專利名稱：一種pin硅基薄膜太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發明屬于太陽能電池器件技術領域，涉及PIN結硅基薄膜太陽能電池及其制備工藝。具體而言，對硅薄膜太陽能電池的核心-PIN結的P-層，I-層，N-層均采用熱絲化學氣相沉積的方法制備，并且用熱絲化學氣相沉積的方法在P-層和I-層之間生長一層介質材料構成的鈍化層。
背景技術：
太陽能是人類可利用的最重要的再生清潔能源之一。在太陽能的使用中太陽能發電又是一種很重要的應用方式。目前太陽能電池主要有晶體硅太陽能電池和硅薄膜太陽能電池兩種。硅是地球上儲量最豐富的元素之一，而且綠色環保，無毒。硅薄膜太陽能電池相對于晶體硅太陽能電池而言，在價格方面更具優勢，在效率的提高方面也有很大的潛力。
目前硅薄膜太陽能電池的PIN結的制備，都是采用等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD)的方法。熱絲化學氣相沉積是上世紀下半頁發展起來的一種新的薄膜制備方法，相比與PECVD，其具有氣源利用率高，沉積速率快，對膜的損失小，并且在薄膜生長過程中沒有粉塵生成等優點。美國可再生能源國家重點實驗室(NREL)，荷蘭烏特列支大學(UtrechtUniversity),日本的國立產業技術綜合研究所(JAIST)，日本真空公司(ULVAC)，我國的中科院研究生院，上海交通大學等單位都在進行熱絲法制備硅薄膜太陽能電池的研究工作，并且已經取得了一些很好的結果。不過現在的研究工作基本都只是用熱絲化學氣相沉積的方法制備硅電池的I-層，但是P-層和N-層還是采用PECVD的方法制備。用熱絲化學氣相沉積法生長薄膜太陽能電池的形成產業化的更是沒有。 薄膜的電池P-層和I-層之間的界面結構很重要，處理得當可以大大減少界面的載流子復合損失，增大電池的電流和填充因子。現今技術基本都是用H原子處理兩層之間的界面，或者增加一層半導體的界面層，如氫化非晶硅，以減少界面缺陷。氮化硅、氧化硅作為一種介質材料禁帶寬度很大，性能更穩定，可以很好地鈍化界面上的缺陷；而且結合量子效應，將其做到很薄的時候，由于載流子的隧穿效應，不僅不會阻礙載流子在界面的通過，而且會增加載流子在該處的遷移率，使其更加容易的越過界面。用它們在做P-層和I-層之間的鈍化層，可以大大減少載流子復合，提高電池的效率。
發明內容
技術問題本發明的目的在于提出一種新的硅基薄膜電池的PIN結的太陽能電池及其制備工藝，該電池改善了每層膜的質量，并且改進膜與膜之間的界面情況，減少界面復合，從而提高電池的量子效率和轉換效率。由于熱絲化學氣相沉積法生長薄膜過程中沒有粉塵產生，因此相比與PECVD方法大大簡化了生長腔室的清理工作，節省了生產成本。
技術方案一種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。
—種硅基薄膜PIN結太陽能電池制備工藝，采用熱絲化學氣相沉積的方法，在透 明導電玻璃上依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和 N-層。 硅基薄膜PIN結太陽能電池制備工藝，工藝步驟為以透明導電玻璃為襯底， 在其上用熱絲化學氣相沉積的方法生長P-層，生長工藝如下流量比Si仏B2H6 = 1 : 0. 01 1 : 0. 10，稀釋比控制在90% 98%，氣壓控制在1Pa 5Pa，襯底溫度為 150°C 300°C ，熱絲溫度控制在1800°C 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm，膜厚 控制在10 30nm ;在P-層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長一層氮化硅或氧化硅的介質 材料作為鈍化層，該介電鈍化層的厚度為2 10nm，以硅烷作為硅源，氨氣作為氮源，氧氣 作為氧源，氣壓控制在1Pa 10Pa，襯底溫度為150°C 300°C ，熱絲溫度控制在1700°C 200(TC，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm ;;在鈍化層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長 I-層，生長工藝具體如下稀釋比控制在90 % 98 % ，氣壓控制在1Pa 5Pa，襯底溫度為 150°C 30(TC，熱絲溫度控制在1700 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm，膜厚 控制在300 1000nm ;用熱絲化學氣相沉積的方法生長N-層，生長工藝具體如下流量比 SiH4 : PH3 = 1 : 0. 005 1 : O. 06，稀釋比控制在90% 98%，氣壓控制在lPa 5Pa， 襯底溫度為15(TC 30(TC，熱絲溫度控制在1700°C 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在 3 8cm，膜厚控制在10 30nm ;用磁控濺射法在N-層上沉積一層厚度為100nm 300nm 的透明導電膜；再在透明導電膜上用物理氣相沉積法沉積一層600nm 1000nm的金屬膜作 為上電極。 所述的透明導電膜是AZO薄膜或ITO薄膜。 所述的金屬膜是鋁金屬膜或銀金屬膜；物理氣相沉積法為磁控濺射法或熱蒸發 法。 有益效果相比于使用PECVD法制備硅基薄膜太陽能電池，熱絲化學氣相沉積法 具有氣源利用率高，生長速率快，減少界面缺陷等特點，并且由于本工藝制備的硅基薄膜的 氣壓較PECVD低，并且沒有PECVD的等離子刻蝕作用，所以生長的薄膜中的H含量比PECVD 法要高，懸掛鍵要比PECVD方法少，膜的質量更好。再加上P-層和I-層之間的鈍化層可以 鈍化界面的懸掛鍵，并且通過隧道效應增加界面處的載流子遷移率，從而使得電池的效率 得到更大的提高。
圖1是熱絲化學氣相沉積設備的結構示意圖。 圖中標號名稱1.氣路；2.氣體噴頭；3.熱絲；4.熱絲支架；5.擋板；6.襯底架； 7.抽氣系統 圖2是本發明中的硅基薄膜太陽能電池的結構示意圖。 圖中標號名稱8.玻璃；9.透明導電膜；10.P-Si膜；11.介電鈍化層；12. I-Si 膜；13.N-Si膜；14.透明導電膜；15.鋁薄膜；16.入射太陽光。
具體實施例方式
本發明由下述實施例得到進一步的說明，但這些說明并不是限制本發明。
稀釋比定義為H2流量/(SiH4流量+H2流量+摻雜氣體流量)
實施例1 : —種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的 方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。具體 制備工藝如下 1.將清洗好的透明導電薄膜襯底裝入腔室，升溫，抽腔室真空至合適本底真空值。
2.當襯底溫度和真空度達到要求后生長P-層，具體參數如下 流量比Si4 : B2H6=1 : 0. 01，稀釋比控制在91X，氣壓控制在2Pa，襯底溫度
為250°C ，熱絲溫度控制在 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在30nm.生長
結束后抽空殘余氣體，準備生長氮化硅鈍化層。 3.氮化硅鈍化層的生長工藝 流量比SiH4 : NH3=1 : 2，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為250。C，熱絲溫度控制在 190(TC，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在5nm.生長結束后抽空殘余氣體，準備生 長I-層。 4. I-的具體參數如下 稀釋比控制在91 %，氣壓控制在2Pa，襯底溫度為250°C，熱絲溫度控制在 180(TC，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在800nm.生長結束后抽空殘余氣體，準備 生長N-層。 5. N-層具體參數如下 流量比Si4 : PH3=1 : 0. 02，稀釋比控制在95X，氣壓控制在lPa，襯底溫度為
250。C，熱絲溫度控制在 1850。C，膜厚控制在20nm. 6.最后用磁控濺射生長一層透明導電薄膜和一層鋁金屬電極。 實施結果在AMI. 5條件下測試，開路電壓由沒有氮化硅鈍化層的550mV提高到
630mV，短路電流由10mA/cm2提高到14. 2mA/cm2。 實施例2: —種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的 方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。具體 制備工藝如下 1.將清洗好的透明導電薄膜襯底裝入腔室，升溫，抽腔室真空至合適本底真空值。 2.當襯底溫度和真空度達到要求后生長P-層，具體參數如下 流量比Si4 : B2H6=1 : 0. 01，稀釋比控制在91X，氣壓控制在2Pa，襯底溫度
為250°C ，熱絲溫度控制在 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在30nm.生長
結束后抽空殘余氣體，準備生長氮化硅鈍化層。 3.氮化硅鈍化層的生長工藝 流量比SiH4 : NH3=1 : 2，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為250。C，熱絲溫度控制在 190(TC，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在5nm.生長結束后抽空殘余氣體，準備生 長I-層。 4. I-的具體參數如下 稀釋比控制在95 %，氣壓控制在2Pa，襯底溫度為250°C，熱絲溫度控制在 180(TC，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在800nm.生長結束后抽空殘余氣體，準備 生長N-層。 5. N-層具體參數如下 流量比SiH4 : PH3=1 : 0. 02，稀釋比控制在95X，氣壓控制在lPa，襯底溫度為 25(TC，熱絲溫度控制在1850。C，膜厚控制在20nm. 6.最后用磁控濺射生長一層透明導電薄膜和一層鋁金屬電極。 實施結果在AMI. 5條件下測試，開路電壓達由沒有氮化硅鈍化層的500mV提高到
580mV，短路電流由12. 0mA/cm2提高到16. 0mA/cm2。 實施例3 —種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的 方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。具體 制備工藝如下 硅基薄膜PIN結太陽能電池制備工藝，工藝步驟為以透明導電玻璃為襯底，在其 上用熱絲化學氣相沉積的方法生長P-層，生長工藝如下流量比SiH4 : B2H6=1 : 0.01， 稀釋比控制在90%，氣壓控制在1Pa，襯底溫度為15(TC，熱絲溫度控制在180(TC，襯底與 熱絲的距離控制在3cm，膜厚控制在10nm ;在P-層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長一 層氮化硅介質材料作為鈍化層，該介電鈍化層的厚度為2nm，以硅烷作為硅源，氨氣作為氮 源，氣壓控制在1Pa，襯底溫度為15(TC，熱絲溫度控制在170(TC，襯底與熱絲的距離控制在 3cm ;在鈍化層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長I-層，生長工藝具體如下稀釋比(稀釋 比就是H2和總的反應氣體的流量比，在I-層生長中總的反應氣體就是H2和SiH4)控制在 90%，氣壓控制在1Pa，襯底溫度為15(TC，熱絲溫度控制在170(TC，襯底與熱絲的距離控制 在3cm，膜厚控制在300nm ;用熱絲化學氣相沉積的方法生長N-層，生長工藝具體如下流 量比SiH4 : PH3 = 1 : 0. 005，稀釋比控制在90%，氣壓控制在1Pa，襯底溫度為150°C， 熱絲溫度控制在170(TC，襯底與熱絲的距離控制在3cm，膜厚控制在10nm ;用磁控濺射法在 N-層上沉積一層厚度為100nm的透明導電膜；再在透明導電膜上用物理氣相沉積法沉積一 層600nm的金屬膜作為上電極。所述的透明導電膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金屬膜
是鋁金屬膜或銀金屬膜；物理氣相沉積法為磁控濺射法或熱蒸發法。
實施例4 —種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的 方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。具體 制備工藝如下 硅基薄膜PIN結太陽能電池制備工藝，工藝步驟為以透明導電玻璃為襯底，在其 上用熱絲化學氣相沉積的方法生長P-層，生長工藝如下流量比SiH4 : B2H6=1 : 0.05， 稀釋比控制在95 % ，氣壓控制在3Pa，襯底溫度為200°C ，熱絲溫度控制在1850°C ，襯底與 熱絲的距離控制在6cm，膜厚控制在20nm ;在P-層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長一 層氧化硅介質材料作為鈍化層，該介電鈍化層的厚度為5nm，以硅烷作為硅源，氧氣作為氧 源，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為20(TC，熱絲溫度控制在180(TC，襯底與熱絲的距離控制在 5cm ;在鈍化層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長I-層，生長工藝具體如下稀釋比(稀釋 比就是H2和總的反應氣體的流量比，在I-層生長中總的反應氣體就是H2和SiH4)控制在95%，氣壓控制在3Pa，襯底溫度為20(TC，熱絲溫度控制在1800°C ，襯底與熱絲的距離控制 在5cm，膜厚控制在800nm ;用熱絲化學氣相沉積的方法生長N-層，生長工藝具體如下流 量比SiH4 : PH3=1 : 0. 05，稀釋比控制在95X，氣壓控制在3Pa，襯底溫度為20(TC，熱 絲溫度控制在180(TC，襯底與熱絲的距離控制在5cm，膜厚控制在20nm ;用磁控濺射法在 N-層上沉積一層厚度為200nm的透明導電膜；再在透明導電膜上用物理氣相沉積法沉積一 層800nm的金屬膜作為上電極。所述的透明導電膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金屬膜
是鋁金屬膜或銀金屬膜；物理氣相沉積法為磁控濺射法或熱蒸發法。
實施例5 —種硅基薄膜PIN結太陽能電池，在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的 方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。具體 制備工藝如下 硅基薄膜PIN結太陽能電池制備工藝，工藝步驟為以透明導電玻璃為襯底，在其 上用熱絲化學氣相沉積的方法生長P-層，生長工藝如下流量比SiH4 : B2H6=1 : 0.10， 稀釋比控制在98 % ，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為300°C ，熱絲溫度控制在1900°C ，襯底與 熱絲的距離控制在8cm，膜厚控制在30nm ;在P-層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長一層 氮化硅介質材料作為鈍化層，該介電鈍化層的厚度為10nm，以硅烷作為硅源，氨氣作為氮 源，氣壓控制在10Pa，襯底溫度為30(TC，熱絲溫度控制在200(TC，襯底與熱絲的距離控制 在8cm;在鈍化層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長I-層，生長工藝具體如下稀釋比(稀 釋比就是^和總的反應氣體的流量比，在I-層生長中總的反應氣體就是^和SiH4)控制 在98% ，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為300°C ，熱絲溫度控制在1900°C ，襯底與熱絲的距離控 制在8cm，膜厚控制在1000nm ;用熱絲化學氣相沉積的方法生長N-層，生長工藝具體如下 流量比SiH4 : PH3=1 : 0. 06，稀釋比控制在98X，氣壓控制在5Pa，襯底溫度為300°C， 熱絲溫度控制在1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在8cm，膜厚控制在30nm ;用磁控濺射法在 N-層上沉積一層厚度為300nm的透明導電膜；再在透明導電膜上用物理氣相沉積法沉積一 層1000nm的金屬膜作為上電極。所述的透明導電膜是AZO薄膜或ITO薄膜。所述的金屬 膜是鋁金屬膜或銀金屬膜；物理氣相沉積法為磁控濺射法或熱蒸發法。
權利要求
一種PIN硅基薄膜太陽能電池，其特征在于在透明導電導玻璃上采用熱絲化學氣相沉積的方法依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。
2. —種PIN硅基薄膜太陽能電池制備工藝，其特征在于采用熱絲化學氣相沉積的方法，在透明導電玻璃上依次沉積硅基薄膜太陽能電池核心-PIN結的P-層，I-層、介電鈍化層和N-層。
3. 根據權利要求2所述的PIN硅基薄膜太陽能電池制備工藝，其特征在于工藝步驟為a. 以透明導電玻璃為襯底，在其上用熱絲化學氣相沉積的方法生長P-層，生長工藝如下流量比SiH4 : B2H6=1 : 0. 01 1 : 0. IO，稀釋比控制在90% 98%，氣壓控制在1Pa 5Pa，襯底溫度為150。C 30(TC，熱絲溫度控制在1800°C 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm，膜厚控制在10 30nm ;b. 在P-層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長一層氮化硅或氧化硅的介質材料作為鈍化層，該介電鈍化層的厚度為2 10nm，以硅烷作為硅源，氨氣作為氮源，氧氣作為氧源，氣壓控制在1Pa lOPa，襯底溫度為150°C 300°C ，熱絲溫度控制在1700°C 2000。C，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm ;c. 在鈍化層上用熱絲化學氣相沉積的方法生長I-層，生長工藝具體如下稀釋比控制在90% 98% ，氣壓控制在1Pa 5Pa，襯底溫度為150°C 300°C ，熱絲溫度控制在1700 1900。C，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm，膜厚控制在300 lOOOnm ;d. 用熱絲化學氣相沉積的方法生長N-層，生長工藝具體如下流量比SiH4 : PH3 =1 : 0. 005 1 : 0. 06，稀釋比控制在90% 98%，氣壓控制在1Pa 5Pa，襯底溫度為150°C 300°C ，熱絲溫度控制在1700°C 1900°C ，襯底與熱絲的距離控制在3 8cm，膜厚控制在10 30nm ;e. 用磁控濺射法在N-層上沉積一層厚度為lOOnm 300nm的透明導電膜；f. 再在透明導電膜上用物理氣相沉積法沉積一層600nm lOOOnm的金屬膜作為上電極。
4. 根據權利要求3所述的PIN硅基薄膜太陽能電池制備工藝，其特征在于所述的透明導電膜是AZO薄膜或ITO薄膜。
5. 根據權利要求3所述的PIN硅基薄膜太陽能電池制備工藝，其特征在于所述的金屬膜是鋁金屬膜或銀金屬膜；物理氣相沉積法為磁控濺射法或熱蒸發法。
全文摘要
本發明屬于太陽能電池器件技術領域，涉及PIN結硅基薄膜太陽能電池及其制備工藝。具體而言，對硅基薄膜太陽能電池的核心-PIN結的P-層，I-層，N-層均采用熱絲化學氣相沉積的方法制備，并且用熱絲化學氣相沉積的方法在P-層和I-層之間生長一層介質材料構成的鈍化層。該熱絲化學氣相沉積法具有氣源利用率高，生長速率快，減少界面缺陷等特點，所生長的薄膜中的H含量比PECVD法要高，懸掛鍵要比PECVD方法少，膜的質量更好。再加上P-層和I-層之間的鈍化層可以鈍化界面的懸掛鍵，并且通過隧道效應增加界面處的載流子遷移率，從而使得電池的效率得到更大的提高。
文檔編號H01L31/042GK101699633SQ20091023288
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者吳天如, 沈鴻烈, 魯林峰, 黃海賓 申請人:南京航空航天大學