一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法

2023-12-02 11:45:36

一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法
【專利摘要】本發明屬於高效矽基薄膜太陽電池領域，具體為一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法。本發明採用已製備好的子電池基底，對其進行清洗處理；首先，以高純石英靶為靶材，濺射一層矽氧薄膜；然後抽真空除氧，以金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層鋁膜；接著以高純石英靶為靶材，繼續在金屬鋁膜上濺射一層矽氧薄膜；最後，將製備好的薄膜放入快速退火爐中退火。這種方法將在疊層電池的子電池之間製備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態密度的隧穿反射層，此層薄膜兼具了中間層的光學優點和隧道結的電學性能，具有寬帶隙、高電導率、低折射率、高缺陷態密度等特點，能有效地提高矽基薄膜疊層太陽電池的轉換效率和穩定性。
【專利說明】
—種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法，屬高效矽基薄膜太陽電池領域。

【背景技術】
[0002]非晶矽(a_S1:H)薄膜是矽基薄膜太陽電池的基礎材料，具有光吸收係數大、折射率高和熱性能良好等優點。應用於太陽電池時，所需薄膜的厚度僅為晶矽的1%左右，非晶矽太陽電池既可採用玻璃等襯底，又可採用不鏽鋼、鈦箔、鋁箔和塑料等柔性襯底，因而可做成柔性太陽電池。但非晶矽薄膜太陽電池存在光致衰減(S-W)效應，制約了其規模應用。非晶矽/微晶矽(a-s1:H/^C-S1:H)疊層電池，簡稱非/微疊層電池，由不同帶隙的a-S1:H頂電池與Kc-Si = H底電池串聯而成。這種疊層結構既能拓寬電池的光譜響應範圍，提高太陽光譜的利用率，又能降低不穩定的非晶矽頂電池的厚度，抑制光致衰減效應，從而改善太陽電池的整體穩定性。然而，疊層結構並不是子電池的簡單串聯，其總電池的電流往往取決於較小的非晶矽頂電池電流。因此，疊層結構應重點考慮:(1)各子電池的最大電流需儘量匹配；(2)各子電池之間的隧道結(Tunnel Recombinat1n Junct1n, TRJ)應具有較小的電學損失與光學損失。
[0003]針對電流匹配，人們研究了子電池本徵吸收層的厚度比，在最佳厚度比值下子電池的電流可獲得良好匹配，例如:非晶娃本徵層厚度一般為150-200nm,微晶娃本徵層厚度一般為2 μ m。為了增加電池穩定性，降低光致衰減效應，人們還研究了中間反射層(Intermediate Reflector Layer, IRL)的作用，以在降低本徵非晶娃厚度的同時,保持最大的匹配電流；針對電學損失和光學損失，人們研究了子電池界面處的隧道結，由於隧道結相對電池內建電場為反偏結，任何寄生勢壘都將使電池的電流電壓特性變差，若結處的光生電子與空穴能完全複合，就不會產生寄生勢壘而削減子電池的電場。目前，人們對疊層結構的上述兩方面研究尚獨立進行:具有選擇性反射作用的中間反射層是基於光學的反射與透射原理；而具有較大缺陷態密度的隧道結是基於電學的隧穿複合理論。因此，其研究成果難以大幅提高疊層太陽電池的性能。綜合考慮疊層結構的子電池界面對整個電池的光學性能和電學性能的影響，結合中間反射層的作用與隧道結的原理，在子電池界面處製備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態密度的薄膜，稱此兼具陷光性能和隧穿性能的薄膜為隧穿反射層(Tunnel Recombinat1n Reflector, TRR),以改善娃基薄膜疊層太陽電池的電流匹配度，降低光學損失與電學損失，提高電池的光電轉換效率和穩定性。
[0004]近年來，人們對矽基疊層太陽電池子電池之間的插入層已有了一定的研究。如:中國科學院半導體研究所的專利(申請號:200910078560.8)矽基薄膜疊層太陽能電池隧道結的製作方法，其特徵是插入層為具有較高複合速率的複合層材料，非晶納米矽複合層。此插入層考慮了隧道結處的隧穿性能，但沒有考慮光學性能；湖南共創光伏科技有限公司的專利(申請號:CN201320698865.0) —種電池用複合中間反射層以及多結疊層矽基薄膜電池，其特徵是該複合中間反射層是包括至少一層η型S1x或SiNx膜層的多層膜結構，與每層中間反射層相鄰的前一層和後一層均為不含氧或氮的η型矽薄膜摻雜層，通過調節O或N含量來調節膜層折射率以適應不同的陷光要求。此插入層考慮了各子電池交界處的光學性能，但沒有考慮隧道結的隧穿性能；景德鎮陶瓷學院的專利(申請號:201010045857.7)一種具有摻雜中間層結構的非晶/微晶矽疊層太陽電池及其製造方法，採用中間層為n+-ZnO: Α1/ρ+-μ c-S1: H薄膜結構的重摻雜n+p+隧道結來串聯頂電池和底電池，雖然此插入層兼顧了陷光性能和隧穿性能，但由於插入層為製備方法不同的兩層薄膜組成，不僅工藝更為複雜，而且引入了更多的界面態。鑑於此，本專利發明了一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法，所製備的插入層薄膜帶隙寬、折射率低、電導率高、缺陷態密度大，同時兼具中間層的光學優點與隧道結的電學特點，能有效地提高疊層電池的轉換效率和穩定性。


【發明內容】

[0005]針對【背景技術】提出的問題，本發明提供了一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法，這種方法將製備一層既具有選擇性反射作用，又具有高缺陷態密度的薄膜，此隧穿反射層兼具了中間反射層的光學優點和隧道結的電學特點，具有寬帶隙、高電導率、低折射率、高缺陷態密度等特點，能有效地提高矽基薄膜疊層太陽電池的轉換效率和穩定性。
[0006]本發明提供的一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法，其技術方案包括:在已製備的子電池上濺射矽氧薄膜；在矽氧薄膜上濺射金屬鋁膜；在金屬鋁膜上濺射矽氧薄膜；退火。具體為:
A)採用已製備好的子電池為基底，先對其進行清洗處理，而後用N2吹乾；
B)以高純石英靶為靶材，用射頻電源濺射一層矽氧薄膜；
C)抽真空除氧後，以金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜；
D)以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射一層矽氧薄膜；
E)將製備好的薄膜放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下快速退火。
[0007]所述步驟(A)具體為:已製備好的子電池基底可選用基於玻璃襯底的非晶矽頂電池或基於柔性襯底的微晶矽底電池，採用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min，而後用N2吹乾；
所述步驟(B)具體為:在磁控濺射腔室中，通入濺射氣體Ar氣，以純度為99.999%的S12靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(T40min ；
所述步驟(C)具體為:以純度為99.99%的金屬Al靶為靶材，在預先抽好真空的腔室中通入濺射的Ar氣，將濺射調節功率至60W?74W，預濺射後繼續在矽氧薄膜上濺射一層Al膜，時間為2(T30s ；
所述步驟(D)具體為:打開射頻電源，調節功率至100W?150W，以純度為99.999%的S12靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min ；
所述步驟(E)具體為:將製備好的薄膜放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T60(TC快速退火20min。
[0008]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發明提出的一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層製備方法的流程圖；
圖2為本發明提出的包含隧穿反射層的矽基薄膜疊層太陽電池的結構圖； 圖3為本發明提出的隧穿反射層的工作原理圖。
[0009]【具體實施方式】:
實施例1
本實施例按以下步驟:
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在玻璃襯底上連續製備非晶娃電池P層、I層和N層,取出樣品,採用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min,而後用N2吹乾；
將襯底安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以除去濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為15?30nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調節功率至10(Tl50W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
將製備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻後取出；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在隧穿反射層上連續製備微晶娃電池P層、I層和N層。
[0010]實施例2
本實施例按以下步驟:
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在柔性襯底上連續製備微晶娃電池N層、I層和P層。取出樣品，採用無水乙醇及去離子水各超聲清洗15min,而後用N2吹乾；
將襯底安裝在磁控濺射腔室的襯底靶上，關上腔室門後抽真空至2.(T9.0X10_4pa，關小主閥，調節工作壓強為0.5?1.0pa,通入3(T80sccm純度為99.999%的Ar氣，挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，在射頻電源功率10(Tl50W下濺射2(Γ40分鐘，濺射厚度為3(T50nm，然後關閉射頻電源和Ar氣；
將關小的主閥開到最大，將磁控濺射腔室內的真空度抽至2.(T9.0X10_4pa，以去除濺射矽氧薄膜時殘留的氧。關小主閥，通入3(T80sCCm純度為99.999%的Ar氣，將襯底用擋板擋住，打開脈衝電源並調節功率至6(T74W，待功率穩定後，挪開襯底擋板，以純度為99.99%的金屬鋁靶為靶材，繼續在矽氧薄膜層上濺射一層Al膜，時間為2(T30s，濺射厚度為15?30nm，然後立即關閉脈衝電源並用擋板擋住襯底；
打開射頻電源，調節功率至10(Tl50W，待功率穩定後挪開襯底擋板，以高純石英靶為靶材，繼續在金屬Al膜上濺射2(T40min，濺射厚度為3(T50nm，關閉射頻電源和Ar氣，待分子慄冷卻後取出樣品；
將製備好的樣品放入RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T600°C快速退火20min，冷卻後取出；
利用三室等離子體增強氣相化學沉積(PECVD)鍍膜系統，在隧穿反射層上連續製備非晶娃電池N層、I層和P層。
【權利要求】
1.一種矽基薄膜疊層太陽電池隧穿反射層的製備方法，其特徵是:「採用已製備好的子電池基底，對其進行清洗處理；以高純石英靶為靶材，用射頻電源濺射一層矽氧薄膜；抽真空除氧後，以金屬鋁靶為靶材，在矽氧薄膜層上濺射一層鋁膜；以高純石英靶為靶材，再在金屬鋁膜上濺射一層矽氧薄膜；將製備好的薄膜放入快速退火爐中退火」。
2.根據權利要求1中所述的子電池基底，其特徵在於可以是基於玻璃襯底的非晶矽頂電池基底，也可以是基於柔性襯底的微晶娃底電池基底。
3.根據權利要求1中所述的矽氧薄膜，其特徵在於以高純石英靶為靶材，通過控制射頻功率、反應氣體流量及濺射時間，製備成3(T50nm厚的S1x(l〈x〈2)。
4.根據權利要求1中所述的鋁膜，其特徵在於先抽真空除去濺射腔室內殘留的氧氣，以金屬鋁靶為靶材，通過控制脈衝功率、反應氣體流量及濺射時間，製備成15?30nm厚的Al薄膜。
5.根據權利要求1中所述的退火，其特徵在於在RTP快速退火爐中，N2氣氛下50(T60(TC 快速退火 20min。
【文檔編號】H01L31/20GK104319295SQ201410681933
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】楊雯, 塗曄, 段良飛, 楊培志, 張力元 申請人:雲南師範大學