叠层硅基薄膜太阳能电池的结构示意图；
图7是一种双结多叠层硅基薄膜太阳能电池的I-V曲线图；此图说明采 用接触层，窗口层，缓冲层及叠层本征层工艺参数的双结多叠层硅基薄膜太 阳能电池，所获电池功率和转换效率均比较高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1.玻璃基三结多叠层硅基薄膜太阳能电池
(1)电池结构：基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠 层i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层 /p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
(2)制备工艺：
1.玻璃基板清洗，采用工业清洗机和高温碱液进行清洗，完成后进行再利用 去离子水进行清洗并风干。
2.在清洗后的玻璃基板上，采用物理气相沉积工艺沉积1500～1800nm的B 掺杂ZnO前电极。
3.采用355nm波长激光器将TCO前电极分割以便形成子电池的电极。
4.对第一次激光划刻后的玻璃基板进行清洗。
5.在沉积硅基薄膜前，对玻璃基板进行250℃预热处理12分钟。
6.用PECVD方法沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜接触层，并用PECVD 方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.5～5.0，TMB/SiH4气 体流量比为0.01～2.0，CH4/SiH4气体流量比为0.02～3.0，反应腔室气压为 0.3～1.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
7.用PECVD方法沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜窗口层，并用PECVD 方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.05～5.0，TMB/SiH4气体流量比为0.01～3.0，CH4/SiH4气体流量比为0.02～3.0，反应腔室气压 为0.3～3.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
8.用PECVD方法在窗口层上沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜缓冲层， 并用PECVD方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.02～5.0， CH4/SiH4体积比为0.1～2.0，缓冲层沉积压强在1.0～3.0mbar，射频功率密 度为10～350mW/cm2。
9.用PECVD方法沉积叠层i-A-SiC薄膜，其中膜层总数可为1～3层，技术 参数为：叠层总厚度为100～300nm，氢稀释比SiH4/H2为0.2～5，反应室的 反应气体压强为0.3～2.0mbar。
10.用PECVD方法沉积n-A-SiC膜层，并用PECVD方法氢化处理。
11.用PECVD方法沉积中间反射层n-SiOx或SiNx，并用PECVD方法氢化处 理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.01～0.5，CO2/SiH4气体流量比为 0.5～3.5，(0.5%PH3/H2)/SiH4流量比为0.01～0.5；工艺气压为1.0mbar～ 5.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
12.用PECVD方法沉积μc-Si子电池，分别完成p-μc-Si层，i-μc-Si层以及 n-μc-Si层薄膜，沉积时基板温度控制在160℃。
13.用PECVD方法沉积中间反射层n-SiOx或SiNx，并用PECVD方法氢化处 理。
14.用PECVD方法沉积μc-Si1-xGex子电池，分别完成p-μc-Si1-xGex层， i-μc-Si1-xGex层以及n-μc-Si1-xGex层薄膜，沉积时基板温度控制在160℃。
15.用532nm波长激光器将硅薄膜部分移除以便将子电池进行连接。
16.用物理气相沉积工艺沉积1500～1800nm B掺杂ZnO背电极。
17.用532nm波长激光器将硅薄膜和TCO背电极移除以便形成单个的子电 池。
18.完成以上工艺后，再进行第四次激光清边工艺。
19.最后进行电极连线，并用EVA作为背反射膜和封装材料，结合背板玻璃 一起封装完成整个电池。
实施例2.玻璃基四结多叠层硅基薄膜太阳能电池
(1)电池结构：基片/TCO/p-A-SiC接触层/p-A-SiC窗口层/p-A-SiC缓冲层/叠 层i-A-SiC/n-A-SiC/中间反射层/p-A-Si1-xGex/i-A-Si1-xGex/n-A-Si1-xGex/中间反 射层/p-μc-Si/i-μc-Si/n-μc-Si/中间反射层/p-μc-Si1-xGex/i-μc-Si1-xGex/ n-μc-Si1-xGex/TCO/背反射膜；
(2)制备工艺：
1.玻璃基板清洗，采用工业清洗机和高温碱液进行清洗，完成后进行再利用 去离子水进行清洗并风干。
2.在清洗后的玻璃基板上，采用物理气相沉积工艺沉积1500～1800nm的B 掺杂ZnO前电极。
3.采用355nm波长激光器将TCO前电极分割以便形成子电池的电极。
4.对第一次激光划刻后的玻璃基板进行清洗。
5.在沉积硅基薄膜前，对玻璃基板进行250℃预热处理12分钟。
6.用PECVD方法沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜接触层，并用PECVD 方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.5～5.0，TMB/SiH4气 体流量比为0.01～2.0，CH4/SiH4气体流量比为0.02～3.0。反应腔室气压为 0.3～1.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
7.用PECVD方法沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜窗口层，并用PECVD 方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.05～5.0，TMB/SiH4 气体流量比为0.01～3.0，CH4/SiH4气体流量比为0.02～3.0，反应腔室气压 为0.3～3.0mbar，射频功率密度为0.01～0.05W/cm2。
8.用PECVD方法在窗口层上沉积p型碳（C）掺杂的非晶SiC薄膜缓冲层， 并用PECVD方法氢化处理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.02～5.0， CH4/SiH4体积比为0.1～2.0，缓冲层沉积压强在1.0～3.0mbar，射频功率密 度为10～350mW/cm2。
9.用PECVD方法沉积叠层i-A-SiC薄膜，其中膜层总数可为1～3层，技术 参数为：叠层总厚度为100～300nm，氢稀释比SiH4/H2为0.2～5，反应腔室 气压为0.3～2.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
10.用PECVD方法沉积n-A-SiC膜层，并用PECVD方法氢化处理；
11.用PECVD方法沉积中间反射层n-SiOx或SiNx，并用PECVD方法氢化处 理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.01～0.5，CO2/SiH4气体流量比为 0.5～3.5，(0.5%PH3/H2)/SiH4流量比为0.01～0.5；工艺气压为1.0mbar～ 5.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
12.用PECVD方法沉积A-Si1-xGex子电池，分别完成p-A-Si1-xGex层， i-A-Si1-xGex层以及n-A-Si1-xGex层薄膜，沉积时基板温度控制在200℃。
13.用PECVD方法沉积中间反射层n-SiOx或SiNx，并用PECVD方法氢化处 理。技术参数为：SiH4/H2气体流量比为0.01～0.5，CO2/SiH4气体流量比为 0.5～3.5，(0.5%PH3/H2)/SiH4流量比为0.01～0.5；工艺气压为1.0mbar～ 5.0mbar，射频功率密度为10～350mW/cm2。
14.用PECVD方法沉积μc-Si子电池，分别完成p-μc-Si层，i-μc-Si层以及 n-μc-Si层薄膜，沉积时基板温度控制在160℃。
15.用PECVD方法沉积中间反射层n-SiOx或SiNx，并用PECVD方法氢化处 理。
16.用PECVD方法沉积μc-Si1-xGex子电池，分别完成p-μc-Si1-xGex层， i-μc-Si1-xGex层以及n-μc-Si1-xGex层薄膜，沉积时基板温度控制在160℃。
17.用532nm波长激光器将硅薄膜部分移除以便将子电池进行连接。
18.用物理气相沉积工艺沉积1500～1800nm B掺杂ZnO背电极。
19.用532nm波长激光器将硅薄膜和TCO背电极移除以便形成单个的子电 池。
20.完成以上工艺后，再进行第四次激光清边工艺。
21.最后进行电极连线，并用EVA作为背反射膜和封装材料，结合背板玻璃 一起封装完成整个电池。
机译： 太阳能电池基板，薄膜太阳能电池和多结薄膜太阳能电池
机译： 太阳能电池基板，薄膜太阳能电池和多结薄膜太阳能电池
机译： 硅基薄膜太阳能电池的硅基介电钝化
