具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池及其制備方法，從下往上依次包括氮化硅薄膜，玻璃層4；透明導電薄膜，P型重摻雜微晶Si薄膜，P型重摻雜氫化單晶碳化硅緩沖層，P型輕摻雜氫化非晶硅，本征氫化非晶硅鍺薄膜，n型氫化非晶硅薄膜，背面的透明導電薄膜和鋁襯底，所述氮化硅薄膜上設(shè)有正電極，所述鋁襯底下端設(shè)有負電極。本發(fā)明加入雙層氮化硅(SiN)結(jié)構(gòu)，從而提高了減反射效果，使得太陽電池對入射光的吸收增強，有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；本征層采用氫化非晶硅鍺材料，其中鍺組分在本征層是漸變的，拓寬了光譜響應(yīng)范圍，增加了電池對太陽光的吸收，從而增加了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對能源的需求量也越來越大，現(xiàn)代社會使用的常規(guī)能源如煤、石油和天然氣，不僅儲量有限而且在自然界分布不均，還存在嚴重的污染環(huán)境等問題，這一經(jīng)濟的資源載體將在21世紀中期接近估計，能源危機遲早會發(fā)生，因此利用可再生能源，特別是太陽能是解決問題的有效途徑，其中利用光伏效應(yīng)開發(fā)的太陽電池得到了越來越多的研究與應(yīng)用，充分開發(fā)利用太陽能已成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展能源的戰(zhàn)略決策。
[0003]國際上太陽電池的研究和生產(chǎn)，大致可以分為三個階段，分別為晶體硅太陽電池、薄膜太陽電池及新型太陽電池。
[0004]第一階段的太陽電池以單晶硅、多晶硅太陽電池為代表，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，目前占據(jù)主要的市場份額，但同時存在高能耗、高成本的問題，難以與傳統(tǒng)能源相抗衡。
[0005]第二階段的太陽電池為薄膜太陽電池，目前已成功研發(fā)的薄膜太陽電池包括:娃基薄膜電池、銅銦鎵硒系列薄膜電池、碲化鎘系列薄膜電池等，其中硅基薄膜太陽電池具有成本低、可以使用玻璃和塑料等廉價襯底、易于實現(xiàn)大面積、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，成為國際上研究最多，發(fā)展最快的光伏電池之一，但是，硅基薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)化效率較低，因此，增加光吸收，提高電池的轉(zhuǎn)換效率是亟待解決的問題。
[0006]第三階段的太陽電池具有如下條件:薄膜化，轉(zhuǎn)換效率高，原料豐富且無毒。目前第三代太陽電池還處在概念和簡單的試驗研究。已經(jīng)提出的主要有疊層太陽電池、多帶隙太陽電池和熱載流子太陽電池等。其中，疊層太陽電池是太陽電池發(fā)展的一個重要方向。
[0007]對于晶體娃而言，當光入射到裸娃電池表面時，約三分之一的光被反射，從而使得電池對光的吸收減少，因此通常在電池的正面上制作光學減反射膜，以提高電池對光的吸收。在硅基薄膜太陽電池中，光線首先進入具有高透過率的玻璃襯底，通常采用的方法為在玻璃襯底上淀積一層具有高透過率的透明導電氧化物薄膜以實現(xiàn)光學上的增透反射效果。但由于玻璃與空氣折射率的詫異，對可見光仍存在約8 %的反射。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了克服上述的不足，提供了具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池及其制備方法，增強電池對太陽光的吸收，最大限度減小光的反射，從而進一步提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，從下往上依次包括氮化硅薄膜，玻璃層；透明導電薄膜，P型重摻雜微晶Si薄膜，P型重摻雜氫化單晶碳化硅緩沖層，P型輕摻雜氫化非晶硅，本征氫化非晶硅鍺薄膜，η型氫化非晶硅薄膜，背面的透明導電薄膜和鋁襯底，所述氮化硅薄膜上設(shè)有正電極，所述鋁襯底下端設(shè)有負電極。
[0011]其中，所述氮化硅薄膜包括第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜，所述第一氮化硅薄膜的厚度為30nm,所述第二氮化娃薄膜的厚度為55nm。
[0012]其中，所述玻璃層的厚度為500nm。
[0013]其中，所述透明導電薄膜的厚度為10nm。
[0014]其中，所述P型重摻雜微晶Si薄膜的厚度為6nm，所述P型重摻雜氫化單晶碳化硅緩沖層的厚度為15nm，所述P型輕摻雜氫化非晶硅的厚度為10nm，所述本征氫化非晶硅鍺薄膜的厚度為300nm，所述η型氫化非晶硅薄膜的厚度為15nm，所述背面的透明導電薄膜為厚度為10nm，所述鋁襯底的厚度為200nm。
[0015]其中，所述本征氫化非晶硅鍺薄膜含有漸變鍺組分。
[0016]為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，包括如下步驟:
[0017]S1、取一玻璃襯底，并用電子清洗劑清洗以及去離子水沖洗，然后用高純氨氣吹干;
[0018]S2、采用PECVD法在清洗干凈的玻璃一面制備氮化硅減反射膜；采用低壓化學氣象淀積技術(shù)或濺射技術(shù)在另一面制備前電極TCO薄膜；
[0019]S3、將潔凈的透明導電玻璃裝入淀積夾具后，推入烘爐進行預熱；
[0020]S4、基本預熱后將其轉(zhuǎn)移入PECVD淀積爐，進行淀積，依次淀積P型重摻微晶Si薄膜，厚度為6nm ；P型重摻氫化單晶碳化硅緩沖層，厚度為15nm ；P型氫摻雜氫化非晶硅，厚度為1nm ;漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜，厚度為300nm ;n型氫化非晶硅薄膜，厚度為 15nm ；
[0021]S5、在淀積完成后，將基片裝載夾具取出，放入冷卻室慢速降溫；
[0022]S6、采用低壓化學氣象淀積技術(shù)或濺射技術(shù)在步驟S4所得的η型氫化非晶硅薄膜上制備一層ITO薄膜；
[0023]S7、采用磁控濺射法在步驟S7所得的ITO薄膜上鍍鋁，形成電池背電極。
[0024]其中，所述S2步驟中的氮化硅減反射膜為雙層，第一層氮化硅減反射層的厚度為30nm，折射率為2.15，第二層氮化硅減反射膜的厚度為55nm，折射率為1.9，其具體工藝流程如下:
[0025](I)將清潔后的玻璃片在PECVD設(shè)備內(nèi)部加熱到工作溫度并保持穩(wěn)定；
[0026](2)通入氮氣和氨氣，調(diào)整反應(yīng)腔壓強，開啟射頻電源；
[0027](3)通入硅烷和氨氣，在玻璃襯底上淀積第一層氮化硅膜；
[0028](4)改變硅烷和氨氣的流量，在第一層氮化硅膜上淀積第二層氮化硅膜。
[0029]其中，所述第一層氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為3700C ;反應(yīng)壓強為100m τ淀積時間為70s射頻源功率為50W ;所述第二次氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為300°C ;反應(yīng)壓強為ΙΟΟΟπιτ ;淀積時間為10s ;射頻源功率為300W。
[0030]其中，所述S2步驟中的TCO薄膜采用摻硼的氧化鋅；所述S4步驟中具有漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜為太陽電池p-1-n結(jié)構(gòu)中的本征層，其中鍺組分自上而下越來越大，分別為20%、30%、40%，厚度均為lOOnm。鍺組分的調(diào)整是通過調(diào)整等離子體氣相淀積法(PECVD)中工作氣體流量比的改變來實現(xiàn)的。
[0031]本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明加入雙層氮化硅(SiN)結(jié)構(gòu)，從而提高了減反射效果，使得太陽電池對入射光的吸收增強，有利于提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率；本征層采用氫化非晶硅鍺材料，其中鍺組分在本征層是漸變的，拓寬了光譜響應(yīng)范圍，增加了電池對太陽光的吸收，從而增加了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明中具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0033]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0034]如圖1所示本實施例提供了一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，從下往上依次包括氮化娃(SiN)薄膜，玻璃層(glass)4,厚度為500nm ;透明導電薄膜(TC0) 5，厚度為10nm ；P型重摻雜微晶Si薄膜(p+uc-Si) 6，厚度為6nm ；P型重摻雜氫化單晶碳化硅(a-Si:H)緩沖層7，厚度為15nm ；P型輕摻雜氫化非晶硅(a_S1:H)8，厚度為10nm ；本征氫化非晶硅鍺薄膜9，厚度為300nm ；n型氫化非晶硅薄膜10，厚度為15nm ;背面的透明導電薄膜(ITO)ll，厚度為10nm和鋁襯底，厚度為200nm，所述氮化硅(SiN)薄膜上設(shè)有正電極1，所述鋁襯底下端設(shè)有負電極13。
[0035]所述氮化硅薄膜包括第一氮化硅薄膜2和第二氮化硅薄膜3，所述第一氮化硅薄膜2的厚度為30nm，所述第二氮化硅薄膜3的厚度為55nm。
[0036]所述本征氫化非晶硅鍺薄膜9含有漸變鍺組分。
[0037]還提供了一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，包括如下步驟:
[0038]S1、取一玻璃襯底，并用電子清洗劑清洗以及去離子水沖洗，然后用高純氨氣吹干;
[0039]S2、采用PECVD法在清洗干凈的玻璃一面制備氮化硅減反射膜；采用低壓化學氣象淀積(LPCVD)技術(shù)或濺射技術(shù)在另一面制備前電極TC0薄膜；
[0040]S3、將潔凈的透明導電玻璃裝入淀積夾具后，推入烘爐進行預熱；
[0041]S4、基本預熱后將其轉(zhuǎn)移入PECVD淀積爐，進行淀積，依次淀積P型重摻微晶Si薄膜(p+uc-Si)，厚度為6nm ；P型重摻氫化單晶碳化硅(a_Si:H)緩沖層，厚度為15nm ；P型氫摻雜氫化非晶硅(a-S1:H)，厚度為10nm;漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜，厚度為300nm ；n型氫化非晶娃薄膜，厚度為15nm ；
[0042]S5、在淀積完成后，將基片裝載夾具取出，放入冷卻室慢速降溫；
[0043]S6、采用低壓化學氣象淀積(LPCVD)技術(shù)或濺射技術(shù)在步驟S4所得的η型氫化非晶硅薄膜上制備一層ΙΤ0薄膜；
[0044]S7、采用磁控濺射法在步驟S7所得的ΙΤ0薄膜上鍍鋁，形成電池背電極。
[0045]所述S2步驟中的氮化硅減反射膜為雙層，第一層氮化硅減反射層的厚度為30nm，折射率為2.15，第二層氮化硅減反射膜的厚度為55nm，折射率為1.9，其具體工藝流程如下:
[0046](I)將清潔后的玻璃片在PECVD設(shè)備內(nèi)部加熱到工作溫度并保持穩(wěn)定；
[0047](2)通入氮氣和氨氣，調(diào)整反應(yīng)腔壓強，開啟射頻電源；
[0048](3)通入娃燒和氨氣,在玻璃襯底上淀積第一層氮化娃膜；
[0049](4)改變娃燒和氨氣的流量,在第一層氮化娃膜上淀積第二層氮化娃膜。
[0050]所述第一層氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為370°C ；反應(yīng)壓強為100m τ ;淀積時間為70s ;射頻源功率為50W ;所述第二次氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為300°C ;反應(yīng)壓強為100m τ ;淀積時間為10s ；射頻源功率為300W。
[0051]所述S2步驟中的TCO薄膜采用摻硼的氧化鋅ZnO:Β ;所述S4步驟中具有漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜為太陽電池p-1-n結(jié)構(gòu)中的本征層，其中鍺組分自上而下越來越大，分別為20%、30%、40%，厚度均為lOOnm。鍺組分的調(diào)整是通過調(diào)整等離子體氣相淀積法(PECVD)中工作氣體流量比的改變來實現(xiàn)的。
[0052]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，從下往上依次包括氮化硅薄膜，玻璃層；透明導電薄膜，P型重摻雜微晶Si薄膜，P型重摻雜氫化單晶碳化硅緩沖層，P型輕摻雜氫化非晶硅，本征氫化非晶硅鍺薄膜，η型氫化非晶硅薄膜，背面的透明導電薄膜和鋁襯底，所述氮化硅薄膜上設(shè)有正電極，所述鋁襯底下端設(shè)有負電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述氮化硅薄膜包括第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜，所述第一氮化硅薄膜的厚度為30nm,所述第二氮化娃薄膜的厚度為55nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述玻璃層的厚度為500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述透明導電薄膜的厚度為10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述P型重摻雜微晶Si薄膜的厚度為6nm，所述P型重摻雜氫化單晶碳化硅緩沖層的厚度為15nm，所述P型輕摻雜氫化非晶硅的厚度為10nm，所述本征氫化非晶硅鍺薄膜的厚度為300nm，所述η型氫化非晶硅薄膜的厚度為15nm，所述背面的透明導電薄膜為厚度為10nm，所述鋁襯底的厚度為200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池，其特征在于，所述本征氫化非晶硅鍺薄膜含有漸變鍺組分。
7.具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、取一玻璃襯底，并用電子清洗劑清洗以及去離子水沖洗，然后用高純氨氣吹干； 52、采用PECVD法在清洗干凈的玻璃一面制備氮化硅減反射膜；采用低壓化學氣象淀積技術(shù)或濺射技術(shù)在另一面制備前電極TCO薄膜； 53、將潔凈的透明導電玻璃裝入淀積夾具后，推入烘爐進行預熱； 54、基本預熱后將其轉(zhuǎn)移入PECVD淀積爐，進行淀積，依次淀積P型重摻微晶Si薄膜，厚度為6nm ；P型重摻氫化單晶碳化娃緩沖層,厚度為15nm ；P型氫摻雜氫化非晶娃,厚度為1nm ;漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜，厚度為300nm ；n型氫化非晶硅薄膜，厚度為15nm ； 55、在淀積完成后，將基片裝載夾具取出，放入冷卻室慢速降溫； 56、采用低壓化學氣象淀積技術(shù)或濺射技術(shù)在步驟S4所得的η型氫化非晶硅薄膜上制備一層ITO薄膜； 57、采用磁控濺射法在步驟S7所得的ITO薄膜上鍍鋁，形成電池背電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，所述S2步驟中的氮化硅減反射膜為雙層，第一層氮化硅減反射層的厚度為30nm，折射率為2.15，第二層氮化硅減反射膜的厚度為55nm，折射率為1.9，其具體工藝流程如下: (1)將清潔后的玻璃片在PECVD設(shè)備內(nèi)部加熱到工作溫度并保持穩(wěn)定； (2)通入氮氣和氨氣，調(diào)整反應(yīng)腔壓強，開啟射頻電源； (3)通入硅烷和氨氣，在玻璃襯底上淀積第一層氮化硅膜； (4)改變娃燒和氨氣的流量,在第一層氮化娃膜上淀積第二層氮化娃膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，所述第一層氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為370°C ;反應(yīng)壓強為100m τ ;淀積時間為70s ;射頻源功率為50W ;所述第二次氮化硅薄膜的工藝參數(shù)為:氣體流量比為1.875 ;襯底溫度為300°C ;反應(yīng)壓強為100m τ ;淀積時間為10s ;射頻源功率為300W。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有漸變鍺組分本征層的非晶硅薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于，所述S2步驟中的TCO薄膜采用摻硼的氧化鋅；所述S4步驟中具有漸變鍺組分的本征氫化非晶硅鍺薄膜為太陽電池p-1-n結(jié)構(gòu)中的本征層，其中鍺組分自上而下越來越大，分別為20%、30%、40%，厚度均為lOOnm。
【文檔編號】H01L31/065GK104393087SQ201410647780
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】舒斌, 張鶴鳴, 魏璇, 陳景明, 宣榮喜, 胡輝勇, 宋建軍 申請人:西安電子科技大學