高速沉積微晶矽太陽電池p/i界面的處理方法
2023-09-17 10:42:35
專利名稱：高速沉積微晶矽太陽電池p/i界面的處理方法
高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法
技術領域：
本發明涉及矽基薄膜太陽電池製備工藝，尤其是一種有助於提高高速沉積微 晶矽太陽電池效率的微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法。背景技術：
矽基薄膜太陽電池中，微晶矽(化-Si:H)薄膜太陽電池因其具有高轉換效率 和高穩定性備受光伏產業界的青睞。微晶矽Si:H)是一種間接帶隙半導體材 料，光學帶隙為l.leV左右，為了充分的吸收太陽光需要薄膜厚度大於lum。因 此提高生長速率對於微晶矽薄膜光伏電池生產成本的降低至關重要。很多研究結果表明超高頻等離子體增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)結合高 反應氣壓是高速生長微晶矽薄膜的有效方法，(參見T. Matsui, M. Kondo， A. Matsuda， Proceedings 3rd World Conference Photovoltaic on Solar Energy Conversion, 2003， p. 1570禾卩U. Graf, J. Meier, U. Kroll, et al. Thin Solid Films 427 (2003) 37.)，而高的壓力下需要高功率分解氣體來提高生長速率，產生的高能離 子對薄膜表面的轟擊會形成缺陷並抑制晶化生長。PIN型微晶矽太陽電池的基本 結構是"玻璃/透明導電薄膜/P型微晶矽(20nm左右)/1型(本徵)微晶矽(1.5pm 左右)/N型非晶矽(30nm左右)/背反射電極"，如果沉積I層時離子轟擊作用 較強就會使P/I界面處具有較高的缺陷態，這樣就會影響光生載流子的收集，從而 降低電池性能；另外，I層的生長具有縱向結構不均勻性，即隨厚度增加材料的晶 化程度增加，如果初始非晶孵化層較厚，薄膜的縱向均勻性較差，也會影響光生 載流子的收集降低電池性能。因此，對於離子轟擊作用較強的高速沉積本徵(I 型)微晶矽薄膜來說，降低P/I界面缺陷態密度和降低非晶孵化層厚度成為提高電 池性能的重要因素。在P/I界面引入沒有離子轟擊作用的熱絲法緩衝層(HW-Buffer)可以改善P/I 界面特性，即降低界面處缺陷態，改善載流子的輸運特性，(參見Y.Mai，S. Klein, R. Carius， and H. Stiebig， X. Geng， F. Finger. APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 073503 (2005))。但這又要引入另一種沉積技術熱絲化學氣相沉積(HW-CVD)，
為工業化生產帶來不便。
發明內容本發明目的是提供一種能夠提高高速沉積微晶矽電池效率的微晶矽太陽電池 P/I界面的處理方法，該方法能夠克服高速沉積微晶矽電池時高能離子對薄膜表面 的轟擊而增加P/I界面缺陷態和非晶孵化層厚度的問題。本發明為實現上述目的，設計了一種高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理 方法，首先利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積方法，控制輝光功率和矽烷濃 度，採用第一沉積速率在P層上沉積第一本徵微晶矽薄膜層；然後在等離子體輝 光不滅的情況下，調節輝光功率和矽垸濃度，釆用第二沉積速率在第一本徵本徵 微晶矽薄膜上生長形成第二本徵微晶矽薄膜層。在本徵微晶矽薄膜的沉積過程中， 通過調節輝光功率和矽烷濃度產生第一沉積速率和第二沉積速率，所述的第一沉 積速率小於所述的第二沉積速率。本發明有益效果是本發明首先通過採用較低的輝光功率和較小的矽垸濃度 在P層上沉積，以獲得具有較低缺陷態密度和較高晶化率的本徵微晶矽薄膜層。 在此階段的沉積過程中，較低的輝光功率可減少對P/I界面的離子轟擊，有利於減 少界面態；較小的矽烷濃度可以提高初始晶化率，有利於減小孵化層並對高速生 長的微晶矽薄膜起到籽晶層的作用，進而提高電池效率。此外，在其它工藝條件相同的情況下，提高本徵微晶矽薄膜的生長速率是通 過提高功率和矽烷濃度得到的，即在等離子體輝光不滅的情況下，只改變矽烷濃 度和輝光功率達到採用第二沉積速率在第一本徵微晶矽薄膜上生長形成第二本徵 微晶矽薄膜層，方法簡單便於操作，適合於工業化生產。
圖1為本發明高速沉積微晶矽太陽電池P/1界面處理方法的流程圖； 圖2為本發明微晶矽電池的J-V參數隨低速界面層厚度的變化曲線。
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。在高速沉積微晶矽太陽電池中，在P層和I層之間低速沉積約100nm厚的本 徵微晶矽薄膜緩衝層能夠提高電池的效率。本發明提供了一種高速沉積微晶矽太 陽電池P/I界面間沉積本徵微晶矽薄膜的方法，該方法主要是在P層上先低速沉積 本徵微晶矽薄膜，然後在等離子體輝光不滅的情況下，改變矽垸濃度和輝光功率 來高速生長本徵微晶矽薄膜。在其它工藝條件相同的情況下，提高本徵微晶矽薄膜的生長速率是通過提高 功率和矽垸濃度得到的。在本徵微晶矽薄膜的沉積過程中，通過調節輝光功率和 矽烷濃度產生第一沉積速率和第二沉積速率，在本發明的實施例中，所述的第一 沉積速率小於所述的第二沉積速率。請參考圖1所示，本發明高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法具體為步驟1、利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積VHF-PECVD方法，控制輝 光功率和矽烷濃度，採用第一沉積速率在P層上沉積第一本徵微晶矽薄膜層(低 速界面層)。在本步驟1中，所述的輝光功率小於第二本徵微晶矽薄膜的輝光功率；在本步驟1中，所述的矽烷濃度小於第二本徵微晶矽薄膜的矽烷濃度；所述的第一沉積速率小於第二沉積速率；所述的第一本徵微晶矽薄膜層厚度範圍為50 nm 100nm;所述的第一本徵微晶矽薄膜層具有低缺陷高晶化的特點，在本發明中，使用 該第一沉積速率在P層上沉積的第一本徵微晶矽薄膜層的缺陷率a (0.8eV) <2cm-l，晶化率Xc 600/。。步驟2、在等離子體輝光不滅的情況下，調節輝光功率和矽烷濃度，採用第 二沉積速率在第一本徵本徵微晶矽薄膜上生長形成第二本徵微晶矽薄膜層。在本步驟2中，所述的第二本徵微晶矽薄膜層厚度範圍為1500nm 2000nm。請參考圖2所示，該圖2為微晶矽電池的J-V參數(電池的短路電流密度Jsc， 開路電壓Voc和填充因子FF)隨低速界面層厚度的變化曲線，其中該圖中的橫坐 標表示低速本徵微晶矽薄膜的厚度，本徵微晶矽薄膜層厚度為Onm表示沒有低速 本徵微晶矽薄膜層。可以看到加入低速界面層後，電池效率均有增加，隨低速界 面層厚度的增加，電池的效率先增加後減小，在低速界面厚度為50nm 100nm時， 電池效率與沒有低速界面層的相比提高了約一個百分點。根據圖2所示，下面介紹本發明的三個實施例 實施例1，本發明中較為優選的實施條件如下將襯底置於反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在1.6torr，電極距離為12mm。通電開始沉積，首先設定輝 光功率為25W，矽烷濃度為3%，在此條件下的第一沉積速率約為3人/s，保持該 第一沉積速率5分鐘30秒，約形成100nm低缺陷高晶化的第一本徵微晶矽薄膜 層；然後其他工藝條件不變的情況下，僅將輝光功率變為50W，矽烷濃度為5%， 在此條件下的第二沉積速率約為8.5人/s，保持該第二沉積速率27分鐘，約形成 1400nm第二本徵微晶矽薄膜層。從圖2中可以看出，具有100nm低缺陷高晶化 的低速界面層的電池效率與沒有低速界面層的相比提高了約一個百分點。實施例2，若只用第二沉積速率沉積本徵微晶矽薄膜，對應圖2中的本徵微 晶矽薄膜層厚度為Onm，即沒有低速本徵微晶矽薄膜層的實施條件如下將襯底 置於反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在1.6torr，電極距離為12mm。輝光功 率設定為50W,矽烷濃度為5%，在此條件下的沉積速率約為8.5人/s，保持該沉積 速率29分鐘(時間)，約形成1500nm (厚度)的本徵微晶矽薄膜層。從圖2中 可以看出，沒有低速本徵微晶矽薄膜層的電池效率相對於有低速本徵微晶矽薄膜 層的電池效率是最低的。實施例3，若採用第一沉積速率沉積的第一本徵微晶矽薄膜厚度較厚的實施 條件如下將襯底置於反應腔室中，反應腔室中的氣壓保持在1.6torr，電極距離 為12mm。通電開始沉積，首先設定輝光功率為25W，矽烷濃度為3%，在此條件 下的第一沉積速率約為3人/s，保持該第一沉積速率11分鐘，約形成200nm低缺 陷高晶化的第一本徵微晶矽薄膜層。然後其他工藝條件不變的情況下，僅將輝光 功率變為50W，矽烷濃度為5%，在此條件下的第二沉積速率約為8.5人/s，保持該 第二沉積速率25分鐘，約形成1300nm第二本徵微晶矽薄膜層。從圖2中可以看 出，200nm低缺陷高晶化低速界面層的電池效率比100nm低缺陷高晶化的本徵微 晶矽薄膜層的電池效率低。值得關注的是，本發明首先通過採用較低的輝光功率和較小的矽烷濃度，達 到用較低沉積速率在P層上沉積，以獲得具有較低缺陷態密度和較高晶化率的本 徵微晶矽薄膜層。在此階段的沉積過程中，較低的輝光功率可減少對P/I界面的離 子轟擊，有利於減少界面態；較小的矽烷濃度可以提高初始晶化率，有利於減小 孵化層並對高速生長的微晶矽薄膜起到籽晶層的作用。以上均可明顯改善P/I界面 特性和本徵微晶矽薄膜層結構的縱向均勻性，對於電池的短路電流密度Jsc，開路
電壓Voc和填充因子FF都有不同程度的提高，進而提高電池效率。此外，本發明在不斷輝的情況下，只改變矽烷濃度和輝光功率達到採用第二 沉積速率在第一本徵微晶矽薄膜上生長形成第二本徵微晶矽薄膜層，方法簡單便 於操作，適合於工業化生產。以上所述，僅為本發明在一定工藝條件下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、一種高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其特徵在於，包括以下步驟A、利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積方法，控制輝光功率和矽烷濃度，採用第一沉積速率在P層上沉積第一本徵微晶矽薄膜層；B、在等離子體輝光不滅的情況下，調節輝光功率和矽烷濃度，採用第二沉積速率在第一本徵本徵微晶矽薄膜上生長形成第二本徵微晶矽薄膜層。
2、 根據權利要求1所述的高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其 特徵在於所述的第一沉積速率小於所述的第二沉積速率。
3、 根據權利要求1所述的高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其 特徵在於所述第一本徵微晶矽薄膜層厚度範圍50nm 100nm。
4、 根據權利要求1所述的高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其 特徵在於所述第一本徵微晶矽薄膜層缺陷率a(0.8eV)60%。
5、 根據權利要求1所述的高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其 特徵在於所述第一本徵微晶矽薄膜的輝光功率和矽烷濃度均小於第二本徵微晶 矽薄膜的輝光功率和矽烷濃度。
6、 根據權利要求1所述的高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，其 特徵在於所述第二本徵微晶矽薄膜層厚度範圍為1500nm 2000nm。
全文摘要
本發明公開了一種高速沉積微晶矽太陽電池P/I界面的處理方法，首先利用超高頻等離子體增強化學氣相沉積方法，控制輝光功率和矽烷濃度，採用第一沉積速率在P層上沉積第一本徵微晶矽薄膜層；然後在等離子體輝光不滅的情況下，調節輝光功率和矽烷濃度，採用第二沉積速率在第一本徵本徵微晶矽薄膜上生長形成第二本徵微晶矽薄膜層，所述的第一沉積速率小於所述的第二沉積速率。本發明首先通過採用較低的輝光功率和較小的矽烷濃度，達到用較低沉積速率在P層上沉積，以獲得低缺陷態高晶化的本徵微晶矽薄膜層，進而提高電池效率。
文檔編號H01L31/18GK101159295SQ20071015022
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
發明者侯國付, 健 孫, 張德坤, 張曉丹, 耿新華, 穎 趙, 韓曉豔, 魏長春 申請人:南開大學