一种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法

摘要

本发明公开了一种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，该方法通过在非晶硅/微晶硅叠层太阳电池顶电池与底电池之间n/p界面处插入p型非晶硅复合层实现，是在顶电池的n层为非晶硅、底电池p层为纳米硅的叠层电池的在n/p界面处插入p型非晶硅复合层。利用本发明，能减少叠层电池隧穿复合结处的损失，实验结果表明叠层电池的开压等于子电池的开压之和，说明隧穿复合结处没有产生光生载流子的积累。同时调节p型非晶硅复合层的硼烷气体掺杂比和生长时间的方法具有简单易行的优点，便于应用到产业化工艺中。

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，尤其涉及一种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，该方法通过改进隧穿复合结界面来实现。

背景技术

硅基薄膜电池用料省、能耗低，可以在玻璃、不锈钢和塑料衬底上制备，而且可以实现大面积生产。这些特点使硅基薄膜电池成为以后进一步降低太阳电池成本的希望。但是非晶硅本征层只能吸收波长在750nm以下的太阳光，而且由于光致衰退效应的原因，现在产业化的非晶硅单结太阳电池的稳定效率还是很低。怎样提高硅基薄膜电池的转化效率成为这种电池以后是否能够大规模发展的关键。

在非晶硅材料本身的光致衰退问题一时不能得到解决的情况下，非晶硅/微晶硅叠层太阳电池可以通过扩展电池的光吸收范围和减薄非晶硅本征层的厚度提高硅基薄膜电池的转化效率和稳定性。在非晶硅/微晶硅叠层电池中，非晶硅顶电池和微晶硅底电池的连接处会形成一个反向的p/n结，这个结通常称作隧穿复合结。在叠层电池处于工作状态时，本征层内的光生电子和光生空穴会在内建场的作用下分别向n层和p层迁移。隧穿复合结处顶电池的光生电子和底电池的光生空穴必须在隧穿复合结界面处快速复合，以免形成电荷积累，削弱内建场，减少光生载流子的收集。增加隧穿复合结界面处复合几率的一个有效方法就是在界面处生长一层高缺陷态的复合层。

目前改进隧穿复合结的方法主要有以下两个方面：1、在隧穿复合结界面处插入高缺陷的氧化物(NbO_x、TiO_x或SiO_x)，但NbO_x、TiO_x不能用PECVD制备；SiO_x一般通过CO₂等离子体处理或中断真空暴露大气得到，厚度不容易控制，而且可能会对微晶硅底电池有损害。2、对于隧穿复合结的p层为电导较低的掺碳非晶硅材料时，插入一层电导比p型掺碳非晶硅层更高的非晶硅p层来提高空穴向界面处的传输。近些年电导更高的p型纳米硅层已经应用到硅薄膜电池中。

本发明也采用电导更高的p型纳米硅层作为隧穿复合结的p层，在p层为纳米硅的条件下，本发明采用p型非晶硅作为插入层，通过改变p型非晶硅复合层的掺杂比例和厚度达到控制界面处复合的目的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，以提高非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的性能

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是在非晶硅/微晶硅叠层太阳电池顶电池与底电池之间n/p界面处插入p型非晶硅复合层实现，即在顶电池的n层为非晶硅、底电池p层为纳米硅的叠层电池的在n/p界面处插入p型非晶硅复合层。

上述方案中，所述改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：清洗不锈钢衬底，放入PECVD系统中烘烤，并对PECVD系统抽本底真空；

步骤2：在所述不锈钢衬底上依次沉积微晶硅底电池的n层、微晶硅i层和纳米硅p层；

步骤3：在微晶硅底电池的纳米硅p层上沉积p型非晶硅复合层；

步骤4：沉积完p型非晶硅复合层后，再依次沉积非晶硅顶电池的n层、非晶硅i层和纳米硅p层，得到叠层电池结构；

步骤5：待该叠层电池结构冷却到室温后，将该叠层电池结构从PECVD系统中取出，用磁控溅射生长铟锡氧化物顶电极。

上述方案中，步骤1中所述对PECVD系统抽本底真空，本底真空为10^-4Pa。

上述方案中，步骤2中所述沉积微晶硅底电池的n层、微晶硅i层和纳米硅p层，是采用等离子体增强型化学气相沉积技术在所述不锈钢衬底上依次沉积生长n层、微晶硅i层与p层；其中n层和p层采用射频，微晶硅i层采用甚高频，H₂/SiH₄的氢稀释比为7～20，反应气压为120Pa～150Pa，功率密度为0.4W/cm²～0.6W/cm²，衬底温度为180℃～250℃，反应时间60min～100min，微晶硅i层厚度1300nm～1700nm。

上述方案中，所述n层和p层采用的射频为13.56MHz，微晶硅i层采用的甚高频为60MHz。

上述方案中，步骤3中所述沉积p型非晶硅复合层时，所述微晶硅底电池的纳米硅p层的硼烷气体掺杂比例为0.67％，厚度为1至2nm。

上述方案中，步骤4中沉积顶电池的非晶硅i层时，采用的频率为射频，该射频频率为13.56MHz；H₂/SiH₄的氢稀释比为4～10，反应气压为120Pa～250Pa，功率密度为0.03W/cm²～0.06W/cm²，衬底温度为150℃～200℃，反应时间45min～55min，i层厚度250nm～350nm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用p型非晶硅复合层来改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的隧穿复合结界面来提高电池性能，在隧穿复合结的p层为高电导纳米硅条件下，在隧穿复合结的n/p界面处插入一层p型的非晶硅复合层，通过调控p型非晶硅复合层的掺杂比例和生长时间可以达到改进优化隧穿复合结的目的，将优化后的隧穿复合结应用到叠层电池中后叠层电池的开压几乎等于叠层前非晶硅子电池和微晶硅子电池开压之和。这种隧穿复合结界面处理方法简便易行，便于推广，通过调节p型非晶硅复合层的掺杂比例和生长时间就可以得到优质的隧穿复合结。

2、利用本发明，能减少叠层电池隧穿复合结处的损失，实验结果表明叠层电池的开压等于子电池的开压之和，说明隧穿复合结处没有产生光生载流子的积累。同时调节p型非晶硅复合层的硼烷气体掺杂比和生长时间的方法具有简单易行的优点，便于应用到产业化工艺中。

附图说明

图1是采用p型非晶硅复合层的非晶硅/微晶硅叠层电池示意图；

图2是p型非晶硅复合层掺杂比例对隧穿复合结IV曲线的影响；

图3是p型非晶硅复合层沉积时间对隧穿复合结IV曲线的影响；

图4是采用最优条件的p型非晶硅复合层后得到的叠层电池的光IV曲线和叠层前的子电池的光IV曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，通过在非晶硅/微晶硅叠层太阳电池顶电池与底电池之间n/p界面处插入p型非晶硅复合层实现，即在顶电池的n层为非晶硅、底电池p层为纳米硅的叠层电池的在n/p界面处插入p型非晶硅复合层。

本发明提供的这种改进非晶硅/微晶硅叠层太阳电池性能的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：清洗不锈钢衬底，放入PECVD系统中烘烤，并对PECVD系统抽本底真空；

步骤2：在所述不锈钢衬底上依次沉积微晶硅底电池的n层、微晶硅i层和纳米硅p层；

步骤3：在微晶硅底电池的纳米硅p层上沉积p型非晶硅复合层；

步骤4：沉积完p型非晶硅复合层后，再依次沉积非晶硅顶电池的n层、非晶硅i层和纳米硅p层，得到叠层电池结构；

步骤5：待该叠层电池结构冷却到室温后，将该叠层电池结构从PECVD系统中取出，用磁控溅射生长铟锡氧化物顶电极。

生长所用的设备是等离子体辅助化学气相沉积系统(PECVD)，沉积电池用到的气体为99.99％的高纯硅烷和高纯度氢气作为反应气体，用纯度为1％(用氢气稀释)的硼烷和1％的磷烷(用氢气稀释)作为掺杂气体。非晶硅本征层的激发等离子体的射频电源的频率是13.56MHz，微晶硅本征层的激发等离子体的甚高频电源的频率是60MHZ。

参照图1是p型非晶硅复合层的非晶硅/微晶硅叠层电池结构图，下面详细介绍本发明的具体生长工艺：

步骤1：将柔性不锈钢衬底用洗洁精擦洗干净然后用去离子水煮沸5分钟，用超声清洗机超声5分钟；再用去离子水冲洗；再煮沸5分钟，用超声清洗机超声5分钟；再冲洗，再煮沸5分钟，用超声清洗机超声5分钟。

步骤2：将清洗干净的衬底放入PECVD系统中，300℃烘烤，将系统背景真空度抽到高于10^-4Pa量级。

步骤3：首先沉积微晶硅子电池的n层。采用射频(13.56MHz)，沉积前，先用氢等离子体清洁衬底表面5分钟；沉积N层时，氢稀释比(H₂/SiH₄)为30～50；掺杂比例(PH₃/SiH₄)为0.01-0.02；反应气压为250Pa～350Pa；功率密度为0.3W/cm²～0.7W/cm²；衬底温度为230℃～280℃；反应时间3min～7min，生长的n层厚度为20～25nm。

步骤4：然后沉积微晶硅底电池的本征层，采用甚高频(60MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为7～20，反应气压为120Pa～150Pa，功率密度为0.4W/cm²～0.6W/cm²，衬底温度为180℃～250℃，反应时间60min～100min，微晶硅i层厚度1300nm～1700nm。

步骤5：然后沉积隧穿复合结的p层。采用射频(13.56MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为80-100，反应气压为550Pa～700Pa，功率密度为0.8W/cm²～1W/cm²，衬底温度为130℃～180℃，反应时间3min～5min，生长的p层厚度为20-30nm。

步骤6：沉积p型非晶硅复合层。采用射频(13.56MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为8-12，掺杂比例(B₂H₆/SiH₄)为0.0007，反应气压为120Pa～150Pa，功率密度为0.1W/cm²，衬底温度为180℃～250℃，反应时间10s。

步骤7：沉积非晶硅顶电池的n层，采用射频(13.56MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为4-12；掺杂比例(PH₃/SiH₄)为0.01-0.02；反应气压为150Pa～250Pa；功率密度为0.05W/cm²～0.15W/cm²；衬底温度为180℃～220℃；反应时间3min～7min，生长的n层厚度为20～25nm。

步骤8：沉积非晶硅顶电池的本征层，采用射频(13.56MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为4-12，反应气压为100Pa～250Pa，功率密度为0.04W/cm²～0.15W/cm²，衬底温度为150℃～200℃，反应时间30min～60min，i层厚度250nm～400nm。

步骤9：沉积非晶硅顶电池的p层。采用射频(13.56MHz)，氢稀释比(H₂/SiH₄)为80-100，反应气压为550Pa～700Pa，功率密度为0.8W/cm²～1W/cm²，衬底温度为130℃～180℃，反应时间3min～5min，生长的p层厚度为20-30nm。

步骤10：沉积完毕，将电池从PECVD系统取出，用磁控溅射生长铟锡氧化物透明电极。

为了说明p型非晶硅复合层的掺杂比例和沉积时间可以作为调控隧穿复合结性质的两个有效参数，在不锈钢衬底上单独制备了隧穿复合结，分别改变p型非晶硅复合层的掺杂比例和沉积时间，测试p型非晶硅复合层的掺杂比例(图2)和沉积时间(图3)间对隧穿复合结IV性质的影响。可以看到p型非晶硅复合层的掺杂比例和沉积时间都对隧穿复合结的IV性质有很大影响。由图2和图3可以看到，在本实验室的PECVD系统中，隧穿复合结的p型非晶硅复合层的最佳掺杂比例和生长时间分别为0.67％和10s。

为了进一步验证上述最佳隧穿复合结应用到叠层电池后的结果，将叠层前非晶硅子电池和微晶硅子电池的光IV和采用优化后的隧穿复合结的叠层电池的光IV进行了对比(图4)。由图4可以看到，叠层电池的看压为1.4V，叠层前非晶子电池和微晶硅子电池的开压分别为0.89V和0.52V。叠层后电池的开压几乎等于叠层前两个子电池的开压之和，从开压的角度来讲，隧穿复合结处几乎没有产生光生载流子的积累，光生电子和光生空穴得到了快速有效的复合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。