[發明專利]具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和制備方法及應用

有效

• 申請號: 201410488516.5
• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104362183B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 倪牮;馬峻;張建軍;侯國付;陳新亮;張曉丹;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/20;H01L31/0445;H01L31/075;C23C16/22;C23C16/513
• 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

?本發明屬于硅基薄膜太陽電池領域，特別涉及一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及應用。

背景技術

面對全球日益嚴峻的能源短缺問題，太陽能電池因其具有清潔、無污染的特點日益成為解決環境問題和能源問題的重要手段之一。硅基太陽電池因其使用的半導體材料硅儲量豐富、無毒并且無污染，是人們研究最多、技術最成熟的。而其中硅基薄膜太陽電池由于產業鏈短、制造成本低、耗能低、制造過程無污染成為未來太陽電池發展的重要方向。

p型摻雜層作為硅基薄膜電池的窗口層，與n型摻雜層共同形成硅基薄膜電池的內建電場。對p型窗口層的要求是高電導率、低激活能和寬帶隙，其中高電導率、低激活能可以增強內建電場并降低p型窗口層和前電極的接觸電阻，寬帶隙可以減少p型窗口層的光吸收損失，提高電池在短波段的光電響應。目前，在硅基薄膜電池研究中廣泛使用p型非晶硅碳(p-a-SiC:H)作為窗口層材料，通過碳與硅的合金效應使材料帶隙展寬。其中，p-a-SiC:H通過碳的合金效應使其帶隙達到1.8?eV-2.2?eV。傳統硅基薄膜電池另一部分光學損失是未達到本征層就被前電極或是窗口層反射的部分，針對此問題，大部分研究機構所采用的方法是在p-a-SiC:H窗口層上覆蓋一層折射率小于窗口層的透明導電薄膜(ITO)，同時起到前電極和減反射的作用，但是由于p-a-SiC:H窗口層為單質結構，具有固定且唯一的折射率，當太陽光譜入射到薄膜電池時，只有具有特定波長的光才能實現理想的零反射，而光譜范圍絕大部分的光學反射損失在實際電池中仍很明顯，進而影響整個電池的性能。

從上面的分析看出，如何開發出具有高電導率、寬帶隙，同時降低光學反射的p型窗口層材料是制備硅基薄膜太陽電池窗口層的關鍵點。為此，本發明提出一種折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及其制備方法，有效地解決了上述的問題。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及其制備方法。該新型窗口層能夠拓展短波區域的太陽電池光譜響應，有效降低由于固定折射率窗口層引起的光學反射損失，并且通過調制非晶硅碳窗口層沉積條件，實現本征層和窗口層之間的帶隙匹配，提高硅基薄膜太陽電池的開路電壓和填充因子，從而提高太陽電池效率。

本發明的技術方案：

一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜，該薄膜采用層遞式沉積方法沉積硅碳薄膜，該薄膜中碳含量為30-80%，折射率在薄膜縱向漸進式變化，在400?nm波長處變化范圍為2.8-2.2，直至形成總厚度為20-50?nm的p型硅碳窗口層材料，其折射率介于前電極和本征層折射率之間。

所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的制備方法為：將在襯底上依次疊加有金屬背電極、透明導電背電極、n型硅基薄膜和本征硅基薄膜的待處理樣品放入高真空沉積設備中，待處理樣品表面溫度為100-150℃，真空度不低于10^-5?Pa，通入反應氣體，反應氣源為硅烷、硼烷、氫氣和甲烷的混合氣體，其中氫氣占氣體體積流量的百分比為98-99%，硅烷占氣體體積流量的百分比為0.5-1%，硼烷占氣體體積流量的百分比0.1-0.2%，甲烷占氣體體積流量的百分比0.5-1%，輝光功率密度為10-50?mW/cm²，硅碳窗口層的折射率通過輝光功率密度調控，首先在10-20?mW/cm²功率密度下開始沉積薄膜，隨著沉積薄膜厚度的增加，輝光功率密度按照公式：P(t)=P₀+A·t逐漸上升至30-50?mW/cm²，其中P為輝光功率密度，P₀為初始功率密度，A為線性變化速率，t為輝光時間，最終形成總厚度為20-50?nm的具有折射率漸變特征硅碳窗口層材料。所述沉積設備為13.56MHz-100MHz的等離子體增強化學氣相沉積PECVD系統、微波等離子體化學氣相沉積系統或電子回旋共振化學氣相沉積系統。

一種所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的應用，用于硅基薄膜太陽電池，當采用玻璃或透明塑料為襯底時，該硅基薄膜太陽電池由玻璃或透明塑料襯底、前電極、p型折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜、本征吸收層、n型摻雜層和背電極依次疊加構成；當采用不銹鋼或不透明塑料為襯底時，該硅基薄膜太陽電池由背電極、n型摻雜層、本征吸收層、p型折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和前電極依次疊加構成。