一種薄膜太陽能電池及p型半導體和p型半導體的制備方法

專利名稱：一種薄膜太陽能電池及p型半導體和p型半導體的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜太陽能電池及制成它的P型半導體和該P型半導體的制備方法。
背景技術：
薄膜太陽能電池以其低能耗、低成本、可大面積集成以及較高的轉換效率代表著光伏發電技術的發展趨勢。硅基薄膜太陽能電池目前占據薄膜光伏電池的最大市場份額，一般采用PECVD(等離子體增強型化學氣相沉積)設備、使用含硅烷的源氣體制備而成。單結娃基薄膜電池通常表現為p-1-n結構,摻硼的娃薄膜(p層)作為窗口區，未摻雜的本征娃薄膜(i層)作為光吸收區，摻磷的硅薄膜(η層)用來形成內建電場，并采用透明導電氧化物薄膜作為前電極，金屬薄膜作為背部電極。p-1-n三層通常稱為一個光伏單元，或一個“結”，單結太陽能電池含有單一的光伏單元。在玻璃襯底上制備的單結非晶硅太陽能電池的結構一般為玻璃/透明導電氧化物薄膜 /p-a_SiC:H/1-a-S1:H/n-a-S1:H/ 金屬薄膜,其中 p 型 a_SiC:H 和 η 型 a_S1:Η 在 i層a-S1:H兩端建立一個內部電場，入射光透過P型a_SiC:H非晶硅層進入i層并在其中產生電子和空穴對，電子和空穴對被電場分離后由外部電路收集，從而將光能轉換成電能。由于非晶硅具有相對較寬的能帶隙(1. 8 eV 2 eV),決定了這種材料對能量小于1. 8 eV的入射光子無吸收響應，導致其光譜利用效率不高，非晶硅的太陽光譜響應范圍為300nm 700nm。微晶硅薄膜是由晶粒尺寸小于幾十納米的硅晶粒組成，晶粒間界為非晶相，其同時擁有非晶硅和晶體硅的優點，通過控制制備工藝，其光學能帶隙甚至可以達到1.1 eV。相對于非晶硅，由微晶硅制成的薄膜電池具有較好的長波段響應，有效光譜吸收長波極限可以延伸至1100 nm。為了提高薄膜太陽能電池的光電轉換效率，利用非晶硅和微晶硅分別對太陽光譜的短波和長波響應高的特點設計得到的非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池是目前國際上高效硅基薄膜電池的研究熱點。得益于全世界范圍內大量的著眼于光電轉換效率提升的研究工作，當下硅基薄膜光伏電池最高的實驗室效率已經超過13%。從工業界來說，非晶硅a-S1:H薄膜光伏電池最近幾年在全世界范圍內大量投產。拋開已經取得的成績不談，目前對于非晶硅薄膜電池領域還需要進一步的研究來提升產品的轉換效率。研究重點包括盡可能地減少光致衰減，光限域管理，能帶隙調制工程以及界面處理和P層性能改進等。P層被夾疊在TCO前電極與本征吸收層(i層)之間，在硅基薄膜電池中起到建立內建電勢的作用，同時它也作為一個光學窗口層允許入射光穿過。理想的說，P層允許所有有用的光通過它進入本征吸收層(i層)，同時P層也必須與前電極形成完美的電學接觸以最大限度的提升空穴的導出效率。典型的P層需要通過各種辦法來降低光吸收，例如通過摻雜碳(C)元素來擴寬能帶隙或者通過制備多晶或者微晶結構來降低光吸收。硼(B)元素，作為一種典型的P-型摻雜源，可以通過三甲基硼TMB源氣體引入到PECVD設備的反應腔體中參與化學反應。B元素的摻入量對P層硅基薄膜的電學性能起決定作用，而且一旦B元素經擴散進入i層，則會引起薄膜光伏電池性能的致命衰退。另外，在沉積P層的過程中不能對前電極透明導電氧化物薄膜造成損傷或者致使其分解。正是因為這些苛刻的條件要求，我們不得不對P層在薄膜電池中的作用進行廣泛而深入的研究。前電極和P層的接觸界面以及P層和i層的接觸界面特征在一定程度上決定了電池的性能。當前，前電極與P層以及P層和i層界面優化的辦法可歸納為以下兩種1)在P和i層之間增加一緩沖過渡膜層，例如，本征碳化娃(SiC: H)膜層，由于其與非晶娃之間的能帶結構不同，會形成較高的導帶失配，有利于對向P層漂移的電子進行散射，同時并不影響空穴的收集效率；2)重摻雜的P型硅基膜層被用來作為接觸層，夾疊在前電極和P層之間，可以降低與前電極層的接觸勢壘。第一種辦法常常會帶來較大的光致衰減，而第二種方案則會加大入射光在窗口層中的額外吸收。

發明內容
本發明的目的是提供一種薄膜太陽能電池及P型半導體和P型半導體的制備方法，該P型半導體既能允許更多有用的光通過它進入本征吸收層i層，同時能與前電極或者前一結電池完美接觸以最大限度的提升空穴的導出效率，從太陽光譜利用效率和載流子收集效率兩方面進行提升以提高由該P型半導體制備的光伏電池的能量轉換效率，其制備的薄膜太陽能電池轉化效率高。為實現本發明上述目的，本發明的技術解決方案之一是一種薄膜太陽能電池，其結構為單結結構基板/前電極/P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/背電極；所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，P+層半導體薄膜與前電極或者前一結電池接觸具有較高的暗電導，P-層半導體薄膜與i層本征吸收層接觸具有較寬的能帶隙；
對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a-SiC:H薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10-5 5X10_5S/Cm，能帶隙為1. 8 1. 9 eV,厚度為40 80A;p-層半導體薄膜的暗電導為 1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為3(Tl00A ；
對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:η薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1父10-3 1\10-25/011，能帶隙為1.1 1.2 eV,厚度為40 80 A ；P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3/011，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為3(Tl00
A0為實現本發明上述目的，本發明的技術解決方案之二是一種薄膜太陽能電池，其結構為雙結結構基板/前電極/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/p型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/背電極；所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，P+層半導體薄膜與前電極或者前一結電池接觸具有較高的暗電導，P-層半導體薄膜與i層本征吸收層接觸具有較寬的能帶隙；
對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a_SiC:H薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10-5 5X10_5S/Cm，能帶隙為1. 8 1. 9 eV,厚度為40 80A;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為3(Tl00對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:h薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1父10-3 1\10-25/011，能帶隙為1.1 1.2 eV,厚度為40 80 A ；P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3/011，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為3(Tl00
A0為實現本發明上述目的，本發明的技術解決方案之三是一種薄膜太陽能電池，其結構為三結以及三結以上的多結結構基板/前電極/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/…/背電極；所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，P+層半導體薄膜與前電極或者前一結電池接觸具有較高的暗電導，P-層半導體薄膜與i層本征吸收層接觸具有較寬的能帶隙；
對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a-SiC:H薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10-5 5X10_5S/Cm，能帶隙為1. 8 1. 9 eV,厚度為40 80A;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為3(Tl00A ；
對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:η薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1父10-3 1\10-25/011，能帶隙為1.1 1.2 eV,厚度為40 80 A ；P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3/011，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為3(Tl00
A0一種制備上述所述薄膜太陽能電池的P型半導體，其由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化娃a-SiC:H薄膜,P+層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 5X10_5S/cm，能帶隙為1.8 1.9 eV,厚度為40 80 ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X 10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為3(Tl00。上述所述P型半導體的制備方法之一是其包括以下步驟附著有透明導電薄膜的絕緣基板或者經第一結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在10 1000 mTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為5mW/cm2 40mW/cm2 ；
(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(O. 5^1) :4: (Γ2)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為15飛O s ；
(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(2 4) :4: (O. 2 O. 6)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為15飛O S。上述所述P型半導體的制備方法之二是其包括以下步驟經第一結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在10 1000 mTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為5mW/cm2 40mW/cm2 ；
(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(O. 5^1) :3: (2^3)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為2(T30 s ；
(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(Γ2) :3: (O. 4 0· 8)的硅烷SiH4甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為3(T40s。一種制備上述所述薄膜太陽能電池的P型半導體，其由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-S1:H薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1父10-3 1\10-25/011，能帶隙為1.1 1.2 eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10-5 1X10-4 S/cm，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為30 100 A。上述所述P型半導體的制備方法是其包括以下步驟附著有透明導電薄膜的絕緣基板或者經第一結或者第二結或者第二結后的多結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品或者微晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在I IOTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為80mW/cm2 300mW/cm2 ；
(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(10(Γ200) : (2 3)的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為4(T90 s ；
(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(3(Γ80) : (O. Γθ. 8)的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為4(Γ90 S。有益效果
本發明提供的P型半導體，P+層半導體薄膜與前電極或者前一結電池接觸具有較高的暗電導，P-層半導體薄膜與i層本征吸收層接觸具有較寬的能帶隙；既能允許更多有用的光通過它進入i層本征吸收層，同時能與前電極完美接觸以最大限度的提升空穴的導出效率，從太陽光譜利用效率和載流子收集效率兩方面進行提升以提高其制備的光伏電池的能量轉換效率。通過雙層厚度的優化可實現電性能損失和光學吸收損失平衡。通過P+膜層帶來的填充因子增加和P-膜層帶來的短路電流和開路電壓的增加，電池轉換效率可以得到較大提升。這種P型半導體 可以直接用于單結、雙結、多結薄膜光伏電池的各個子電池，具有較高的推廣應用價值。在保持雙結非晶硅/非晶硅薄膜光伏電池結構中其它層的制備參數相同的情況下，我們分別對使用單P層a-SiC:H常規半導體結構和上述P型半導體(p+/p_) _a_SiC:H復合半導體結構所制備電池的電學性質進行了對比。結果發現使用P型半導體(P+/P-) -a-SiC:H復合半導體結構的雙結電池初始電池效率可以達到8. 5%，光致衰減低于7%(室外曝曬三個月采集數據)，而使用單一 P層常規半導體結構的雙結電池的這兩項數據分別為7. 3%和8%。也就是說使用本發明的P型半導體制作的薄膜太陽能電池的轉換效率可以得到較大提升，光致衰減則得到較大降低。


圖1是使用本發明制備的單結結構的非晶硅a_S1:H薄膜太陽能電池的結構示意圖2是使用本發明制備的雙結結構的非晶硅a-S1:H/a-S1:H薄膜太陽能電池的結構示意圖3是使用本發明制備的雙結結構的非晶硅/微晶硅a-S1:H薄膜太陽能電池
的結構不意圖4是使用本發明制備的三結結構的非晶硅/微晶硅/微晶硅a-S1:H薄膜太陽能電池的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示的單結結構的非晶硅a_S1:H薄膜太陽能電池，將前透明絕緣基板11作為光入射側，從光入射側開始，依次疊層有前電極透明導電薄膜13，p+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜101、p-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜102、i層非晶硅a_S1:H本征吸收層103、η層非晶硅a-S1:H薄膜104、第一背電極層15、第二背電極層17、填充材料層19和背透明絕緣板21。如圖2所示的雙結結構的非晶硅a-S1: H/a-S1: H薄膜太陽能電池，將前透明絕緣基板11作為光入射側，從光入射側開始，依次疊層有前電極透明導電薄膜13，第一結P+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜101、第一結P-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜102、第一結i層非晶娃a-S1:H本征吸收層103、第一結η層非晶娃a_S1:Η薄膜104、第二結ρ+層非晶碳化娃a-SiC:H薄膜105、第二結P-層非晶碳化硅a_SiC:H薄膜106、第二結i層非晶硅a_S1:H本征吸收層107、第二結η層非晶娃a-S1:H薄膜108、第一背電極層15、第二背電極層17、填充材料層19和背透明絕緣板21。如圖3所示的雙結結構的非晶硅/微晶硅a-S1:H/>-S1:H薄膜太陽能電池，將前透明絕緣基板11作為光入射側，從光入射側開始，依次疊層有前電極透明導電薄膜13，第一結P+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜101、第一結ρ-層非晶碳化硅a_SiC:H薄膜102、第一結i層非晶娃a-S1:H本征吸收層103、第一結η層微晶娃μ-S1:Η薄膜104'、第二結ρ+層微晶硅薄膜105'、第二結P-層微晶硅薄膜106'、第二結i層微晶硅
本征吸收層107'、第二結η層微晶硅M~S1:H薄膜108'、第一背電極層15、第二背電極層17、填充材料層19和背透明絕緣板21。該種薄膜太陽能電池的光電轉換效率較高。如圖4所示的三結結構的非晶硅a-S1: Η/μ-S1: Η/μ-S1: H薄膜太陽能電池，將前透明絕緣基板11作為光入射側，從光入射側開始，依次疊層有前電極透明導電薄膜13，第一結P+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜101、第一結ρ-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜102、第一結i層非晶娃a-S1:H本征吸收層103、第一結η層微晶娃μ-S1:Η薄膜104'、第二結ρ+層微晶硅薄膜105'、第二結P-層微晶硅薄膜106'、第二結i層微晶硅μ-S1:H本征吸收層107'、第二結η層微晶硅薄膜108'、第三結ρ+層微晶硅μ-S1:H薄膜105'、第三結ρ-層微晶硅薄膜106'、第三結i層微晶硅μ-S1:H本征吸收層107'、第三結η層微晶娃μ-S1:H薄膜108'、第一背電極層15、第二背電極層17、填充材料層19和背透明絕緣板21。該種薄膜太陽能電池的光電轉換效率較高。四結、五結等多結結構的硅基薄膜太陽能電池只要在第三結單元下面繼續疊加一個、兩個或者多個單結單元即可。圖1、圖2、圖3和圖4中的前透明絕緣基板11能夠使用例如玻璃基板，塑料基板等至少在可見光波段具有高透光性的材料。在透明絕緣基板11上形成前電極透明導電薄膜13。透明導電薄膜13可使用氧化錫(Sn02)、氧化鋅(ΖηΟ)、銦錫氧化物(ITO)等透明導電氧化物(TCO)中的一種或組合。透明導電薄膜13的膜厚優選在500nm以上至4000nm以下的范圍內。另外，透明導電薄膜13的表面需要進行制絨處理形成凹凸不平的陷光結構。采用激光劃刻的辦法使透明導電薄膜13圖案化為長條狀，以便于后期將多個單元串聯地連接構成串聯型薄膜太陽能電池。例如，使用波長是1064nm、能量密度是14J/cm3、脈沖頻率是IkHZ的YAG射線，能夠將透明導電膜13圖案化為長條狀。在透明導電薄膜13上，依次層疊ρ+層非晶碳化硅a_SiC:H薄膜101層、ρ-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜102層、i層非晶硅a-S1:H本征吸收層103、n層非晶硅a_S1:H薄膜104形成a-S1:H單元。a-S1:H單元可以通過在等離子體化學氣相沉積的辦法下通過對混合氣體離子化而進行成膜。其中i層非晶硅a-S1:H本征吸收層103和η層非晶硅a_S1:H薄膜104采用常用結構，采用普通方法制備。而ρ+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜的暗電導為 I X 10 5S/cm、1. 5X10 5S/cm、2 X 10 5S/cm、2. 5X10 5S/cm、3 X 10 5S/cm、3. 5X10 5S/cm、4Xl(T5S/cm、4. 5Xl(T5S/cm 或者 5Xl(T5S/cm，能帶隙為1. 8eVU. 82eV、1.84eV、1.86eV、1. 88eV、l. 85eV、l. 83eV、l. 87eV 或者1. 9 eV，厚度為 4θΑ、45A、5θΑ、55A、6θΑ、65A、70A、75A或者80A ;p-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜的暗電導為I X l(T7S/cm、1. 5X 1(T7S/cm、2X l(T7S/cm、2. 5 X l(T7S/cm、3 X l(T7S/cm、3. 5X l(T7S/cm、4X l(T7S/cm、4. 5X l(T7S/cm 或者 5Xl(T7S/cm，能帶隙為 2eV、2. 02eV、2· 04eV、2· 06eV、2. 08eV、2. 05eV、2. 03eV、2. 07eV或者 2.1 eV，厚度為 30A、4θΑ、5θΑ、6θΑ、65A、7θΑ、8θΑ、9θΑ 或者 100A。由這些 p+層非晶碳化娃a-SiC:H薄膜和p-層非晶碳化娃a-SiC:H薄膜構成的ρ型半導體既能允許更多有用的光通過它進入本征吸收層i層，同時能與前電極或者前一結電池完美接觸以最大限度的提升空穴的導出效率，由該P型半導體制備的薄膜太陽能電池轉化效率高。其制備方法包括以下步驟附著有透明導電薄膜的絕緣基板進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在10、100、200、300、400、500、600、800或者1000 mTorr，沉積溫度為 150。C、160。C、170。C、180。C、190。C、200。C、210。C、185。C 或者 220。C，施加在電極板上的等離子體能量密度為 5mW/cm2、IOmW/cm2、15mff/cm2、20mW/cm2、25mW/cm2>30mff/cm2、35mW/cm2、28mW/cm2或者40mW/cm2 ； (I)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為 1:0. 5:4:1、1:0. 6:4:1. 2、1:0. 7:4:1. 4、1:0. 8:4:1. 5、1:0. 9:4:1. 7、1:O. 65:4:1.1、1:0. 75:4:1. 3、1:O. 85:4:1. 6 或者 1:0. 95:4:1. 8 的硅烷 SiH4' 甲烷 CH4、氫氣 H2 和經硅烷SiH4 稀釋的 3% 的三甲基硼 TMB ;沉積時間為 15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s、45 s、50s或者60 s ；(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:2:4:0. 2、1:3:4:0. 4、1:4:4:0. 6、1:2. 5:4:0. 3、1:3. 5:4:0. 5、1:2. 8:4:0. 25、1:3. 2:4:0. 35、1:3. 8:4:0. 45 或者1:2. 3:4:0. 55的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為 15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s、45 s、50 s 或者 60 s。在圖1中，在a-S1:H單元上依次沉積透明導電性氧化物薄膜15作為第一背電極和發射型金屬層17作為第二背電極。 在圖2中，上述的a-S1:H單元作為第一結，繼續疊加第二結a_S1:H單元，依次層疊第二結P+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜105層、第二結ρ-層非晶碳化硅a-SiC: H薄膜106層、第二結i層非晶硅a-S1:H本征吸收層107、第二結η層非晶硅a-S1:H薄膜108形成第二結a-S1:H單元。其中i層非晶娃a-S1:H本征吸收層107和η層非晶娃a_S1:Η薄膜108采用常用結構，普通方法制備。而P+層非晶碳化硅a_SiC:H薄膜和ρ-層非晶碳化硅a_SiC:H薄膜的暗電導、能帶隙、厚度同第一結a_S1:H單元的。其制備方法包括以下步驟經第一結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在 IOmTorr、IOOmTorr、200mTorr、300mTorr、400mTorr、500mTorr、600mTorr、800mTorr或者 IOOOmTorr，沉積溫度為 150。C、160。C、170。C、180。C、190。C、200。C、210。C、185° C或者220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為5mW/Cm2、10mW/Cm2、15mW/cm2>20mff/cm2>25mff/cm2>30mff/cm2>35mff/cm2>28mff/cm2 或者 40mW/cm2 ； (I)在 PECVD 設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為 1:0. 5:3:2、1:0. 6:3:2. 2、1:0. 7:3:2. 4、1:0. 8:3:2. 6、1:0. 9:3:2. 8、1:1:3:3、1:0. 65:3:2. 7、1:0. 75:3:2. 9 或者 1:0. 85:3:2. 5 的硅烷 SiH4' 甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為20s、22s、24s、26s、28s、30s、25s、27s或者23s ； (2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1: 1:3:0. 4、1:1. 2:3:0. 6、1:1. 4:3:0. 7、1:1. 6:3:0. 8、1:1. 8:3:0. 45、1:2:3:0. O. 5、1:1. 5:3:0. 55、1:1. 3:3:0. 65或者1:1. 7:3:0. 75的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼 TMB ;沉積時間為 30s、32s、34s、36s、38s、40s、35s、37s 或者 23s。上述第二結a-S1:H單元及制備方法也可采用同a_S1:H單元及制備方法一樣的結構和制備方法。在圖2中，在第二結a_S1:H單元上同圖1在a_S1:H單元上一樣，依次沉積透明導電性氧化物薄膜15作為第一背電極和發射型金屬層17作為第二背電極。第一背電極層15使用氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO或者錮錫氧化物ITO等透明性導電性氧化物制備；第二背電極層17使用銀Ag或者鋁Al等金屬。例如通過濺射方法形成透明導電性氧化物薄膜和鋁膜。兩層背電極合起來優選500nm左右的膜厚。在將多個單元串聯連接的情況下，將第一背電極層15和第二背電極層17圖案化成長條狀。在距離a-S1:H單元的圖案化位置橫向IOOMffl的位置上照射YAG射線形成狹縫，將第一背電極層15和第二背電極層17圖案化成長條狀。例如YAG射線波長為532nm，優選適用能量密度O. 5J/cm3、脈沖頻率2kHZ的射線。進一步地，對串聯型薄膜太陽能電池的發電層邊緣區域進行噴砂處理或者激光清掃處理，使邊界達 到絕緣的目的。絕緣區寬度優選為1.2cm。最后，通過填充材料19用背板21覆蓋第二背電極層17的表面。填充材料19和背板21能夠使用EVA、聚酞亞胺等的樹脂材料。因此，固化封裝完成的電池片能夠防止水分向串聯型薄膜太陽能電池的發電層的入侵。如圖3和圖4所示，其前透明絕緣基板11、透明導電薄膜13、第一結ρ+層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜101、第一結ρ-層非晶碳化硅a-SiC:H薄膜102、第一結i層非晶硅a-S1:H本征吸收層103、第一背電極層15、第二背電極層17、填充材料層19和背透明絕緣板21的結構和制備方法都同圖2，只是第一結η型層采用微晶硅薄膜104'，膜厚在IOnm以上IOOnm以下，η型層選擇微晶硅結構的目的是與后續微晶硅單元形成更好的結構匹配并和后續P層之間形成更好的隧穿Pn結。對于圖3所示的結構，在a-S1:Η單元的η型層一側繼續疊加第二結微晶硅μ-S1:Η單元，依次層疊第二結ρ+層微晶硅μ-S1:Η薄膜105'、第二結P-層微晶硅薄膜106'、第二結i層微晶硅本征吸收層107 ^、第二結η層微晶硅薄膜IOV形成第二結微晶硅μ-S1:H單元。而在圖4中則繼續疊加第三結P-Si = H單元，第三結μ :Η單元可采用第二結μ :Η單元及制備方法。其中i層微晶硅本征吸收層107'、11層微晶硅薄膜108'采用普通方法制備。而P+層微晶硅薄膜105'的暗電導為lX10_3S/cm、2X10_3S/cm、3X l(T3S/cm、4X l(T3S/cm、5X l(T3S/cm、6X l(T3S/cm、8X l(T3S/cm、9X l(T3S/cm 或者 IX 1(T2S/cm，能帶隙為1.1eV、1· 13eV、1· 14eV、1· 15eV、1· 16eV、1· 17 eV、1· 18 eV、1· 19 eV或者1. 2 eV,厚度為 40A、45A、50A、55A、60A、65A、70A、75A 和 8θΑ ;p_ 層半導體薄膜 106'的暗電導為 I X 10 5S/cm>2X 10 5S/cm>3X 10 5S/cm、4X 10 5S/cm>5X 10 5S/cm>6X 10 5S/cm、8父10-55/011、9\10-65/011或者1\10-2 S/cm，能帶隙為1. 3eV、1.32eV、1.35eV、1.38eV、1. 4eV、1.43 eV、1.45 eV、1.48 eV 或者1. 5 eV,厚度為 3θΑ、4θΑ、5θΑ、6θΑ、65A、70A、80A、90A或者100A。其制備方法包括以下步驟經第一結或者第二結沉積完成后的硅基薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在ITorr、3Torr、4To;r;r、5To;r;r、6To;r;r、7To;r;r、8To;r;r、9To;r;r 或者 IOTorr,沉積溫度為 150。C、160° C、170° C、180° C、190° C、200° C、210° C、185° C 或者 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為 80mW/cm2、IOOmW/cm2> 140mff/cm2、160mff/cm2> 180mff/cm2>200mff/cm2、240mW/cm2、280mff/cm2或者300mW/cm2。(I)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:100:2、1:120:2. 2、1:130:2.3、1:140:2. 4、1:150:2.5、1:160:2. 6、1:180:2.7、1:190:2.8或者1:200:3的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為40s、50s、55s、60s、65s、70s、75s、80s或者90s ； (2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為 1:30:0. 4、1:40:0· 45、1:45:0· 5、1:50:0· 55、1:55:0· 6、1:60:0· 65、1:65:0·7、1:70:0.8或者1:80·:0. 8的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為 40s、50s、55s、60s、65s、70s、75s、80s 或者 90s。
權利要求
1.一種薄膜太陽能電池，其結構為單結結構基板/前電極/p型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/背電極；其特征在于所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a_SiC:H薄膜， +層半導體薄膜的暗電導為1父10-5 5\10-55/(^，能帶隙為1.8 1.9 eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為30 100 A ;對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:h薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10—3 lX10_2S/Cm，能帶隙為1.1 1. 2 eV,厚度為40 80A;P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3八111，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為30 100 Ao
2.一種薄膜太陽能電池，其結構為雙結結構基板/前電極/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/p型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/背電極；其特征在于所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a-SiC:H薄膜， +層半導體薄膜的暗電導為1父10-5 5\10-55/(^，能帶隙為1.8 1.9 eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為30 100 A ;對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:h薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10—3 lX10_2S/Cm，能帶隙為1.1 1. 2 eV,厚度為40 80A;P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3八111，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為30 100 Ao
3.一種薄膜太陽能電池，其結構為三結以及三結以上的多結結構基板/前電極/ P型半導體Λ層本征吸收層/n層半導體薄膜/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/ P型半導體/i層本征吸收層/n層半導體薄膜/…/背電極；其特征在于所述的P型半導體由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，其中P+層半導體薄膜、P-層半導體薄膜為具有不同光電特性的同一種材料制成，對于非晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a_SiC:H薄膜， +層半導體薄膜的暗電導為1父10-5 5\10-55/(^，能帶隙為1.8 1.9 eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10_7 5X10_7 S/cm，能帶隙為2 2.1 eV，厚度為30 100 A ;對于微晶硅電池，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅μ-s1:h薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10—3 lX10_2S/Cm，能帶隙為1.1 1. 2 eV,厚度為40 80A;P-層半導體薄膜的暗電導為1X10_5 1X10_4 3八111，能帶隙為1.3 1. 5 eV，厚度為30 100 Ao
4.一種制備權利要求1或者2或者3所述薄膜太陽能電池的P型半導體，其特征在于其由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a-SiC:H薄膜，p+層半導體薄膜的暗電導為1\10_5 5父10_55/(^，能帶隙為1.8 1. 9 eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為I X 1(Γ7 5X 1(T7 S/cm,能帶隙為2 2.1 eV，厚度為30 100 L
5.一種權利要求4所述的P型半導體的制備方法，其特征在于其包括以下步驟附著有透明導電薄膜的絕緣基板或者經第一結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在10 1000 mTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為5mW/cm2 40mW/cm2 ；(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(O. 5^1) :4: (Γ2)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為15飛O s ；(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(2 4) :4: (O. 2 O. 6)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為15飛O S。
6.一種權利要求4所述的P型半導體的制備方法，其特征在于其包括以下步驟經第一結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在10 1000 mTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為5mW/cm2 40mW/cm2 ；(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(O. 5^1) :3: (2^3)的硅烷SiH4、甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為2(T30 s ；(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(Γ2) :3: (O. 4 0· 8)的硅烷SiH4甲烷CH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為3(T40s。
7.一種制備權利要求1或者2或者3所述薄膜太陽能電池的P型半導體，其特征在于其由P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜構成，P+層半導體薄膜和P-層半導體薄膜均為微晶硅薄膜，P+層半導體薄膜的暗電導為1X10_3 lX10_2S/cm，能帶隙為1. Γ . 2eV,厚度為40 80 A ;p-層半導體薄膜的暗電導為1X10—5 1X10—4 S/cm，能帶隙為1. 3 1. 5 eV，厚度為30 100 A。
8.—種權利要求7所述的P型半導體的制備方法，其特征在于其包括以下步驟附著有透明導電薄膜的絕緣基板或者經第一結或者第二結或者第二結后的多結沉積完成后的非晶硅薄膜電池半成品或者微晶硅薄膜電池半成品進入PECVD設備的沉積腔室，沉積腔室中的氣體壓力控制在I lOTorr，沉積溫度為150° C 220° C，施加在電極板上的等離子體能量密度為80mW/cm2 300mW/cm2 ；(1)在PECVD設備的沉積腔室內首先充氣體流量比為1:(10(Γ200) : (2 3)的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為4(T90 s ；(2)在PECVD設備的沉積腔室內再充氣體流量比為1:(3(Γ80) : (O. Γθ. 8)的硅烷SiH4、氫氣H2和經硅烷SiH4稀釋的3%的三甲基硼TMB ;沉積時間為4(Γ90 S。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜太陽能電池及p型半導體和p型半導體的制備方法，薄膜太陽能電池結構為單結或者雙結或者三結以上的多結結構，制成它的p型半導體由p+層半導體薄膜和p-層半導體薄膜構成，對于非晶硅電池，p+層半導體薄膜和p-層半導體薄膜均為非晶碳化硅a-SiC:H薄膜，對于微晶硅電池，p+層半導體薄膜和p-層半導體薄膜均為微晶硅μ-Si:H薄膜。本發明的p型半導體既能允許更多有用的光通過它進入本征吸收層i層，同時能與前電極或者前一結電池完美接觸以最大限度的提升空穴的導出效率，從太陽光譜利用效率和載流子收集效率兩方面進行提升以提高由該p型半導體制備的光伏電池的能量轉換效率。
文檔編號H01L31/076GK103035757SQ201210512859
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者高平奇, 孔英, 王寬冒, 黃艷紅, 云驍健 申請人:保定風帆光伏能源有限公司