一种硅薄膜太阳电池用宽带隙N型纳米硅材料及制备方法技术

一种硅薄膜太阳电池用宽带隙N型纳米硅材料及其制备方法。所述材料为磷或砷掺杂的 N型宽带隙纳米硅薄膜。首先将待处理样品放入高真空沉积系统中，利用等离子体增强化学 气相沉积方法，通过有效控制辉光功率和硅烷浓度等沉积参数制备出相应的材料。本发明专利技术通 过辉光功率和硅烷浓度等参数的优化，达到有效控制材料的结构特征和光电性能，利用晶粒 尺寸减小带来的纳米效应获得高电导率、宽带隙的N型纳米硅。本发明专利技术的有益效果是：将这 种宽带隙纳米硅用作非晶硅电池的掺杂层，可以显著增强电池的内建电场，大大提高电池的 开路电压，从而得到高光电转换效率的非晶硅太阳电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅基薄膜太阳电池制备工艺，属于新能源中薄膜太阳电池的

技术介绍
硅基薄膜太阳电池中，非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳电池特别是以非晶硅为基础的非晶磁 微晶硅叠层太阳电池因在降低成本实现大面积生产上具有很大的空间而备受光伏产业界的青 睐。在P-I-N结构的硅基薄膜太阳电池中，N层与P层一起形成太阳电池的内建势；而且在 非晶/微晶叠层太阳电池中，顶电池N层还与底电池的微晶硅P层一起构成遂穿复合结(Tunnel Recombination Junction, TRJ)，对于提高电池开路电压(Voc)获得高效太阳电池起至关重要的作用。如何获得具有高的V。e的非晶硅顶电池和微晶硅底电池，对于提高单结非晶硅或微晶硅电池，或非晶掛微晶硅叠层电池的光电转换效率至关重要。通常提高硅薄膜电池的方法是采用高电导、宽带隙的p型掺杂层和本征层的优化来实现。比如，采用p型纳米硅作为窗口层可以使非晶硅电池的V。e达到1.042V (Xianbo Liao, Wenhui Du， Xiesen Yang， et al， Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.352, 2006, 1841—1846)。实际上， 作为太阳电池的一极N型掺杂层的作用也非^^M，但是目前关于N型掺杂层对硅薄膜太阳电池Voe影响的研究较少。传统上一般以N型非晶硅作为掺杂层应用到硅薄膜单结电池中。N型非晶硅的带隙宽度 较大(E。pH.75eV)，但是激活能也较大(Ea~0.4eV)，带隙与激活能的差值E。pt—Ea~1.35eV; 虽然N型微晶硅虽然能够达到很低的激活能(Ea<0.1eV)，但是其带隙宽度也较小(E。pt ~1.3eV)，所以带隙与激活能的差值E。pt—Ea 1.3eV，与N型非晶硅的差值基本相当。因此， 采用N型非晶硅或者N型微晶硅作为非晶硅或者微晶硅单结电池的N层材料时，相应电池的 Voc没有明显的差别非晶硅单结电池的Voc在0.9eV，微晶硅单结电池的Voe在0.5eV。而在 非晶掛微晶硅(或者非晶掛非晶硅)叠层太阳电池中，N/P遂穿结对电池性能的提高非常关键。由于N型非晶硅电导较低，作为顶电池N层时与底电池P层之间的遂穿效果不是很理想；虽然N型微晶硅的引入有效的解决了叠层电池中N/P结的遂穿问题，但是由于N型微晶硅的带隙宽度较小，造成叠层电池中非晶硅顶电池V。c的偏低，从而限制了叠层电池Voc的提高。
技术实现思路
本专利技术提供一种能够提高硅基薄膜太阳电池Voc从而提高电池效率的宽带隙纳米N层材 料及其制备方法。本专利技术的硅薄膜太阳电池的宽带隙N型纳米硅材料，是在依次具有衬底G、透明导电膜 T，硼掺杂纳米硅窗口层P和本征硅基薄膜I的待处理样品的本征硅薄膜I层上有沉积层，厚 度在10 50nrn，晶粒尺寸5 50nrn，晶化率5~50%，暗电导率0.001~5S/cm，激活能0.01~0.5eV， 带隙宽度1.8~2.5eV。硅薄膜太阳电池的宽带隙N型纳米硅材料的制备方法，包括以下步骤A、 将依次具有衬底G、透明导电膜T，硼掺杂纳米硅窗口层P和本征硅基薄膜I的待处 理样品放入高真空沉积系统中，本底真空高于l(T5Pa;B、 通入反应气体；C、 对反应气体加功率开始辉光，沉积得到所需的薄膜材料。所述的沉积方法为13.56MHz 100MHz的等离子体增强化学气相沉积PECVD，或者微波 CVD，或者热丝CVD，或者电子回旋共振CVD;反应气体，包括源气体为硅烷类SiH4、 Si2H6或Si3Hs;稀释气体为H2、 He或Ar;掺 杂气体为PH3或AsH3。控制辉光功率和硅烷浓度，使得沉积得到的纳米硅薄膜介于微晶硅和非晶硅过渡区且靠近微晶硅一侧，相关沉积参数范围为 辉光功率10-100W;反应气体压强0.5 2Torr; 待处理样品表面温度100-200°C;掺杂比例，即掺杂原子与硅原子比0.5~5%。硅基薄膜太阳电池，为单结或者是多结叠层太阳电池，所述单结电池结构为衬底G/透明 导电膜T/ffl掺杂纳米硅窗口层Pl 1/本征硅基薄膜Il/磷掺杂纳米Nl/金属M;所述多结叠层太 阳电池结构为衬底G/透明导电膜T/硼掺杂纳米硅窗口层Pl/本征硅基薄膜Il/磷掺杂纳米Nl/ 硼掺杂微晶硅P2/本征微晶硅薄膜12/磷掺杂N型非晶掛金属M，其中硅基薄膜太阳电池所用 Nl层薄膜为权利1所述的宽带隙N型纳米硅材料。所述的非晶硅电池的Voc大于0.9V，微晶硅电池Voc大于0.5eV。本专利技术有益效果是通过有效控制沉积过程的沉积参数来控制N型惨杂层的结构及其光 电性能，达到掺杂层的高电导率，宽带隙的基本要求。这种宽带隙纳米硅用作非晶硅电池的 掺杂层，可以显著增强电池的内建电场，大大提高电池的开路电压，而在多结叠层电池中还 有利于获得较好的遂穿特性，从而显著提高单结和多结叠层电池的转化效率。附图说明图1为单结P-I-N非晶硅(或微晶硅)薄膜太阳电池结构示意图； 图2为双结非晶磁微晶硅(或非晶礅非晶硅)叠层太阳电池结构示意图； 图3为N层不同晶化率时单结非晶硅太阳电池的Voc和FF的变化曲线。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术所述的技术方案进行详细的说明。 本专利技术利用沉积微晶硅或者非晶硅薄膜沉积工艺沉积的相通性，提供一种兼容微晶硅和 微晶硅薄膜沉积技术的N型纳米硅材料的制备方法，该方法采用PECVD沉积技术，通过有 效控制沉积参数的范围，达到控制材料的晶粒尺寸和晶化率，获得了具有宽带隙的N型纳米 硅薄膜材料，同时所得到的N型纳米硅薄膜材料具有相对较高的电导率。高电导、宽带隙的 N型材料用到单结非晶硅(或微晶硅)、或双结非晶掛微晶硅(或非晶衞非晶硅)叠层太阳 电池中，能够极大地提高硅基薄膜太阳电池V。e，从而提高电池效率。本专利技术的硅基薄膜单结电池结构如图1所示，包括衬底G，透明导电膜T，硼掺杂纳米硅窗口层P1，本征硅基薄膜Il，磷掺杂纳米N1和金属M。其中G为透明玻璃；T为透明导电膜Sn02: F; Pl为硼掺杂的P型纳米Si或者其他形式的P型材料。本征层Il为非晶硅；Nl为所述磷掺杂宽带隙纳米硅薄膜；金属M可为Al或Ag。本专利技术的非晶微晶硅叠层太阳电池结构如图2所示，包括衬底G，透明导电膜T，硼掺 杂纳米硅窗口层P1，本征薄膜Il，磷掺杂硅基薄膜Nl,硼掺杂微晶硅薄膜P2，本征薄膜I2， 磷掺杂硅基薄膜N2和金属M。其中G为透明玻璃；T为Sn02: F透明导电膜；Pl为硼掺 杂的P型纳米Si或者其他形式的P型材料。本征层II为非晶硅；Nl为所述磷掺杂宽带隙纳米硅薄膜；P2为硼掺杂的P型微晶硅。本征层I2为微晶硅；N2为磷掺杂非晶硅薄膜，金属M可为Al或Ag。本专利技术是针对P-I-N结构的单结非晶硅太阳电池或者是P-I-N/P-I-N结构的双结非晶/微晶 硅叠层太阳电池，提出了解决硅基电池V。e偏低的新型N型纳米硅材料及其制备方法。 根据图1所示，下面介绍本专利技术的三个实施例 实施例l本专利技术中较为优选的实施条件如下将依次具有衬底G、透明导电膜T，硼掺杂纳米硅窗口层P和本征硅基薄膜I的待处理样品置于反应腔室中，向反应腔室内通入硅垸、氢气和磷垸，腔室中的气压保持在0.7Torr，电极距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅薄膜太阳电池用宽带隙Ｎ型纳米硅材料，其特征在于：在依次具有衬底Ｇ、透明导电膜Ｔ，硼掺杂纳米硅窗口层Ｐ和本征硅基薄膜Ｉ的待处理样品的本征硅薄膜Ｉ层上有沉积层，厚度在１０～５０ｎｍ，晶粒尺寸５～５０ｎｍ，晶化率５～５０％，暗电导率０．００１～５Ｓ／ｃｍ，激活能０．０１～０．５ｅＶ，带隙宽度１．８～２．５ｅＶ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：侯国付，李贵君，耿新华，魏长春，赵颖，
申请(专利权)人：侯国付，李贵君，耿新华，魏长春，赵颖，
类型：发明
国别省市：12