SnO₂為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法

2023-09-17 10:41:20

專利名稱：SnO2為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法
Sn02為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜太陽電池領域，尤其是一種應用在Sri02為襯底的微晶矽薄膜 太陽電池用透明導電薄膜的製備方法。背景技術：
隨著人類社會的高速發展，對能源的需求也日益加劇。化石燃料和工業革命 的結合創造了人類歷史上輝煌的現在文明，但同時也造成了當代人類發展所面臨 的能源危機與環境汙染。太陽能用之不竭、取之不盡，因而光伏發電倍受人們矚 目。實踐證明，大規模應用太陽電池的一個關鍵，就是大幅度的降低成本，發展 薄膜太陽電池是降低成本的一個有效途徑。對於矽基薄膜太陽電池來說，薄膜非晶矽(a-Si:H)材料適合作太陽電池的最大 特點是光吸收係數大，具有較高的光敏性，其吸收峰與太陽光譜峰相近，有利於 對太陽光的利用，是極富吸引力的光伏材料。非晶矽(a-Si:H)薄膜太陽電池因其 生長溫度低、便於大面積生產、耗材少等優點受到人們的重視並得到迅速發展。 儘管非晶矽是一種很好的太陽電池材料，但是由於其光學帶隙為1.7eV左右，使 得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，限制了非晶矽太陽電池轉換效率 的進一步提高，而且非晶矽電池本身所固有的S-W效應，使其穩定性不夠理想， 因而限制了其產業化進程。氫化微晶矽薄膜(pc-Si:H)是由微晶粒、晶粒邊界、空洞和非晶矽共存的復 相材料組成，相對於非晶矽材料有很高的有序性，微晶矽電池穩定性大大提高， 且微晶矽光學帶隙在1.1eV左右，相對於非晶矽，電池響應光譜得到擴展，從0.9iam 擴展到l.lMm，提高太陽電池效率的潛力很大，在新能源領域中成為當前的研究執佔o """、、o但同非晶矽太陽電池相比，微晶矽太陽電池所需要的p層材料是微晶矽p，此材料的製備往往需要氫稀釋。由於成本因素，Sn02作為襯底材料被廣泛應用， 但對於目前商業化的Sn02襯底來說，大量的氫會使Sn02中的Sn被還原，導致材 料的透過率和電學特性劣化，從而影響微晶矽太陽電池的效率。因此，為了實現 Sn02襯底能夠應用於微晶矽太陽電池中，需要在沉積微晶矽太陽電池之前在Sn02
襯底上預先沉積保護層，此保護層既能起到保護Sn02不被氫還原的作用，同時具 有很好的光透性。目前通過在Sn02表面沉積ZnO或Ti02等透明導電薄膜起到上 述保護層功能，但沉積ZnO或Ti02需要採用濺射或者金屬有機物化學氣相沉積等 技術，而製備微晶矽電池常用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或熱絲化學 氣相沉積等技術，製備過程中沉積系統的不同不利於降低成本。
發明內容本發明目的旨在為克服現有技術的不足，而提供一種能夠提高微晶矽薄膜太 陽電池的電池效率且工藝簡單、成本低的Sn02為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透 明導電薄膜的製備方法。本發明為實現上述目的，設計了一種Sn02為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透 明導電薄膜的製備方法，所述微晶矽薄膜太陽電池包括Sn02襯底及依次沉積在 Sn02襯底上的透明導電薄膜、P型微晶矽、I型本徵微晶矽和N型非晶矽，所述 透明導電薄膜為非晶矽碳、非晶矽氧，所述在Sn02襯底上製備透明導電薄膜的沉 積方法為等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或者甚高頻等離子體增 強化學氣相沉積，該製備透明導電薄膜的沉積方法和製備P型微晶矽、I型本徵微 晶矽、N型非晶矽的沉積方法相同。本發明有益效果是本發明採用如等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣 相沉積、甚高頻等離子體增強化學氣相沉積等與製備微晶矽太陽電池相同的化學 氣相沉積技術，在製備微晶矽太陽電池製備同時，原位沉積具有高光透過、種子 層和保護層功能的微晶矽太陽電池用透明導電薄膜，即在Sn02襯底上依次沉積透 明導電薄膜、P型微晶矽、I型本徵微晶矽及N型非晶矽具有技術兼容性，可以使 用相同的沉積方法，所以針對不同層材料，沉積過程只需要變換反應氣體或宏觀 沉積參數，不需要更換沉積系統，工藝簡單且有利於降低成本。
圖1為本發明Sn02為襯底的微晶矽薄膜太陽電池的示意圖。
具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明所述的技術方案進行詳細的說明。請參考圖l所示，本發明Sn02為襯底的微晶矽薄膜太陽電池，包括襯底、透 明導電薄膜、P型微晶矽、I型本徵微晶矽、N型非晶矽和背電極，其中該透明導
電薄膜具有高光透過、保護Sn02襯底和對隨後沉積的P層起到種子層的功能。在 本發明實施例中，該透明導電薄膜可為非晶矽碳、非晶矽氧，所使用的襯底是透 明導電Sn02襯底，背電極由金屬Ag、 Al、 ZnO等組成。本發明在Sn02襯底上製備透明導電薄膜，採用與製備微晶矽太陽電池相同的 沉積技術，例如等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、熱絲化學氣相沉積、甚 高頻等離子體增強化學氣相沉積等。所使用的氣源為以氫稀釋的矽烷類氣體，甲 烷和二氧化碳為主，以不同的含硼的有機類氣體或用惰性氣體攜帶的含硼的液態 化合物作為摻雜劑。下面分別以製備非晶矽碳、非晶矽氧功能材料為例來說明本發明Sn02為襯底 的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法。實施例1採用PECVD方法沉積非晶矽碳功能材料作為本發明的透明導電薄膜，具體 製備工藝為1、 將Sn02襯底放入PECVD沉積系統中，本底真空高於10'5託；2、 控制反應沉積參數，在Sn02襯底沉積非晶矽碳薄膜；本發明中，採用反應氣為矽垸、氫氣、硼烷、三甲基硼、甲烷、二氧化碳等氣體的組合，製備的反應沉積參數如下 反應氣體壓強O.l託以上； 輝光功率密度10-100毫瓦/平方釐米；襯底表面溫度100-300°C;氫稀釋矽垸濃度SC= ([SiH4]/([SiH4]+[H2])) °/(^80%; 輝光激勵頻率13.56MHz-100MHz;含硼氣體與矽垸之比(硼摻雜劑濃度)BS《3%。實施例1中製備非晶矽碳較為優選的另一個實施條件如下將襯底置於反應腔室中，反應氣中矽烷(氫稀釋，濃度為10%) =40SCCM，硼烷(氫稀釋，濃度 為5%) =0.8SCCM，甲烷(100。/。"4.5SCCM。應腔室中的反應氣壓保持在65.4Pa， 襯底表面溫度保持在225X:，設定輝光功率密度為45毫瓦/平方釐米，輝光激勵頻
率為13.56MHz。沉積1分20秒，所製得的非晶矽氧薄膜20nm，其暗電導率約為 10-6s/cm。實施例1中製備非晶矽碳較為優選的另一個實施條件如下將襯底置於反應腔室中，反應氣中矽烷(氫稀釋，濃度為10%) =40SCCM，硼垸(氫稀釋，濃度 為5%) =0.4SCCM，甲烷(100。/。)-4.5SCCM。應腔室中的反應氣壓保持在80Pa， 襯底表面溫度保持在185°C，設定輝光功率密度為50毫瓦/平方釐米，輝光激勵頻 率為13.56MHz。沉積1分40秒，所製得的非晶矽氧薄膜25nm，其暗電導率約為 l(T7s/cm。實施例2採用PECVD方法沉積非晶矽氧功能材料作為本發明的透明導電薄膜，在此 實施例2中，製備非晶矽氧薄膜和製備非晶矽碳的工藝步驟相同，只是反應沉積 參數不同，故下面僅介紹製備非晶矽氧薄膜的反應沉積參數反應氣矽烷、氫氣、硼垸、三甲基硼、氧氣、二氧化碳等氣體的組合； 反應氣體壓強0.1託以上； 輝光功率密度10 -500毫瓦/平方釐米； 襯底表面溫度100-30(TC;氫稀釋矽烷濃度SC- ([SiH4]/([SiH4]+[H2])) °/^80%; 輝光激勵頻率13.56MHz-100MHz;含硼氣體與矽垸之比(硼摻雜劑濃度)BS53%。實施例2中製備非晶矽氧較為優選的一個實施條件如下將襯底置於反應腔 室中，反應氣中矽烷(氫稀釋，濃度為20%) -15SCCM,硼垸(氫稀釋，濃度為 1%) =3SCCM， 二氧化碳(100。/。一3SCCM,氫氣(100%)=12 SCCM。應腔室中的反 應氣壓保持在60Pa，襯底表面溫度保持在215'C，設定輝光功率密度為300毫瓦/ 平方釐米，輝光激勵頻率為13.56MHz。沉積3分鐘，所製得的非晶矽氧薄膜20nm， 其暗電導率約為10—7s/cm。實施例2中製備非晶矽氧較為優選的另一個實施條件如下將襯底置於反應 腔室中，反應氣中矽烷(氫稀釋，濃度為20%) -15SCCM,硼烷(氫稀釋，濃度 為1%) -6SCCM, 二氧化碳(100。/。)-3SCCM，氫氣(100%)=12 SCCM。應腔室中的 反應氣壓保持在60Pa，襯底表面溫度保持在215°C，設定輝光功率密度為400毫 瓦/平方釐米，輝光激勵頻率為13.56MHz。沉積3分鐘左右，所製得的非晶矽氧 薄膜25nm，其暗電導率約為10'6s/cm。綜上所述，本發明通過控制反應沉積參數，在Sn02襯底上沉積厚度為5 40nm 的非晶矽碳或非晶矽氧，Sn02襯底上覆蓋該層薄膜材料後，在隨後製備微晶矽電 池的微晶P層材料時，過多的氫不會影響到Sn02襯底，對Sn02襯底起到保護層 的作用，同時由於該層非晶矽碳薄膜中有Si，因此還對隨後生長的微晶矽起到一 定的種子層作用。本發明在製備微晶矽太陽電池製備同時，原位沉積具有高光透過、種子層和 保護層功能的微晶矽太陽電池用透明導電薄膜，即在Sn02襯底上依次沉積透明導 電薄膜、P型微晶矽、I型本徵微晶矽及N型非晶矽使用相同的沉積方法，只是針 對不同層材料，沉積過程僅需變換反應氣體或宏觀沉積參數，而不需要更換沉積 系統，工藝簡單且有利於降低成本。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限 於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應 該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1、一種SnO2為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法，所述微晶矽薄膜太陽電池包括SnO2襯底及依次沉積在SnO2襯底上的透明導電薄膜、P型微晶矽、I型本徵微晶矽和N型非晶矽，其特徵在於所述在SnO2襯底上製備透明導電薄膜的沉積方法和製備P型微晶矽、I型本徵微晶矽、N型非晶矽的沉積方法相同，該沉積方法採用等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或者甚高頻等離子體增強化學氣相沉積。
2、 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述透明導電薄膜為非晶 矽碳或者非晶矽氧。
3、 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述在Sn02襯底上製備 透明導電薄膜的沉積方法中所使用的氣源包括以氫稀釋的矽烷氣體，含硼的有機 類氣體或用惰性氣體攜帶的含硼的液態化合物。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述氫稀釋矽烷的濃度SO ([SiH4]/([SiH4]+[H2])) %580%。
5、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述含硼的有機類氣體或用惰性氣體攜帶的含硼的液態化合物為摻雜劑的濃度BS為含硼氣體與矽烷之比，該 BS《3%。
全文摘要
本發明公開了一種SnO2為襯底的微晶矽薄膜太陽電池用透明導電薄膜的製備方法，所述透明導電薄膜為非晶矽碳、非晶矽氧，所述在SnO2襯底上製備透明導電薄膜的沉積方法為等離子體增強化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或者甚高頻等離子體增強化學氣相沉積。本發明採用與製備微晶矽太陽電池相同的化學氣相沉積技術，在製備微晶矽太陽電池製備同時，原位沉積具有高光透過、種子層和保護層功能的微晶矽太陽電池用透明導電薄膜，不需要更換沉積系統，工藝簡單且有利於降低成本。
文檔編號H01L31/18GK101159297SQ20071015023
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月19日 優先權日2007年11月19日
發明者張曉丹, 熊紹珍, 耿新華, 穎 趙 申請人:南開大學