專利名稱：氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及新能源中薄膜太陽電池的技術領域，尤其涉及一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法，其是通過氫氣調制本征層(I層)能帶結構改進太陽電池的光吸收性能和界面性能，進而提高電池的效率。
背景技術：
現(xiàn)今光伏市場中主要是晶體硅太陽電池和非晶硅太陽電池。晶體硅電池的成本比較高，特別是晶體硅材料是半導體行業(yè)的支柱材料，因此原材料受其他行業(yè)影響較大，容易出現(xiàn)晶體硅急劇短缺臨時現(xiàn)象，這極大制約了晶體硅電池以后的發(fā)展。相比之下，非晶硅電池原材料消耗少，能耗低，制備工藝簡單；而且使用價格低廉的玻璃、不銹鋼、塑料等做襯底，很大程度地降低成本。非晶硅電池的這些獨特的優(yōu)越性使之發(fā)展迅猛。非晶硅太陽電池能量損失中最主要的兩種形式是透射損失和熱化損失。透射損失是指能量小于I層帶隙的光子未被I層吸收而透射出電池所造成的能量浪費。熱化損失是指能量高于本征層帶隙的高能光子被I層吸收后產(chǎn)生能量高于能帶邊載流子的高能光生載流子，其能量高于能帶邊載流子的部分將以熱的形式散失掉，不能成為有效的電能輸出。 欲減小透射引起的能量損失需要減小太陽電池I層帶隙，這種處理的后果是非晶硅太陽電池開壓的降低，以及熱化損失的增加。而欲減小熱化損失，需要增加非晶硅太陽電池I層的帶隙寬度，這會造成更大的長波光子透射引起的透射損失。因此，如何設計非晶硅太陽電池 I層能帶成為了國際上非晶硅太陽電池研發(fā)的前沿課題。非晶硅太陽電池中，ρ層一般作為迎光面，或叫做窗口層。作為窗口層材料，非晶硅太陽電池中的P層擁有較寬的光學帶隙(-2. OeV)。寬帶隙P層與I層(-1. 7eV)之間存在一帶階，這一帶階會阻礙光生空穴的收集，同時由于光生空穴在P/I界面處的積累，光生載流子在P/I界面處的復合幾率增加，影響太陽電池的性能。因此在保持P層寬帶隙的基礎上希望I層帶隙盡量寬。另一方面，非晶硅太陽電池中的N層一般為帶隙較窄的非晶硅 (1. 7eV左右)，寬的I層帶隙會造成N/I之間的能帶失配，影響光生電子收集，同樣不利于太陽電池的性能提高?；谝陨系脑颍覀兿Ｍ軌虻玫揭环NV形的I層能帶結構，在這種能帶結構中寬帶隙的一側與P層相連，窄帶隙的一側與N層相連。光從寬帶隙側入射，易吸收的高能光子被靠近P層的寬帶隙I層部分所吸收，盡量減小了熱化損失，高透射性低能光子被靠近N 層的窄帶隙I層吸收，盡量減小了透射損失。同時這種能帶結構還能有效減小P/I和N/I 間的帶隙差，優(yōu)化太陽電池界面。目前，國際上普遍被采用的I層能帶設計方法是通過在I層沉積過程中通入鍺烷形成硅鍺合金I層，通過調節(jié)沉積過程中的鍺烷流量調節(jié)I層帶隙漸變，以形成V形能帶結構。這種方法的缺點在于需要使用鍺烷這種劇毒且昂貴的氣體，極大的增加了生產(chǎn)過程中的危險性和生產(chǎn)成本。非晶硅薄膜的帶隙與沉積過程中的氫氣/硅烷流量比相關，在一定范圍內氫氣/硅烷流量比越大，非晶硅帶隙越窄。我們使用無毒且廉價的氫氣替代鍺烷，通過梯度改變I 層沉積過程中的氫氣/硅烷流量比獲得在靠近P層帶隙寬，靠近N層帶隙窄的V形能帶結構，使用這種結構可以有效減小非晶硅太陽電池的透射損失和熱化損失，同時優(yōu)化P/I和 N/I界面處的能級匹配，提高太陽電池的效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法，其是采用氫氣調制的方法獲得漸變帶隙的V形本征層能帶結構，減小太陽電池光吸收過程中的能量損失，同時優(yōu)化P/I和N/I界面，達到提高非晶硅太陽電池性能的目的。本發(fā)明提供一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，包括如下步驟步驟1 將一襯底清洗干凈，然后放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，烘烤并抽高真空；步驟2 在襯底上制作中間層；步驟3 在中間層上制作電極層。其中中間層為NIP或PIN結構，N代表N型摻雜層，I代表本征層，P代表P型摻雜層。其中所述中間層為NIP結構時，襯底為柔性襯底，電極層為ITO電極。其中所述中間層為PIN為結構時，襯底為導電玻璃，電極層為鋁電極。其中在NIP結構的N層上沉積I層時，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為20到3，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為100Pa-250Pa，功率密度為0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底的溫度為100°C -200°C，總反應時間為40min_80min，I層的厚度 250nm-600nm。其中在PIN結構的P層上沉積I層時，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為3到20，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為100Pa-250Pa，功率密度為0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底的溫度為100°C -200°C，總反應時間為40min_80min，I層的厚度 250nm-600nm。其中在襯底10上沉積NIP結構的N層或PIN結構的I層上沉積N層時，通入氫氣 /硅烷/磷烷氣體，其中氫氣/硅烷流量比為1-50，磷烷/硅烷摻雜比例為1 40-1 60， 反應氣壓為100Pa-900Pa，功率密度為0. 05ff/cm2-0. 5W/cm2，襯底的溫度為100°C -500°C，反應時間Imin-lOmin，N層的厚度為15_25nm。其中在襯底上沉積PIN結構的P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷/甲烷氣體，其中甲烷/硅烷流量比為1-3，氫氣/硅烷流量比10-50，乙硼烷/硅烷流量比為1 50-1 100， 反應氣壓為80Pa-200Pa，功率密度為0. 01W/cm2-lW/cm2，襯底的溫度為150°C -200°C, P層的沉積厚度為15-20nm。其中在NIP結構的I層上沉積P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷，其中氫氣/硅烷流量比為100，乙硼烷/硅烷流量比為1 100，反應氣壓為550Pa-750Pa，功率密度為0.8W/ cm2-5W/cm2，襯底的溫度為50°C _100°C，P層的沉積厚度為10-20nm。


為進一步說明本發(fā)明的特征和技術方案，以下結合實施例及附圖對本發(fā)明作詳細的描述，其中圖1 (a)是本發(fā)明NIP結構非晶硅太陽電池示意圖；圖1 (b)是本發(fā)明PIN結構非晶硅太陽電池示意圖；圖2是非晶硅帶狀能帶結構與V形能帶結構比較圖；圖3是依照本發(fā)明實施制備的使用調制能帶結構I層的非晶硅太陽電池(使用氫氣調制的方法獲得的靠近P層帶隙寬，靠近N層帶隙窄的I層)電池和使用普通能帶結構的非晶硅太陽電池(I層未進行氫氣調制處理)的J-V曲線對比圖。
具體實施例方式本發(fā)明生長所用的設備是等離子體輔助化學氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)，包括反應腔室(裝片室，摻雜室和本征室)、真空系統(tǒng)、襯底加熱及控溫系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)等。沉積電池用到的氣體為99. 99%的高純硅烷和氫氣發(fā)生器制備的氫氣作為反應氣體，用純度為 0. 5% (稀釋氣體為氫氣)的硼烷和的磷烷(稀釋氣體為氫氣)作為摻雜氣體。激發(fā)等離子體的射頻電源的頻率是13. 56MHz。請參閱圖1(a)、圖1(b)所示，本發(fā)明提供一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，包括如下步驟步驟1 將一襯底10清洗干凈，然后放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，烘烤并抽高真空；其中，清洗襯底10時，首先用洗潔精將襯底10擦洗干凈，然后將襯底10放入去離子水中，用去離子水煮沸2-5分鐘，再用去離子水沖洗，循環(huán)3次。最后超聲清洗機超聲 10-15分鐘。其中，烘烤襯底10時，襯底10溫度為300-450°C，烘烤時間為1小時，PECVD系統(tǒng)真空度高于5X10_4Pa。步驟2:在襯底10上制作中間層20，中間層20為NIP圖1(a)或PIN圖1 (b)結構，其中N代表N型摻雜層，I代表本征層，P代表P型摻雜層。其中在NIP結構的N層上沉積V形能帶I層時(請參閱圖2)，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為20到3，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為 100Pa-250Pa，功率密度為 0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底 10 的溫度為 100°C _200°C，總反應時間為 40min-80min，I 層的厚度 250nm_600nm。其中在PIN結構的P層上沉積V形能帶I層時(請參閱圖2)，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為3到20，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為 100Pa-250Pa，功率密度為 0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底 10 的溫度為 100°C _200°C，總反應時間為 40min-80min，I 層的厚度 250nm_600nm。其中在襯底10上沉積NIP結構的N層或PIN結構的I層上沉積N層時，通入氫氣/ 硅烷/磷烷氣體，其中氫氣/硅烷流量比為1-50，磷烷/硅烷摻雜比例為1 40-1 60，反應氣壓為100Pa-900Pa，功率密度為0. 05ff/cm2-0. 5W/cm2，襯底10的溫度為100°C -500°C, 反應時間Imin-lOmin，N層的厚度為15_25nm。
其中在襯底10上沉積PIN結構的P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷/甲烷氣體，其中甲烷/硅烷流量比為1-3，氫氣/硅烷流量比10-50，乙硼烷/硅烷流量比為 1 50-1 100，反應氣壓為80Pa-200Pa，功率密度為0. 01W/cm2-lW/cm2，襯底10的溫度為 1500C _200°C，P層的沉積厚度為15-20nm。其中在NIP結構的I層上沉積P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷，其中氫氣/硅烷流量比為100，乙硼烷/硅烷流量比為1 100，反應氣壓為550I^-2750Pa，功率密度為 0. 8W/cm2-5W/cm2，襯底10的溫度為50°C _100°C，P層的沉積厚度為10_20nm。其中在N、I、P各層沉積前，均用與本次沉積相同條件的等離子體覆蓋PECVD腔體 15分鐘。步驟3 在中間層20上制作電極層30。其中所述中間層20為NIP結構時，襯底10為柔性襯底，電極層30為ITO電極。其中所述中間層20為PIN為結構時，襯底10為導電玻璃，電極層30為鋁電極。為了說明本發(fā)明的實用性，制備兩個電池。一個電池按上述過程制備，采用氫氣調制的方法獲得漸變帶隙的I層能帶結構；另一個電池I層生長過程中未使用氫氣調制的方式，只使用固定氫氣/硅烷流量比沉積I層，其它沉積條件與第一個電池相同。在模擬太陽光下測試得到的J-V曲線(請參閱圖3)。與帶狀能帶I層的電池相比，V形能帶I層電池的短路電流密度由11. 43mA/cm2增加到13. 24cm2,開路電壓VOC保持在0. 88V，電池轉換效率提高了 11. 5%。發(fā)明與背景技術相比所具有的有意義的結果采用V型能帶結構的I層來改進非晶硅太陽電池的光吸收性能和界面，即在NIP 或PIN結構的非晶硅太陽電池中，通過氫氣調制的方法把典型的非晶硅I層帶狀能帶結構改為在靠近P層帶隙寬，而靠近N層帶隙窄的V形能帶結構。使用這種結構可以有效減小非晶硅太陽電池的低能光子透射損失和高能光生載流子的熱化損失，同時可優(yōu)化P/I和N/ I界面處的能級匹配，提高太陽電池的效率。使用氫氣調制獲得V形能帶I層的方法與現(xiàn)行常用非晶硅太陽電池制備工藝完全兼容，簡便易行，便于推廣；與目前常用的鍺烷調制的方法相比，該方法不需要使用鍺烷，無毒無污染，安全性好；同時該方法可以免去PECVD系統(tǒng)的一個鍺烷氣路及相關設施，將極大的降低設備成本，對太陽能電池的生產(chǎn)和推廣使用具有重要意義。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，包括如下步驟步驟1 將一襯底清洗干凈，然后放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，烘烤并抽高真空；步驟2:在襯底上制作中間層；步驟3 在中間層上制作電極層。
2.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中中間層為NIP或PIN結構，N代表N型摻雜層，I代表本征層，P代表P型摻雜層。
3.如權利要求2所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中所述中間層為NIP結構時，襯底為柔性襯底，電極層為ITO電極。
4.如權利要求2所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中所述中間層為PIN為結構時，襯底為導電玻璃，電極層為鋁電極。
5.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法， 其中在NIP結構的N層上沉積I層時，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為20到3，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為100Pa-250Pa，功率密度為 0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底的溫度為100°C _200°C，總反應時間為40min_80min，I層的厚度 250nm-600nm。
6.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法， 其中在PIN結構的P層上沉積I層時，通入氫氣/硅烷氣體，調節(jié)氫氣/硅烷流量比，調節(jié)梯度為3到20，各梯度沉積時間為3-15分鐘，反應氣壓為100Pa-250Pa，功率密度為 0. 03ff/cm2-0. 06W/cm2，襯底的溫度為100°C _200°C，總反應時間為40min_80min，I層的厚度 250nm-600nm。
7.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中在襯底10上沉積NIP結構的N層或PIN結構的I層上沉積N層時，通入氫氣/硅烷/磷烷氣體，其中氫氣/硅烷流量比為1-50，磷烷/硅烷摻雜比例為1 40-1 60，反應氣壓為100Pa-900Pa，功率密度為0. 05ff/cm2-0. 5ff/cm2,襯底的溫度為100°C _500°C，反應時間 Imin-lOmin, N 層的厚度為 15_25nm。
8.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中在襯底上沉積PIN結構的P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷/甲烷氣體，其中甲烷/硅烷流量比為1-3，氫氣/硅烷流量比10-50，乙硼烷/硅烷流量比為1 50-1 100，反應氣壓為80Pa-200Pa，功率密度為0. 01W/cm2-lW/cm2，襯底的溫度為150°C -200°C, P層的沉積厚度為 15-20nm。
9.如權利要求1所述的氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，其中在NIP結構的I層上沉積P層時，通入氫氣/硅烷/乙硼烷，其中氫氣/硅烷流量比為 100，乙硼烷/硅烷流量比為1 100，反應氣壓為550Pa-750Pa，功率密度為0. 8ff/cm2-5ff/ cm2，襯底的溫度為50°C -100°C，P層的沉積厚度為10-20nm。
全文摘要
一種氫氣調制本征層能帶結構優(yōu)化非晶硅太陽電池的制作方法，包括如下步驟步驟1將一襯底清洗干凈，然后放入等離子體增強型化學氣相沉積系統(tǒng)，烘烤并抽高真空；步驟2在襯底上制作中間層；步驟3在中間層上制作電極層，其是通過氫氣調制本征層(I層)能帶結構改進太陽電池的光吸收性能和界面性能，進而提高電池的效率。
文檔編號C30B25/16GK102176496SQ20111003377
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權日2011年1月31日
發(fā)明者俞育德, 劉石勇, 姚文杰, 彭文博, 曾湘波, 楊萍, 王超, 肖海波, 謝小兵 申請人:中國科學院半導體研究所