[發(fā)明專利]氫氣調(diào)制本征層能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110033772.1
• 申請日: 2011-01-31
• 公開（公告）號: CN102176496A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發(fā)明（設計）人: 彭文博;曾湘波;劉石勇;姚文杰;謝小兵;肖海波;楊萍;王超;俞育德
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/20
• 分類號: H01L31/20;C30B25/16;H01L31/075
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新能源中薄膜太陽電池的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氫氣調(diào)制本征層能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法，其是通過氫氣調(diào)制本征層(I層)能帶結(jié)構(gòu)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(shù)

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，p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(-2.0eV)。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(chǔ)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。

基于以上的原因，我們希望能夠得到一種V形的I層能帶結(jié)構(gòu)，在這種能帶結(jié)構(gòu)中寬帶隙的一側(cè)與P層相連，窄帶隙的一側(cè)與N層相連。光從寬帶隙側(cè)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)沉積過程中的鍺烷流量調(diào)節(jié)I層帶隙漸變，以形成V形能帶結(jié)構(gòu)。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(guān)，在一定范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)，使用這種結(jié)構(gòu)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(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種氫氣調(diào)制本征層能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化非晶硅太陽電池及制作方法，其是采用氫氣調(diào)制的方法獲得漸變帶隙的V形本征層能帶結(jié)構(gòu)，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(diào)制本征層能帶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)時，襯底為導電玻璃，電極層為鋁電極。

其中在NIP結(jié)構(gòu)的N層上沉積I層時，通入氫氣/硅烷氣體，調(diào)節(jié)氫氣/硅烷流量比，調(diào)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0.03W/cm²-0.06W/cm²，襯底的溫度為100℃-200℃，總反應時間為40min-80min，I層的厚度250nm-600nm。