專利名稱：高速沉積優質本征微晶硅薄膜的制備方法
高速沉積優質本征微晶硅薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及硅基薄膜太陽電池制備工藝，尤其是一種有助于提高高速沉積微晶硅 太陽電池效率的本征微晶硅薄膜的制備方法。
背景技術：
硅基薄膜太陽電池中，微晶硅(化-Si:H)薄膜太陽電池因其具有高轉換效率和 高穩定性而備受光伏產業界的青睞。微晶硅(k-Si:H)是一種間接帶隙半導體材料， 光學帶隙為l.leV左右，為了充分的吸收太陽光需要薄膜厚度大于lym。因此提高生 長速率對于微晶硅薄膜光伏電池生產成本的降低至關重要。很多研究結果表明超高頻 等離子體增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)結合高反應氣壓是高速生長微晶硅薄膜的 有效方法， (參見T. Matsui, M. Kondo, A. Matsuda, Proceedings 3rd World Conference Photovoltaic on Solar Energy Conversion, 2003, p. 1570禾口 U. Graf， J. Meier, U. Kroll, et al. Thin Solid Films 427 (2003) 37.)，然而人們普遍發現，隨著沉積速率的提高，材 料質量與電池性能逐步下降[參見B. Rech, T. Roschek, T. Repmann， J. Milller， R. Schmitz, and W. Appenzeller, Mcroc/^加〃/we w'/z'cow /or /firrge area當w力/m卵/ar ce〃s, Thin Solid Films 427, 157 (2003)和C. Niikura, M. Kondo, and A. Matsuda,尸"腦〃ow 。/'脂'crac，to〃Zwe sWccw力7慰af w/加7n'g/z-rafe o//6> wm/s w'wg / 妙-(iem、"y / /a纖a, J. Non-Cryst. Solids 338-340, 42 (2004)]，這是因為高的壓力下需要高功率分解氣體來提 高生長速率，產生的高能離子對薄膜表面的轟擊會形成缺陷并抑制晶化生長。PIN型 微晶硅太陽電池的基本結構如圖1所示，包括"玻璃/透明導電薄膜(前電極)/P型 微晶硅(20nm左右)/1型(本征)微晶硅U.5um左右)/N型非晶硅(30nra左右) /背電極"，微晶硅薄膜的生長具有縱向結構不均勻性，即隨厚度增加材料的晶化程 度增加，這對于較厚的I層的作用更加明顯，如果初始非晶孵化層較厚，薄膜的縱向 均勻性較差，就會影響光生載流子的收集從而降低電池性能。因此，對于高速沉積本 征(I型)微晶硅薄膜來說，降低缺陷態密度和提高薄膜的縱向均勻性成為提高電池 性能的重要因素。
在P/I界面引入離子轟擊作用較小的低速界面層可以改善P/I界面特性，即降低界面處缺陷態，改善載流子的輸運特性，并且起到了籽晶層的作用減小了非晶孵化層的 厚度，但后期高速生長的本征微晶硅薄膜的縱向結構均勻性及薄膜質量還需要進一步 提高。
發明內容
本發明目的是提供一種能夠提高高速沉積微晶硅電池效率的本征微晶硅薄膜的 制備方法，該方法能夠控制高速沉積本征微晶硅薄膜的縱向微結構和提高薄膜質量， 進而提高電池性能。
本發明為實現上述目的，設計了一種高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，用于 硅基薄膜太陽電池，利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積技術，其中將高速沉積本 征微晶硅薄膜的制備過程劃分為多個時間段，所述每個時間段控制在5~20分鐘，所 述每個時間段對應一個輸入功率，在所述高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，所 述輸入功率以功率降低梯度呈遞減的規則變化。
所述輸入功率的最大功率與最小功率較優的差值小于或等于20W。
所述功率降低梯度變化幅度為1 W 10 W，較優的，所述功率降低梯度變化幅度 為2W 5W。
所述高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，薄膜的沉積速率大于或等于 0.5nm/s。
本發明首先通過采用較高的輸入功率在P層上沉積微晶硅薄膜。在此階段的沉積 過程中，較高輸入功率可減少非晶孵化層的厚度，且此時所制備的微晶硅薄膜具有器 件質量級的特性。
然后，在其它工藝條件相同的情況下，控制薄膜的縱向微結構和減小離子轟擊作 用是通過逐漸降低輸入功率得到的，即在其它工藝條件不變的情況下，只降低輸入功 率沉積本征微晶硅薄膜，方法簡單便于操作，適合于工業化生產。
圖]為PIN型微晶硅太陽電池的基本結構。
圖2為本發明高速沉積微晶硅太陽電池中本征微晶硅薄膜制備的流程圖3為本發明微晶硅電池的J-V參數隨功率降低梯度的變化曲線，其中(A)為 電池的短路電流密度隨功率降低梯度的變化曲線，(B)為電池的開路電壓隨功率降低梯度的變化曲線，(C)為電池的填充因子隨功率降低梯度的變化曲線，(D)為電 池的光電轉換效率隨功率降低梯度的變化曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施案例對本發明所述的技術方案進行詳細的說明。
本發明提供了一種高速沉積微晶硅太陽電池中沉積本征微晶硅薄膜的制備方法， 該方法采用甚高頻等離子體增強化學氣相沉積技術(VHFPECVD)，頻率為70MHz， 反應氣體壓力為2torr，硅烷濃度SC (SC=[SiH4]/([SiH4]+岡))為5.25%，初始功 率的選擇是在薄膜的沉積速率達到1.2nm/s時制備得到器件質量級的微晶硅材料。值 得關注的是，本發明采用逐漸降低功率的方法在微晶硅太陽電池的P層上沉積本征微 晶硅薄膜，其中逐漸降低功率具體為輸入功率按照功率降低梯度呈遞減的規則變化。
在本發明中，采用將高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程劃分為至少兩個時間 段，每個時間段對應一個輸入功率，采用逐漸降低輸入功率的方法在微晶硅太陽電池 的P層上沉積本征微晶硅薄膜，其中逐漸降低功率具體為輸入功率按照功率降低梯度 呈遞減的規則變化。
實施例一
本發明的實施例一將高速沉積微晶硅太陽電池中沉積本征微晶硅薄膜的制備過 程劃分為兩個時間段，對應兩個時間段采用兩種不同的功率為例來對高速沉積微晶硅 太陽電池中本征微晶硅薄膜的制備方法進行說明，具體為
步驟l、利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積VHF-PECVD方法，在第一個時 間段內，采用第一輸入功率在P層上沉積第一本征微晶硅薄膜層；
步驟2、在等離子體輝光不滅，除功率外其它參數不變的情況下，在第二個時間 段內，采用第二輸入功率在第一本征微晶硅薄膜上生長形成第二本征微晶硅薄膜層； 在該實施方式中，所述的第一輸入功率〉第二輸入功率。
下面列舉一具體的實施條件來對本實施例作進一步的說明，實施條件如下將
帶有P層的襯底置于反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在2torr，薄膜的沉積速率為 1.2nm/s。通電開始沉積，首先設定第一輸入功率為70W，經過10分鐘的沉積，形成 第一本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第二輸入 功率60W，經過20分鐘的沉積，形成第二本征微晶硅薄膜層。漸變功率下所制備的太陽電池的電池效率達到了 8.46%。
在高速沉積微晶硅太陽電池中沉積本征微晶硅薄膜的常規制備過程中，采用恒定
功率在微晶硅太陽電池的P層上沉積本征微晶硅薄膜，實施條件如下將帶有P層的
襯底置于反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在2torr，薄膜的沉積速率控制在 1.2mn/s。只用恒定功率沉積本征微晶硅薄膜，在此實施例中，將輸入功率設定為70W， 經過30分鐘的沉積，形成本征微晶硅薄膜層。恒定功率下所制備的太陽電池的電池 效率約為8.26%。
從上面數據可看出，恒定功率下所制備的太陽電池的電池效率低于漸變功率下所 制備的太陽電池的電池效率。
實施例二
請參考圖2所示，本發明的實施例二將高速沉積微晶硅太陽電池中沉積本征微晶 硅薄膜的制備過程劃分為五個時間段，對應五個時間段采用五種不同的功率為例來對 高速沉積微晶硅太陽電池中本征微晶硅薄膜的制備方法進行說明，具體為
步驟l、利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積VHF-PECVD方法，采用第一輸 入功率Pl在P層上沉積第一本征微晶硅薄膜層；
步驟2、在等離子體輝光不滅，除功率外其它參數不變的情況下，采用第二輸入 功率P2在第一本征微晶硅薄膜上生長形成第二本征微晶硅薄膜層；
步驟3、在等離子體輝光不滅，除功率外其它參數不變的情況下，采用第三輸入
功率P3在第二本征微晶硅薄膜上生長形成第三本征微晶硅薄膜層；
步驟4、在等離子體輝光不滅，除功率外其它參數不變的情況下，采用第四輸入 功率P4在第三本征微晶硅薄膜上生長形成第四本征微晶硅薄膜層；
步驟5、在等離子體輝光不滅，除功率外其它參數不變的情況下，采用第五輸入 功率P5在第四本征微晶硅薄膜上生長形成第五本征微晶硅薄膜層。
在該實施方式中，所述的第一輸入功率P1 〉第二輸入功率P2 〉第三輸入功率 P3 〉第四輸入功率P4 〉第五輸入功率P5，而且，
在該實施方式中，第一輸入功率P1、第二輸入功率P2、第三輸入功率P3、第四 輸入功率P4和第五輸入功率P5 功率間的差值 一 定，即 P1-P2=P2-P3=P3-P4=P4-P5=AP。該AP為功率降低梯度，用以表示功率間差值的大小。請參考圖3所示，圖3為微晶硅太陽電池的J-V參數隨功率降低梯度的變化曲線， 其中包括以下參數電池的短路電流密度Jsc，開路電壓Voc，填充因子FF和效率 Efficiency 。
圖3中的橫坐標表示功率降低梯度AP，其中APo表示功率恒定不變，可以看到采 用功率逐漸降低的方法得到高速沉積微晶硅太陽電池，其電池效率均有增加，且隨功 率梯度的增加，太陽電池的效率先增加后減小，其中在功率梯度為AP4時，太陽電池 的光電轉換效率與恒定功率的相比提高了約一個百分點。
下面列舉三個具體的實施條件來對本實施例作進一步的說明。
實施條件l，以功率梯度為AP2舉例說明，對應圖3中的功率梯度為AP2W， AP2 取值2W。具體實施條件如下將帶有P層的襯底置于反應腔室中，反應腔室中的氣 壓保持在2torr，薄膜的沉積速率為1.2nm/s。通電開始沉積，首先設定第一輸入功率 為70W，經過10分鐘的沉積，形成第一本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變 的情況下，將輸入功率變為第二輸入功率(70-AP2) W，經過5分鐘的沉積，形成第 二本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第三輸入功 率(70-2AP2) W，經過5分鐘的沉積，形成第三本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條 件不變的情況下，將輸入功率變為第四輸入功率(70-3AP2) W，經過5分鐘的沉積， 形成第四本征微晶硅薄膜層；最后在其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第 五輸入功率(70-4AP2) W，經過5分鐘的沉積，形成第五本征微晶硅薄膜層。
實施條件2，以功率梯度為AP4舉例說明，對應圖3中的功率梯度為AP4W， AP4 取值4W。具體實施條件如下將帶有P層的襯底置于反應腔室中，反應腔室中的氣 壓保持在2torr，薄膜的沉積速率為1.2nm/s。通電開始沉積，首先設定第一輸入功率 為70W，經過10分鐘的沉積，形成第一本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變 的情況下，將輸入功率變為第二輸入功率(70-AP4) W，經過5分鐘的沉積，形成第 二本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第三輸入功 率(70-2AP4) W，經過5分鐘的沉積，形成第三本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條 件不變的情況下，將輸入功率變為第四輸入功率(70-3AP4) W，經過5分鐘的沉積， 形成第四本征微晶硅薄膜層；最后在其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第 五輸入功率(70-4AP4) W，經過5分鐘的沉積，形成第五本征微晶硅薄膜層。從圖3 中可以看出，功率降低梯度為AP4W所制備的太陽電池的電池效率與恒定功率下所制 備的太陽電池的電池效率相比提高了約一個百分點，光電轉換效率達到了 9.36%。實施條件3，以功率梯度為AP5舉例說明，對應圖2中的功率梯度為AP5W， AP5 取值5，在本發實施例中，AP5〉 AP4，即此實施條件為采用較大功率梯度在微晶硅太 陽電池的P層上沉積本征微晶硅薄膜。具體實施條件如下將帶有P層的襯底置于反 應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在2torr，薄膜的沉積速率控制在1 1.2mn/s。通電 開始沉積，首先設定第一輸入功率為70W，經過 10分鐘的沉積，形成第一本征微 晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第二輸入功率(70-AP5) W，經過5分鐘的沉積，形成第二本征微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況 下，將輸入功率變為第三輸入功率(70-2AP5) W，經過5分鐘的沉積，形成第三本征 微晶硅薄膜層；然后其他工藝條件不變的情況下，將輸入功率變為第四輸入功率 (70-3AP5)W，經過5分鐘的沉積，形成第四本征微晶硅薄膜層；最后在其他工藝條 件不變的情況下，將輸入功率變為第五輸入功率(70-4AP5) W，經過5分鐘的沉積， 形成第五本征微晶硅薄膜層。
從3中可以看出，功率降低梯度為AP2W及AP5W所制備的太陽電池的電池效率 低于功率降低梯度為AP4W所制備的太陽電池的電池效率，即功率降低梯度存在較優 值。
請繼續參考圖3，采用恒定功率在微晶硅太陽電池的P層上沉積本征微晶硅薄膜， 功率梯度為APqW， APo=0，即采用恒定功率在微晶硅太陽電池的P層上沉積本征微晶 硅薄膜，實施條件如下將帶有P層的襯底置于反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持 在2torr，薄膜的沉積速率控制在1.2nm/s。只用恒定功率沉積本征微晶硅薄膜，在此 實施例中，將輸入功率設定為70W，經過30分鐘的沉積，形成本征微晶硅薄膜層。
從圖3中可以看出，恒定功率下所制備的太陽電池的電池效率是低于其他漸變功 率下所制備的太陽電池的電池效率。
值得關注的是，在本發明中，制備高速沉積微晶硅太陽電池中本征微晶硅薄膜的 過程中，較優的實施條件為最大功率與最小功率的差值小于或等于20W，功率降低梯 度的取值范圍為1 W 10W，其中功率降低梯度較優的取值范圍為2 5 W。
此外，因為高的沉積速率是通過提高反應氣體壓力和輸入功率得到的，而高的輸 入功率會產生高能離子，產生的高能離子對薄膜表面的轟擊會形成缺陷并抑制晶化生 長，所以降低功率既可以控制微晶硅薄膜的縱向結構演變又可以降低離子轟擊作用提 高薄膜特性。而對于低速沉積的微晶硅薄膜，本身采用的功率就不高，降功率就沒有 太大意義了，所以本發明的高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，薄膜的沉積速率大于或等于0.5nm/s。
采用兩種和五種不同的功率來制備高速沉積微晶硅太陽電池中本征微晶硅薄膜 僅為本發明的實施例，然并不局限于此，在制備過程中，根據具體的工藝條件來設定 功率以及功率的變化。
本發明通過采用逐漸降低輸入功率的方法在P層上高速沉積，以獲得具有較低缺 陷態和較好縱向微結構的本征微晶硅薄膜層。在此階段的沉積過程中，降低的輸入功 率可降低離子對薄膜表面的轟擊作用，有利于減少薄膜中的缺陷態；降低的輸入功率 可以降低薄膜的晶化率，有利于控制晶化率隨薄膜厚度增加的程度，從而控制薄膜的 縱向微結構的演變。以上可明顯提高本征微晶硅薄膜質量及結構的縱向均勻性，對于 電池的短路電流密度Jsc，開路電壓Voc和填充因子FF都有不同程度的提高，進而提 高電池效率。
此外，本發明在其它工藝條件不變的情況下，只通過降低輝光功率來沉積微晶硅 薄膜層，方法簡單便于操作，適合于工業化生產。
以上所述，僅為本發明在一定工藝條件下較佳的具體實施方式
，但本發明的保護 范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范 圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1、一種高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，用于硅基薄膜太陽電池，利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積技術，其特征在于將高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程劃分為至少兩個時間段，所述每個時間段控制在5～20分鐘，所述每個時間段對應一個輸入功率，在所述高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，所述輸入功率以功率降低梯度呈遞減的規則變化。
2、 根據權利要求1所述的高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，其特征在于-所述輸入功率的最大功率與最小功率較優的差值小于或等于20W。
3、 根據權利要求1所述的高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，其特征在于 所述功率降低梯度的變化幅度為1 W 10W。
4、 根據權利要求1所述的高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，其特征在于所述功率降低梯度較優的變化幅度為2W-5 W。
5、 根據權利要求1所述的高速沉積本征微晶硅薄膜的制備方法，其特征在于所述高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，薄膜的沉積速率大于或等于0.5nm/s。
全文摘要
本發明公開了一種高速沉積優質本征微晶硅薄膜的制備方法，利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積技術，其中，將高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程劃分為至少兩個時間段，每個時間段對應一個輸入功率，在所述高速沉積本征微晶硅薄膜的制備過程中，所述輸入功率以功率降低梯度呈遞減的規則變化。本發明采用逐漸降低輸入功率的方法沉積本征微晶硅薄膜，達到控制本征微晶硅薄膜縱向微結構演變和提高微結構致密性，從而提高高速沉積微晶硅太陽電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L21/205GK101315958SQ20081005384
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月15日 優先權日2008年7月15日
發明者侯國付, 建 孫, 張建軍, 張德坤, 張曉丹, 耿新華, 薛俊明, 穎 趙, 韓曉艷, 魏長春 申請人:南開大學