[發明專利]一種吸收層具有帶隙梯度結構的微晶硅鍺薄膜太陽電池

無效

• 申請號: 201110434443.8
• 申請日: 2011-12-22
• 公開（公告）號: CN102522447A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 張建軍;曹宇;李天微;黃振華;倪牮;趙穎;耿新華
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/075
• 分類號: H01L31/075;H01L31/18;C23C16/24
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

【技術領域】

本發明涉及硅基薄膜太陽能電池的制備工藝，特別是一種吸收層為微晶硅鍺薄膜的硅基薄膜太陽電池的結構設計及其制備方法。

【背景技術】

硅薄膜太陽電池中，微晶硅薄膜太陽電池因其具有高轉換效率和高穩定性而倍受光伏產業界的青睞。而最新發展的微晶硅鍺材料相比微晶硅材料來說，具有更大的潛力和優勢。首先微晶硅鍺的吸收系數比微晶硅的要高1-2個數量級，利用微晶硅鍺材料中鍺的高吸收系數的作用可以極大的減少太陽電池本征吸收層的厚度，縮短制備時間，降低了工業化的生產成本；其次微晶硅材料的帶隙為1.1eV，而微晶鍺的帶隙僅有0.66eV，通過調節微晶硅鍺材料中硅鍺含量的配比，硅鍺材料的帶隙可以在1.1eV-0.66eV的范圍內連續可調，擴展了吸收光譜的范圍，因此使用微晶硅鍺材料可大大提高太陽電池的效率。利用其長波響應好的特點，將其應用到硅基薄膜疊層電池的底電池中去，將會到達比微晶硅更好的效果。

微晶硅鍺薄膜電池由于鍺的摻入使帶隙降低，在產生較高的短路電流密度的同時，也會帶來開路電壓的下降。與此同時，在微晶硅鍺薄膜電池本征層的制備過程中，等離子體中的H原子存在優先與Si鍵合的問題，使得薄膜中與Si和Ge近鄰的結構不一致，結構有序度不均勻，缺陷態增加，特別是在高鍺含量薄膜中更容易出現大量的缺陷態，這都影響了微晶硅鍺薄膜電池的轉化效率。

【發明內容】

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種吸收層具有帶隙梯度結構的微晶硅鍺薄膜太陽電池及其制備工藝，該微晶硅鍺薄膜電池結構新穎，工藝簡單、易于操作、可以有效的優化電池的結構特性，提高本征層的器件質量，在保證微晶硅鍺薄膜太陽電池高短路電流的同時，提高電池的開路電壓和填充因子，從而提高了器件性能。

本發明的技術方案：

一種吸收層具有帶隙梯度結構的微晶硅鍺薄膜太陽電池，包括透明襯底、透明導電薄膜、P型窗口層、本征吸收層、N⁺層、背反射電極和金屬電極，所述本征吸收層具有帶隙梯度結構，帶隙梯度為縱向分布，帶隙范圍為1.1-0.66eV，具有帶隙梯度本征吸收層的薄膜層數為2-5層，每一層薄膜厚度為50-500nm，相鄰兩層薄膜帶隙的變化幅度為0.1-0.3eV。

所述縱向分布的帶隙梯度為帶隙逐漸升高的分布或帶隙逐漸降低的分布。

一種所述吸收層具有帶隙梯度結構的微晶硅鍺薄膜太陽電池的制備方法，采用化學氣相沉積設備制備，步驟如下：

1)將鍍有透明導電膜的玻璃襯底放在真空反應室內，本底真空高于2×10^-4Pa，首先制備P型窗口層；

2)在向真空反應室通入反應氣體硅烷、鍺烷和氫氣的條件下，通過改變氣體流量、氣體壓強、襯底溫度和輝光功率，連續沉積帶隙范圍為1.1-0.66eV的微晶硅鍺薄膜，形成具有帶隙梯度的微晶硅鍺薄膜電池本征吸收層；

3)然后依次制備N+層、背反射電極和金屬電極，形成微晶硅鍺薄膜太陽電池。

所述化學氣相沉積設備包括射頻等離子增強化學氣相沉積設備、甚高頻等離子體增強化學氣相沉積設備、熱絲化學氣相沉積設備和等離子體反應熱化學氣相沉積設備。

所述帶有透明導電膜的玻璃襯底的厚度為1-3毫米，玻璃襯底上鍍的透明導電薄膜為ZnO膜、SnO₂膜或SnO₂-ZnO復合膜。

所述P型窗口層為P型微晶硅材料或P型微晶硅鍺材料。

所述反應氣體中硅烷、鍺烷和氫氣的流量為：硅烷2-20sccm、鍺烷0-5.0sccm、氫氣200-500sccm。

所述沉積本征吸收層的工藝參數為：輝光激勵頻率13.56MHz-100MHz；功率10-100W；反應氣體壓強1-3torr；襯底溫度150℃-250℃。

本發明的優點和積極效果：該微晶硅鍺薄膜太陽電池吸收本征層采用新型的帶隙梯度結構，其中，可以利用低缺陷態密度的微晶硅材料作為起始層，誘導生長出高質量的微晶硅鍺材料；可以利用不同帶隙的微晶硅鍺材料去吸收不同能量的光子，以此減少電池的熱損失，也可以利用其存在的能級差，優化電池的內建電場，有利于光生載流子的收集；綜合以上有利因素，在不同帶隙材料的組合下得到不同本征層結構，與恒定帶隙的微晶硅鍺薄膜電池相比，可以有效提高材料質量，優化器件結構，達到提高電池效率的目的。該微晶硅鍺薄膜電池結構新穎，工藝簡單、易于操作、可以有效的優化電池的結構特性，提高本征層的器件質量，在保證微晶硅鍺薄膜太陽電池高短路電流的同時，提高電池的開路電壓和填充因子，從而提高了器件性能。