專利名稱：一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池及制作方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜電池，特別涉及一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池及制作方法。
背景技術：
非晶硅薄膜太陽能電池由于具有低成本、工藝技術成熟等優勢廣泛受到人們的關注。但少數載流子擴散長度短及光電轉換效率低，因此需要提高非晶硅薄膜電池有效的光吸收及光電轉換效率。非晶硅薄膜電池中多數采用p-i-n結構，就是用TCO層作為透明電極，ρ層作為窗口層，i層作為太陽能電池的本征層，即是主要的光吸收層，用η層形成ρη結的內建電場， 產生開路電壓。但在P-i-n結構中摻雜層P層和η層對功率轉換沒有直接的作用，且η層會有吸收導致功率損耗。由于非晶硅薄膜光學帶隙為1. 7eV，材料本身對長波區的不敏感，因此限制了非晶硅電池的光電轉換效率。解決這一問題的有效途徑就是制作疊層P-i-n電池，就是在一個 P-i-n電池的上面再沉積一個或多個p-i-n電池。但這樣增加了非晶硅電池的制作成本，工藝復雜。非晶硅電池中的肖特基結構由于制作簡單，成本低，且隨著光伏材料的出現，在非晶硅電池的發展中扮演著相當重要的角色。傳統的肖特基結構為薄層金屬電極、非晶硅有源層、收集電極，利用金屬電極與非晶硅的肖特基勢壘形成內建電場產生開路電壓。內建電場的產生過程不再需要P-i-n結構中的η摻雜層，這樣可以完全避免η摻雜層的吸收損耗。其中薄層金屬電極側為受光面，因此又稱為前肖特基結構。在傳統的肖特基結構中存在著由于金屬和無序隙態導致的費米能級的釘扎效應， 因此會引起開路電壓和填充因子的劣化。且前電極的薄層會有明顯的光吸收。在這種情況下，顯然很難控制吸收損耗且無法達到充分利用太陽光譜的效果。因此，在肖特基結構中，如何降低光吸收損耗，如何添加一個具有合適帶隙寬度及功函數匹配材料，降低串聯電阻且增強載流子收集，又能避免釘扎效應，就成了一個亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述現有非晶硅薄膜太陽能電池存在的光譜利用率不高、串聯電阻大的問題，而提供一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池及制作方法。本發明之帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池是由透明襯底(玻璃)、前透明導電層TC0、歐姆接觸層p-a-Si H、吸收層(有源層)i-a-Si H或微晶硅i_ μ c-Si H、 介質層LiF或聚合物、背電極Al從下往上構成的帶有介質層的背肖特基結構。
所述的透明襯底采用高透光率的玻璃。所述的前透明導電層TC0，光從它穿過被電池吸收，又充當電池的電極，要求透過率高、導電性好，采用濺射的方法制備。其厚度控制在100·。為了增加太陽光入射率，減少反射光的作用，將TCO制成絨面結構。所述的歐姆接觸層p-a-Si:H采用ρ型非晶硅薄膜，用PECVD方法制備，其厚度控制在20nm。所述的吸收層(有源層)采用的是非晶硅或微晶硅，其厚度控制在200 400nm。所述的介質層采用的是氟化鋰或聚合物，用蒸鍍或旋涂的方法制備。其厚度控制在0. 2 4nm。介質層起到增強光吸收，降低串聯電阻的作用，可以避免金屬與非晶硅接觸的釘扎效應和界面缺陷。所述的背電極采用Al膜，用蒸鍍的方法制備，膜厚控制在50 lOOnm。本發明之帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的制作方法包括如下步驟1、透明襯底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性劑；水洗，處理過程是，前給水10s、排水30s、給水90s，共兩回，US超聲清洗，超聲波的頻率為35KHz，旋轉干燥。2、前透明導電層濺射前透明導電層濺射的條件為靴材^i2O3 SnO2 = 90 10， Ar氣流量400Sccm和O2氣流量0. 6Sccm ；濺射功率為0. 30 0. 75kff,壓力為0. 65 0. 85Pa，溫度為205 225°C ；濺射過程中微量的氧氣可以改變薄膜的結晶狀態，降低電阻率。3、等離子體處理等離子體處理的條件為壓力165 175Pa，功率500W，溫度 225 235°C，氫氣或氟化氮100 %，等離子體處理％iin，形成絨面結構。4、PECVD連續沉積p-a_Si :H膜-非晶硅膜或微晶硅膜=PECVD為等離子增強化學氣相沉積；PECVD沉積p-a-Si:H膜的條件為摻入硼烷的摻雜比為30%，硼原子在a_Si :H網絡中以配位方式成鍵的，使得硼原子成為有效的受主雜質。襯底溫度為225 255°C，射頻功率200 250W，氣體為硅烷60%、氫氣40%、硼烷30%，生長氣壓為85 951 ；PECVD沉積非晶硅膜或微晶硅膜的條件為襯底溫度250 300°C，射頻功率 200 250W，氣體硅烷70%和氫氣50%，生長氣壓65 75Pa。5、微刻蝕清洗微刻蝕清洗條件為采用1. 6MHz的兆聲清洗、水洗、IPA蒸汽干燥、 刻蝕。刻蝕劑為HF NH4F H2O = 0. 17 17.10 82. 73，其作用是把容易氧化的a_Si表層的氧化硅去掉，以免接觸不良；基板清洗后要控制時間較短，因為表面曝露的是a_Si:H， 在空氣中停放會再氧化，時間要小于20分鐘；如超過時間還未進行成膜的，則需進行重洗。6、真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜的條件為氟化鋰采用鉬舟，溫度為200°C，用晶振監控蒸發速度為每分鐘1格；聚合物的條件為采用3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物和聚苯乙烯磺酸鹽，增加電流密度；旋涂速度為3000rpm/60s，旋涂后在大氣狀態下130°C退火10分鐘，退火后冷卻 3分鐘。7、連續蒸鍍背電極Al 真空蒸鍍背電極Al步驟中，鋁純度為99. 999%，蒸鍍電流為2A，用晶振監控蒸發速度為每分鐘10格，蒸鍍壓力8X10_3Pa。8、處理后，得到成品。本發明的有益效果本發明采用了非晶硅薄膜的肖特基結構，增加了介質層，提高了太陽光光譜在長波區的吸收，降低了吸收損耗和串聯電阻，提高了開路電壓和填充因子； 工藝簡單，可大幅度降低制造成本。
圖1為本發明實施例1制備的帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的結構示意圖。圖2為本發明實施例2制備的帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的結構示意圖。圖3為本發明的帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的結構示意圖。
具體實施例方式如圖3所示，本發明之帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池是由透明襯底 (玻璃)、前透明導電層TC0、歐姆接觸層p-a-Si H、吸收層(有源層)i-a-Si H或微晶硅 i-yc-Si:H、介質層LiF或聚合物、背電極Al從下往上構成的帶有介質層的背肖特基結構。所述的透明襯底采用高透光率的玻璃。所述的前透明導電層TC0，光從它穿過被電池吸收，又充當電池的電極，要求透過率高、導電性好，采用濺射的方法制備。其厚度控制在100·。為了增加太陽光入射率，減少反射光的作用，將TCO制成絨面結構。所述的歐姆接觸層p-a-Si :H采用ρ型非晶硅薄膜，用PECVD方法制備，其厚度控制在20nm。所述的吸收層(有源層)采用的是非晶硅或微晶硅，其厚度控制在200 400nm。所述的介質層采用的是氟化鋰或聚合物，用蒸鍍或旋涂的方法制備。其厚度控制在0. 2 4nm。介質層起到增強光吸收，降低串聯電阻的作用，可以避免金屬與非晶硅接觸的釘扎效應和界面缺陷。所述的背電極采用Al膜，用蒸鍍的方法制備，膜厚控制在50 lOOnm。本發明之帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的制作方法包括如下步驟1、透明襯底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性劑；水洗，處理過程是，前給水10s、排水30s、給水90s，共兩回，US超聲清洗，超聲波的頻率為35KHz，旋轉干燥。2、前透明導電層濺射前透明導電層濺射的條件為靴材^i2O3 SnO2 = 90 10， Ar氣流量400Sccm和O2氣流量0. 6Sccm ；濺射功率為0. 30 0. 75kff,壓力為0. 65 0. 85Pa，溫度為205 225°C ；濺射過程中微量的氧氣可以改變薄膜的結晶狀態，降低電阻率。3、等離子體處理等離子體處理的條件為壓力165 175Pa，功率500W，溫度 225 235°C，氫氣或氟化氮100 %，等離子體處理％iin，形成絨面結構。4、PECVD連續沉積p-a_Si :H膜-非晶硅膜或微晶硅膜=PECVD為等離子增強化學氣相沉積；PECVD沉積p-a-Si:H膜的條件為摻入硼烷的摻雜比為30%，硼原子在a_Si :H網絡中以配位方式成鍵的，使得硼原子成為有效的受主雜質。襯底溫度為225 255°C，射頻功率200 250W，氣體為硅烷60%、氫氣40%、硼烷30%，生長氣壓為85 951 ；PECVD沉積非晶硅膜或微晶硅膜的條件為襯底溫度250 300°C，射頻功率 200 250W，氣體硅烷70%和氫氣50%，生長氣壓65 75Pa。5、微刻蝕清洗微刻蝕清洗條件為采用1. 6MHz的兆聲清洗、水洗、IPA蒸汽干燥、 刻蝕。刻蝕劑為HF NH4F H2O = 0. 17 17.10 82. 73，其作用是把容易氧化的a_Si表層的氧化硅去掉，以免接觸不良；基板清洗后要控制時間較短，因為表面曝露的是a_Si:H， 在空氣中停放會再氧化，時間要小于20分鐘；如超過時間還未進行成膜的，則需進行重洗。6、真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜的條件為氟化鋰采用鉬舟，溫度為200°C，用晶振監控蒸發速度為每分鐘1格；聚合物的條件為采用3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物和聚苯乙烯磺酸鹽，增加電流密度；旋涂速度為3000rpm/60s，旋涂后在大氣狀態下130°C退火10分鐘，退火后冷卻 3分鐘。7、連續蒸鍍背電極Al 真空蒸鍍背電極Al步驟中，鋁純度為99. 999%，蒸鍍電流為2A，用晶振監控蒸發速度為每分鐘10格，蒸鍍壓力8X10_3Pa。8、處理后，得到成品。實施例1 采用如表1所示的工藝流程制備的帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，所得的電池的結構如圖1所示。表 權利要求
1.一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于是由透明襯底 (玻璃)、前透明導電層TC0、歐姆接觸層p-a-Si:H、吸收層(有源層)i-a-Si:H或微晶硅 i-yc-Si:H、介質層LiF或聚合物、背電極Al從下往上構成的帶有介質層的背肖特基結構。
2.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的透明襯底采用高透光率的玻璃。
3.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的前透明導電層TCO采用絨面結構，其厚度為lOOnm。
4.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的歐姆接觸層p-a-Si:H采用ρ型非晶硅薄膜，其厚度為20nm。
5.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的吸收層采用的是非晶硅或微晶硅，其厚度為200 400nm。
6.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的介質層采用的是氟化鋰或聚合物，其厚度為0. 2 4nm。
7.根據權利要求1所述的一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池，其特征在于所述的背電極采用Al膜，其膜厚為50 lOOnm。
8.一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池的制作方法，該方法包括以下步驟(1)、透明襯底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性劑；水洗，處理過程是，前給水10s、排水 30s、給水90s，共兩回，US超聲清洗，超聲波的頻率為35KHz，旋轉干燥；O)、前透明導電層濺射前透明導電層濺射的條件為靴材In2O3 SnO2 = 90 10,Ar 氣流量400Sccm和O2氣流量0. 6Sccm ；濺射功率為0. 30 0. 75kff,壓力為0. 65 0. 85Pa, 溫度為205 225°C ；濺射過程中微量的氧氣能改變薄膜的結晶狀態，降低電阻率；(3)、等離子體處理等離子體處理的條件為壓力165 175Pa，功率500W，溫度225 235°C，氫氣或氟化氮100%，等離子體處理％iin，形成絨面結構；(4)、PECVD連續沉積p-a-Si:H膜-非晶硅膜或微晶硅膜=PECVD為等離子增強化學氣相沉積；PECVD沉積p-a-Si H膜的條件為摻入硼烷的摻雜比為30%，硼原子在a_Si H網絡中以配位方式成鍵的，使得硼原子成為有效的受主雜質。襯底溫度為225 255°C，射頻功率 200 250W，氣體為硅烷60%、氫氣40%、硼烷30%，生長氣壓為85 951 ；PECVD沉積非晶硅膜或微晶硅膜的條件為襯底溫度250 300°C，射頻功率200 250W，氣體硅烷70%和氫氣50%，生長氣壓65 751 ；(5)、微刻蝕清洗微刻蝕清洗條件為采用1.6MHz的兆聲清洗、水洗、IPA蒸汽干燥、刻蝕。刻蝕劑為HF NH4F H2O = 0. 17 17.10 82. 73，其作用是把容易氧化的a_Si表層的氧化硅去掉，以免接觸不良；基板清洗后要控制時間較短，因為表面曝露的是a_Si:H， 在空氣中停放會再氧化，時間要小于20分鐘；如超過時間還未進行成膜的，則需進行重洗；(6)、真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜真空蒸鍍介質層氟化鋰或者旋涂方法聚合物薄膜的條件為氟化鋰采用鉬舟，溫度為200°C，用晶振監控蒸發速度為每分鐘1格；聚合物的條件為采用3，4-乙撐二氧噻吩單體的聚合物和聚苯乙烯磺酸鹽，增加電流密度；旋涂速度為3000rpm/60s，旋涂后在大氣狀態下130°C退火10分鐘，退火后冷卻3分鐘；(7)、連續蒸鍍背電極Al真空蒸鍍背電極Al步驟中，鋁純度為99. 999%，蒸鍍電流為 2A，用晶振監控蒸發速度為每分鐘10格，蒸鍍壓力8 X KT3Pa ；(8)、處理后，得到成品。
全文摘要
本發明公開了一種帶有介質層的肖特基結構的非晶硅薄膜電池及制作方法，所述薄膜電池包含透明襯底、前透明導電層TCO、歐姆接觸層p-a-Si:H、有源層非晶硅i-a-Si:H或微晶硅i-μc-Si:H、介質層、背電極Al；同時提供了薄膜電池的制作方法，依次包括通明襯底層清洗、濺射真空鍍TCO層、PECVD真空鍍p-a-Si:H層和i-a-Si:H層(或i-μc-Si:H)、清洗、真空蒸鍍(或旋涂)介質層和背電極Al層步驟，經后處理獲得成品；本發明采用了非晶硅薄膜的肖特基結構，增加了介質層，提高了太陽光光譜在長波區的吸收，降低了吸收損耗和串聯電阻，提高了開路電壓和填充因子；工藝簡單，可大幅度降低制造成本。
文檔編號H01L31/07GK102437224SQ20111039291
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者張偉, 王麗娟, 秦海濤, 薛俊達 申請人:營口聯創太陽能科技有限公司