一種p型摻雜非晶矽薄膜的製備方法及裝置製造方法

2023-04-29 13:42:41 1

一種p型摻雜非晶矽薄膜的製備方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種P型摻雜非晶矽薄膜的製備方法及裝置，包括一個真空腔室，真空腔室內設有襯底板，襯底加熱器，襯底擋板，真空腔室的底部接有真空泵，真空腔室的上方設有與直流電源電連接的金屬鉭絲和反應氣體的進氣通道，真空腔室的側壁裝有熱反應蒸發器，熱反應蒸發器的出口接有陶瓷坩堝，陶瓷坩堝表面法線與襯底板平面之間的夾角為75~85℃，陶瓷坩堝口距襯底板的豎直距離為5~8cm，鉭絲距襯底板的距離為10~15cm，陶瓷坩堝的外表面纏繞鉭絲，陶瓷坩堝內部設置兩層開有圓孔的蒸發掩膜板；本發明不存在離子轟擊效應，不會造成非晶矽薄膜的膜面損傷及內部缺陷，通過調節熱反應蒸發的鉭絲溫度來控制鋁摻雜量的大小，有效控制摻雜濃度。
【專利說明】—種P型摻雜非晶矽薄膜的製備方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄膜太陽能電池【技術領域】，特別涉及一種製備P型摻雜非晶矽薄膜的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在矽基薄膜太陽能電池器件中，採用P-1-N型的結構模式，其中P型摻雜的非晶矽窗口層材料的質量對整個矽基薄膜太陽電池的性能具有重要影響，在矽基薄膜太陽電池中，為減小串聯電阻和減少入射光的損失，要求P層窗口材料具有高的電導率和寬的光學帶隙等，改善P層薄膜材料的光學和電學特性是提高薄膜太陽電池性能的有效途徑。通常製備P型非晶矽薄膜的方法是採用等離子體增強化學氣相沉積技術(PECVD)或熱絲化學氣相沉積技術(HWCVD)，以硼烷或三甲基硼烷為摻雜源，在氣相反應中進行引入硼原子實現P型摻雜的目的。但這一技術中，相比於引入磷烷進行摻雜的N型摻雜效率來說，P型摻雜效率不高，其摻雜薄膜的電導率比相同N型摻雜引入量的電導率要小一個量級，從而影響了 P層薄膜的電學特性，尤其是電導率，從而對整個薄膜電池效率的提升設置了一道障礙。所以，為最大限度地提升非晶矽薄膜太陽能電池的光電轉換效率，我們需要一個更加有效的製備P型非晶矽薄膜的方法，在獲得內部缺陷少的P型薄膜的基礎上，實現電導率比傳統CVD方法製備的薄膜電導率高的目的，進而以其作為非晶矽薄膜的窗口層材料，提升電池的光電轉換水平。

【發明內容】

[0003]針對現有技術中通過硼摻雜製備P型非晶矽薄膜的摻雜效率低下的問題，本發明提出一種摻雜效率高、薄膜缺陷低的P型非晶矽薄膜的製備方法及裝置，用以矽基薄膜太陽能電池的窗口層材料，實現電池效率的顯著提升。
`[0004]本發明的目的通過以下技術方案予以實現，一種P型摻雜非晶矽薄膜的製備方法，其特徵在於，在真空腔室中設置金屬鉭絲作為進行化學氣相沉積的熱催化器，對製備非晶矽薄膜的反應氣體進行分解，並將分解物之間反應形成的矽基薄膜沉積在AZO導電玻璃上,其中鉭絲與襯底板之間的距離為l(Tl5cm ;鉭絲的直徑為0.5^0.8mm，通過電加熱，使鉭絲溫度為170(Tl75(rC ;在真空腔室中設置一個熱反應蒸發器，以鋁作為蒸發源，以鉭絲纏繞的陶瓷坩堝作為加熱體，放置鋁的陶瓷坩堝表面法線與襯底板平面之間的夾角為75^850C，坩堝口距襯底板的豎直距離為5~8cm，在進行鉭絲分解混合氣體進行化學氣相沉積的同時，控制陶瓷坩堝外壁所纏繞的鉭絲溫度為1200-1300?，進行熱反應蒸發鋁材料，進行非晶矽薄膜的鋁摻雜，從而形成P型摻雜的非晶矽薄膜；
所述製備方法包括以下操作步驟:
將AZO導電玻璃放入真空腔室的襯底板上，向真空腔室同時通入混合反應氣體氫氣和矽烷，氫氣、矽烷的流量比為(fl.5): I，通過襯底加熱器控制襯底板的溫度為200°C，對熱催化器鉭絲通過電加熱至170(Tl75(TC，通過控制反應氣體的流量使真空腔室體內反應氣體的氣壓為5~10Pa，然後開啟熱反應蒸發系統，並調節纏繞在陶瓷坩堝上鉭絲的通電電流，使該鉭絲溫度為120(Tl30(rC，最後打開磁控濺射靶材製備P型摻雜的非晶矽薄膜。
[0005]一種製備P型摻雜非晶矽薄膜的裝置，包括一個真空腔室，真空腔室內設有襯底板，襯底加熱器，襯底擋板，真空腔室的底部接有真空泵，其特徵在於，真空腔室的上方設有與直流電源電連接的金屬鉭絲和反應氣體的進氣通道，真空腔室的側壁裝有熱反應蒸發器，熱反應蒸發器的出口接有陶瓷坩堝，陶瓷坩堝表面法線與襯底板平面之間的夾角為75~85°C，陶瓷坩堝口距襯底板的豎直距離為5~8cm，鉭絲距襯底板的距離為l(Tl5Cm，陶瓷坩堝的外表面纏繞鉭絲，陶瓷坩堝內部設置兩層開有圓孔的蒸發掩膜板。
[0006]進一步的，近坩堝口的蒸發掩膜板上開的圓孔數大於近坩堝底的蒸發掩膜板上開的圓孔數。
[0007]有益效果:本發明所採用鉭絲催化的化學氣相沉積技術與熱反應蒸鍍鋁的技術中，均不存在離子轟擊效應，不會造成非晶矽薄膜的膜面損傷及內部缺陷，且可以方便地調節熱反應蒸發的鉭絲溫度來控制鋁摻雜量的大小，有效控制摻雜濃度，以獲得非晶矽薄膜太陽能電池用P型矽薄膜層。現有技術生產的P型非晶矽薄膜，電導率為f2X10_2 S/cm，能帶寬度為1.7^1.75eV，採用本發明的方法和裝置生產的P型非晶矽薄膜，電導率為5X 10_2S/cm ~6X1(T2 S/cm S/cm，能帶寬度為 1.78~1.84eV。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發明的裝置結構示意圖；
圖2為陶瓷坩堝內部結構示意圖；
圖3為陶瓷坩堝外部電路 連接圖。
【具體實施方式】
[0009]如圖1所示，一種製備P型摻雜非晶矽薄膜的裝置，包括一個真空腔室1，真空腔室I內設有襯底板5，襯底加熱器9，襯底擋板10，真空腔室I的底部接有真空泵11，真空腔室I的上方設有與直流電源4電連接的金屬鉭絲2和反應氣體的進氣通道8，真空腔室I的側壁裝有熱反應蒸發器7，熱反應蒸發器7的出口接有陶瓷坩堝6，陶瓷坩堝6表面法線與襯底板5平面之間的夾角為75~85°C，陶瓷坩堝口距襯底板的豎直距離為5~8cm，鉭絲距襯底板的距離為l(Tl5cm，結合圖3所示，陶瓷坩堝6的外表面纏繞鉭絲12，鉭絲12外接電源，結合圖2所示，陶瓷坩堝6內部設置兩層開有圓孔的蒸發掩膜板14、15，近坩堝口 16的蒸發掩膜板15上開的孔數要多於近坩堝底13的蒸發掩膜板14上開的孔數，使放置於坩堝底13與掩膜板14之間的蒸發源鋁材料可以均勻的向坩堝口 16外蒸鍍鋁原子，沉積在導電玻3?上ο
[0010]實施例1
(1)採用圖1所示裝置，使鉭絲2與襯底板5之間的距離為10cm，陶瓷坩堝6的表面法線與襯底板5平面之間的夾角為80°C，熱反應蒸發器7所用的鋁源為純度為99.9999%招;
(2)將AZO導電玻璃放入真空腔室I內的襯底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度為I X 10_4Pa，並通過襯底加熱器9控制襯底板5的溫度為200°C ；(3)向真空腔室同時通入混合反應氣體氫氣和矽烷,氫氣和矽烷的流量比為1:1,對鉭絲2施加電壓加熱，使鉭絲2溫度達到1750°C，通過氣體的流量控制使真空腔室體內反應氣體的氣壓為8Pa，然後開啟熱反應蒸發器7，並調節纏繞在陶瓷坩堝6上的鉭絲12通電電流大小，使得鉭絲12溫度為1250°C。
[0011](4)在上述沉積條件穩定後，打開磁控濺射靶材和襯底擋板10，製備P型摻雜的非晶矽薄膜，沉積時間為50分鐘，所得的P型非晶矽薄膜的厚度約為600nm。
[0012]本實施例製備得到的P型非晶矽薄膜的電導率為5.3X10_2 S/cm，能帶寬度為
1.81eV，可見本發明可以有效地對P型非晶矽薄膜的摻雜效率加以提升，更好地應用於矽基薄膜太陽能電池。 [0013]本實施例製備的P型非晶矽薄膜用於P-1-N型單結非晶矽薄膜太陽能電池中，而I型和N型非晶矽薄膜保持為常規不變，以此形成的太陽能電池器件的光電轉換效率為8.93%，各種參數如下:Voc=0.94V, Jsc= 13.52mA/cm2, FF=0.703。
[0014]實施例2
(1)採用圖1所示裝置，使鉭絲2與襯底板5之間的距離為12cm，陶瓷坩堝6的表面法線與襯底板平面之間的夾角為75°C，熱反應蒸發器7所用的鋁源純度為99.9999%鋁；
(2)將AZO導電玻璃放入真空腔室I的襯底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度為I X 10_4 Pa，並通過襯底加熱器9控制襯底板5的溫度為200°C ；
(3)向真空腔室同時通入混合反應氣體氫氣和矽烷,氫氣、矽烷的流量比為1.2:1,對鉭絲2施加電壓加熱，使鉭絲2溫度達到1700°C，通過氣體的流量控制使真空腔室體內反應氣體的氣壓為10Pa，然後開啟熱反應蒸發器7，並調節纏繞在陶瓷坩堝6上的鉭絲12通電電流大小，使得鉭絲12溫度為1200°C。
[0015](4)在上述沉積條件穩定後，打開磁控濺射靶材和襯底擋板10，製備P型摻雜的非晶矽薄膜，沉積時間為50分鐘，所得的P型非晶矽薄膜的厚度約為600nm。
[0016]本實施例製備的P型非晶矽薄膜的電導率為6X1(T2 S/cm，測試方法為霍爾效應測試，能帶寬度為1.79eV,測試方法為測試透射吸收譜，通過Tauc擬合法得到。
[0017]本實施例製備的P型非晶矽薄膜用於P-1-N型單結非晶矽薄膜太陽能電池中，而I型和N型非晶矽薄膜保持為常規不變，以此形成的太陽能電池器件的光電轉換效率為8.78%，各種參數如下:Voc=0.924V, Jsc=13.73mA/cm2, FF=0.692。
[0018]實施例3
(1)採用圖1所示裝置，使鉭絲2與襯底板5之間的距離為15cm，陶瓷坩堝6的表面法線與襯底板平面之間的夾角為85°C，熱反應蒸發器7所用的鋁源純度為99.9999%鋁；
(2)將AZO導電玻璃放入真空腔室I內的襯底板5上，使用真空泵11抽真空，使真空腔室的真空度為I X 10_4 Pa，並通過襯底加熱器9控制襯底板5的溫度為200°C ；
(3)向真空腔室同時通入混合反應氣體氫氣和矽烷,氫氣、矽烷的流量比為1.5:1,對鉭絲2施加電壓加熱，使鉭絲2溫度達到1750°C，通過氣體的流量控制使真空腔室體內反應氣體的氣壓為5Pa，然後開啟熱反應蒸發器7，並調節纏繞在陶瓷坩堝6上的鉭絲12通電電流大小，使得鉭絲12溫度為1300°C。
[0019](4)在上述沉積條件穩定後，打開磁控濺射靶材和襯底擋板10，製備P型摻雜的非晶矽薄膜，沉積時間為50分鐘，所得的P型非晶矽薄膜的厚度約為600nm。[0020]本實施例製備的P型非晶矽薄膜的電導率為6.5X10_2 S/cm，測試方法為霍爾效應測試，能帶寬度為1.83eV，測試方法為測試透射吸收譜，通過Tauc擬合法得到。
[0021]本實施例製備的P型非晶矽薄膜用於P-1-N型單結非晶矽薄膜太陽能電池中，而I型和N型非晶矽薄膜保持為常規不變，以此形成的太陽能電池器件的光電轉換效率為8.59%，各種參數如下:Voc=0.950V, Jsc=13.12mA/cm2, FF=0.689。
[0022]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同 替換、等效變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種P型摻雜非晶矽薄膜的製備方法，其特徵在於，在真空腔室中設置金屬鉭絲作為進行化學氣相沉積的熱催化器，對製備非晶矽薄膜的反應氣體進行分解，並將分解物之間反應形成的矽基薄膜沉積在AZO導電玻璃上，其中鉭絲與襯底板之間的距離為l(Tl5Cm ；鉭絲的直徑為0.5^0.8mm，通過電加熱，使鉭絲溫度為170(Tl75(TC ;在真空腔室中設置一個熱反應蒸發器，以鋁作為蒸發源，以鉭絲纏繞的陶瓷坩堝作為加熱體，放置鋁的陶瓷坩堝表面法線與襯底板平面之間的夾角為75~85°C，坩堝口距襯底板的豎直距離為5~8cm，在進行鉭絲分解混合氣體進行化學氣相沉積的同時，控制陶瓷坩堝外壁所纏繞的鉭絲溫度為120(T130(TC，進行熱反應蒸發鋁材料，進行非晶矽薄膜的鋁摻雜，從而形成P型摻雜的非晶矽薄膜； 所述製備方法包括以下操作步驟: 將AZO導電玻璃放入真空腔室的襯底板上，向真空腔室同時通入混合反應氣體氫氣和矽烷，氫氣、矽烷的流量比為(fl.5): I，通過襯底加熱器控制襯底板的溫度為200°C，對熱催化器鉭絲通過電加熱至170(Tl75(TC，通過控制反應氣體的流量使真空腔室體內反應氣體的氣壓為^lOPa，然後開啟熱反應蒸發系統，並調節纏繞在陶瓷坩堝上鉭絲的通電電流，使該鉭絲溫度為120(Tl30(rC，最後打開磁控濺射靶材製備P型摻雜的非晶矽薄膜。
2.—種權利要求1所述P型摻雜非晶矽薄膜的製備裝置，包括一個真空腔室(I )，真空腔室(I)內設有襯底板(5)，襯底加熱器(9)，襯底擋板(10)，真空腔室(I)的底部接有真空泵(11)，其特徵在於，真空腔室(I)的上方設有與直流電源(4)電連接的金屬鉭絲(2)和反應氣體的進氣通道(8 )，真空腔室(I)的側壁裝有熱反應蒸發器(7 )，熱反應蒸發器(7 )的出口接有陶瓷坩堝(6)，陶瓷坩堝(6)表面法線與襯底板(5)平面之間的夾角為75~85°C，陶瓷坩堝口距襯底板的豎直距 離為5~8cm，鉭絲距襯底板的距離為l(Tl5Cm，陶瓷坩堝(6)的外表面纏繞鉭絲(12)，陶瓷坩堝(6)內部設置兩層開有圓孔的蒸發掩膜板(14、15)。
3.根據權利要求2所述的一種製備P型摻雜非晶矽薄膜的裝置，其特徵在於，近坩堝口(16)的蒸發掩膜板(15)上開的圓孔數大於近坩堝底(13)的蒸發掩膜板(14)上開的圓孔數。
【文檔編號】H01L31/20GK103590015SQ201310548415
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】彭壽, 王芸, 馬立雲, 崔介東 申請人:蚌埠玻璃工業設計研究院, 中國建材國際工程集團有限公司