具有过渡层的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有过渡层的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池及其制备方法。所述太阳能电池在n型硅晶片的前表面或者在n型硅晶片的背表面或者在n型硅晶片的前表面和背表面同时设有过渡层；所述过渡层为一层或者多层，其中任意一层均为富硅氧化硅层。所述制备方法在硅片完成制绒、抛光和清洗后，加入了前氢化干燥处理，同时，在完成此过渡层的工艺后，加入了后氢化处理方式，两种方法用于改善界面质量和结构的稳定性。采用这种过渡层并采用了前氢化干燥处理和后氢化处理过的具有过渡层的晶硅及锗化硅薄膜复合型电池，可以在原来的基础上将电池转换效率提高10％以上。

【技术实现步骤摘要】
具有过渡层的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及晶硅及薄膜复合型太阳能电池，特别是具有过渡层结构的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池的结构设计及其制造方法。
技术介绍
自从法国科学家AE.Becquerel在1839年发现光电转换现象以后，1883年第一个以半导体硒为基片的太阳能电池诞生。1946年RuSSell获得了第一个太阳能电池的专利(US.2,402,662)，其光电转换效率仅为1％。直到1954年，贝尔实验室的研究才发现了掺杂的硅基材料具有高的光电转换效率。这个研究为现代太阳能电池工业奠定了基础。在1958年，美国Haffman电力公司为美国的卫星装上了第一块太阳能电池板，其光电转换效率约为6％。从此，单晶硅及多晶硅基片的太阳能电池研究和生产有了快速的发展，2006年太阳能电池的产量已经达到2000兆瓦，单晶硅太阳能电池的光电转换效率达到24.7％，商业产品达到22.7％，多晶硅太阳能电池的光电转换效率达到20.3％，商业产品达到15.3％。另一方面，1970年苏联的ZhoresAlferov研制了第一个GaAs基的高效率Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。由于制备Ⅲ-Ⅴ族薄膜材料的关键技术MOCVD(金属有机化学气相沉积)直到1980年左右才被成功研发，美国的应用太阳能电池公司在1988年成功地应用该技术制备出光电转换效率为17％的GaAs基的Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。其后，以GaAs为基片的Ⅲ-Ⅴ族材料的掺杂技术，多级串联太阳能电池的制备技术得到了广泛的研究和发展，其光电转换效率在1993年达到19％，2000年达到24％，2002年达到26％，2005年达到28％，2007年达到30％。2007年，美国两大Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池公司Emcore和SpectroLab生产了高效率Ⅲ-Ⅴ族太阳能商业产品，其光电转换率达38％，这两家公司占有全球Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池市场的95％，美国国家能源研究所宣布他们成功地研发了其光电转换效率高达50％的多级串联的Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池。由于这类太阳能电池的基片昂贵，设备及工艺成本高，主要应用于航空、航天、国防和军工等领域。国外的太阳能电池研究和生产，大致可以分为三个阶段，即有三代太阳能电池。第一代太阳能电池，基本上是以单晶硅和多晶硅基单一组元的太阳能电池为代表。仅注重于提高光电转换效率和大规模生产，存在着高的能耗、劳动密集、对环境不友善和高成本等问题，其产生电的价格约为煤电的5～6倍；直至2007年，第一代太阳能电池的产量仍占全球太阳能电池总量的89％，专家预计，第一代太阳能电池将在十年后逐步被淘汰而成为历史。第二代太阳能电池为薄膜太阳能电池，是近几年来发展起来的新技术，它注重于降低生产过程中的能耗和工艺成本，专家们称其为绿色光伏产业。与单晶硅和多晶硅太阳能电池相比，其薄膜高纯硅的用量为其的1％，同时，低温等离子增强型化学气相沉积沉积技术，电镀技术，印刷技术被广泛地研究并应用于薄膜太阳能电池的生产。由于采用低成本的玻璃、不锈钢薄片，高分子基片作为基板材料，大大降低了生产成本，并有利于大规模的生产。目前已成功研发的薄膜太阳能电池的材料为：CdTe，其光电转换效率为16.5％，而商业产品约为7％；CulnSe，其光电转换效率为19.5％，商业产品为11％；非晶硅及微晶硅，其光电转换效率为8.3～15％，商业产品为7～13.3％，近年来，由于液晶电视的薄膜晶体管的研发，非晶硅和微晶硅薄膜技术有了长足的发展，并已应用于硅基薄膜太阳能电池。专家们预计，由于薄膜太阳能电池具有低的成本，高的效率，大规模生产的能力，在未来的5～10年，薄膜太阳能电池将成为全球太阳能电池的主流产品。围绕薄膜太阳能电池研究的热点是，开发高效、低成本、长寿命的光伏太阳能电池。它们应具有如下特征：低成本、高效率、长寿命、材料来源丰富、无毒，科学家们比较看好非晶硅薄膜太阳能电池。目前占最大份额的薄膜太阳能电池是非晶硅太阳能电池，通常为pin结构电池，窗口层为掺硼的P型非晶硅，接着沉积一层未掺杂的i层，再沉积一层掺磷的N型非晶硅，并镀电极。非晶硅电池一般采用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition———等离子增强型化学气相沉积)方法使高纯硅烷等气体分解沉积而成的。此种制作工艺，可以在生产中连续在多个真空沉积室完成，以实现大批量生产。由于沉积分解温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积薄膜，易于大面积化生产，成本较低。在玻璃衬底上制备的非晶硅基太阳能电池的结构为：Glass/TCO/p-a-SiC：H/i-a-Si：H/n-a-Si：H/Al，在不锈钢衬底上制备的非晶硅基太阳能电池的结构为：SS/ZnO/n-a-Si：H/i-a-Si(Ge)：H/p-na-Si：H/ITO/Al。提高电池效率最有效的途径是尽量提高电池的光吸收效率。对硅基薄膜而言，采用窄带隙材料是必然途径。如Uni-Solar公司采用的窄带隙材料为a-SiGe(非晶硅锗)合金，他们的a-Si/a-SiGe/a-SiGe三结叠层电池，小面积电池(0.25cm2)效率达到15.2％，稳定效率达13％，900cm2组件效率达11.4％，稳定效率达10.2％，产品效率达7％-8％。国际公认非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池是硅基薄膜电池的下一代技术，是实现高效低成本薄膜太阳能电池的重要技术途径，是薄膜电池新的产业化方向。2005年日本三菱重工和钟渊化学公司的非晶硅/微晶硅叠层电池组件样品效率分别达到11.1％(40cm×50cm)和13.5％(91cm×45cm)。日本夏普公司2007年9月实现非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池产业化生产(25MW，效率8％-8.5％)，欧洲Oerlikon(奥立康)公司、美国AppliedMaterials(应用材料公司)，也正研发产品级非晶硅/微晶硅电池关键制造技术。国内，南开大学以国家“十五”、“十一五”973项目和“十一五”863项目为依托，进行微晶硅材料和非晶硅/微晶硅叠层电池研究。小面积微晶硅电池效率达9.36％，非晶硅/微晶硅叠层电池效率达11.8％，10cm×10cm组件效率达9.7％。现正与福建钧石能源公司合作，进行平方米级非晶硅/微晶硅叠层电池关键设备及电池制造技术的研发。目前硅基薄膜电池主要有三种结构：以玻璃为衬底的单结或双结非晶硅电池，以玻璃为衬底的非晶硅和微晶硅双结电池，以不锈钢为衬底的非晶硅和非晶锗硅合金三结电池。由于各种产品都有其独特的优势，在今后一段时间里这三种电池结构还会同步发展。硅基薄膜电池的长远发展方向是很明显的，除了要充分利用其独特的优势，主要是克服产品开发、生产和销售方面存在的问题。硅基薄膜电池要进一步提高电池效率，利用微晶硅电池作为多结电池的底电池可以进一步提高电池效率，降低电池的光诱导衰退。目前微晶硅电池产业化的技术难点是实现微晶硅的高速沉积技术和实现大面积微晶硅基薄膜材料的均匀性。如果微晶硅大面积高速沉积方面的技术难题可以在较短的时间里得到解决，预计在不远的将来，非晶硅和微晶硅相结合的多结电池将成为硅基薄膜电池的主要产品。非晶硅和微晶硅多结电池可以沉积在玻璃衬底上，也可以沉积在柔性衬底上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有过渡层结构的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池，其特征是，选自以下太阳能电池结构之一：1)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；2)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/i‑μc‑Si1‑xGex层/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；3)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；4)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；5)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/i‑μc‑Si1‑xGex层/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；6)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；7)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；8)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/i‑μc‑Si1‑xGex层/i‑A‑Si1‑xGex层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；9)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/p‑A‑Si1‑xGex层/TCO/减反射膜；Si1‑xGex中的x取值为0≤x≤1；所述过渡层为一层或者多层，其中任意一层均为富硅氧化硅层；所述富硅氧化硅层选自i‑A‑SiOx，i‑μc‑SiOx，n‑A‑SiOx，n‑μc‑SiOx中的任何一种，其中0≤x≤2；或者所述富硅氧化硅层选自n型梯度μc‑SiOx和n型梯度A‑SiOx，其中0≤x≤2，所述“梯度”是指：通过改变富硅氧化硅中x值从2逐步梯度变化到0，而氧化硅则从氧化硅——变化到富硅氧化硅层——再变化到硅层；其中，“/”表示两层之间的界面；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；A‑表示非晶体，μc‑表示微晶。...

【技术特征摘要】
1.具有过渡层结构的晶硅及锗化硅薄膜复合型单结PIN太阳能电池，其特征是，选自以下太阳能电池结构之一：1)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；2)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/组合物层/i-A-Si1-xGex层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；或底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/i-μc-Si1-xGex层/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；3)底电极/n层/n型硅晶片/过渡层/p-A-Si1-xGex与p-A-SiC组合层/TCO/减反射膜；4)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；或底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/i-A-Si1-xGex层/组合物层/TCO/减反射膜；5)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/组合物层/i-A-Si1-xGex层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；或底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/i-μc-Si1-xGex层/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；6)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/p-A-Si1-xGex与p-A-SiC组合层/TCO/减反射膜；7)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；8)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/组合物层/i-A-Si1-xGex层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；或底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/i-μc-Si1-xGex层/组合物层/p-A-Si1-xGex层/TCO/减反射膜；9)底电极/n层/过渡层/n型硅晶片/过渡层/p-A-Si1-xGex与p-A-SiC组合层/TCO/减反射膜；Si1-xGex中的x取值为0≤x≤1；所述过渡层为一层或者多层，其中任意一层均为富硅氧化硅层；所述富硅氧化硅层选自i-A-SiOx，i-μc-SiOx，n-A-SiOx，n-μc-SiOx中的任何一种，其中0≤x≤2；或者所述富硅氧化硅层选自n型梯度μc-SiOx和n型梯度A-SiOx，其中0≤x≤2，所述梯度是指：通过改变富硅氧化硅中x值从2逐步梯度变化到0，而氧化硅则从氧化硅——变化到富硅氧化硅层——再变化到硅层；其中，“/”表示两层之间的界面；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；A-表示非晶体，μc-表示微晶；组合物层是用i-μc-Si1-xGex与i-A-Si1-xGex两者按照按能隙梯度变化的组合，其中梯度变化是指：通过调节锗化硅中锗的值x从1逐步变化到0，而锗化硅逐渐从梯度锗化硅变化至硅层。2.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征是，所述过渡层为两层，分别为n-A-SiOx和i-A-SiOx，靠近n型硅晶片的一层为n-A-SiOx。3.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征是，所述过渡层的硅原子密度控制在2.2×1022/cm3～5.0×1022/cm3之间；折射率n为1.46≤n≤3.88；膜层厚度h为0.5nm≤h≤10nm；带隙Eg控制在1.12～9.0eV之间；相对介电常数ε为3.0≤ε≤11.7。4.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征是，所述太阳能电池结构的第1)、2)、4)、5)、7)、8)种结构中的p-A-Si1-xGex层材料用p-A-SiC、或者用p-A-Si1-xGex与p-A-SiC的组合来替代，Si1-xGex中的x取值为0≤x≤1。5.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征是，所述n层选自A-Si、μc-Si1-xGex和epi-Si1-xGex材料中的任一种或者按照按能隙梯度变化的两种的组合；epi-Si1-xGex中0≤x≤1，epi表示外延生长单晶；其中梯度变化是指：通过调节锗化硅中锗的值x从1逐步变化到0，而锗化硅逐渐从梯度锗化硅变化至硅层。6.根据权利要求1所述太阳能电池，其特征是，所述底电极选用透明导电膜或者铝。7.一种根据权利要求1-6任一项所述太阳能电池的制备方法，其特征是，包括过渡层的制备，所述过渡层的制备包括：先在n型硅晶片完成制绒、抛光及清洗后，再进行前氢化干燥处理；然后制作富硅氧化硅薄膜；最后进行后氢化处理过程；所述前氢化干燥处理为：使用氢气和氮气的混合气体或者氢气作为处理用气，其中混合气体的氢气/氮气体积比在0.1～100之间，前氢化干燥处理温度控制在30℃～350℃之间，前氢化干燥处理时间为1～60分钟；所述后氢化处理过程为：使用氢气和氮气的混合气体或者氢气作为处理用气，其中混合气体的氢气/氮气体积比在0.1～100之间；后氢化处理温度在140℃～1200℃之间，后氢化处理时间在1～3600秒之间。8.根据权利要求7所述太阳能电池的制备方法，其特征是，所述过渡层的制备具体选自以下三种方法之一：第①种方法的步骤为：1)使用氢气和氮气的混合气体或者氢气进行前氢化干燥处理：2)采用等离子体增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：何湘衡，李廷凯，
申请(专利权)人：湖南共创光伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43