专利名称：改进非晶硅太阳能电池稳定性的方法
技术领域：
本发明属于太阳能光电材料领域，特别涉及到氢化非晶硅薄膜的生长技术。
技术背景太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一，薄膜太阳能电池代表 着光伏技术的发展趋势。基于硅薄膜的太阳能电池具有低成本，便于大面积集成制造的优点，但是其转换效率偏低。具有p-i-n结构的太阳能电池的光电转换的过程完全发生在由本征非晶 硅构成的i层之中，而p层和n层的作用是在相对厚的i层中建立内置电场，以便收集i层中 的光致载流子。非晶硅p-i-n型太阳能电池的稳定性，几乎完全取决于非掺杂的非晶硅i层的 稳定性。这类电池的初始光电转换效率随着i层厚度的增加而提高，但非晶硅电池所具有的 光致衰减也随i层厚度的增加而更为明显，特别是当p-i-n型太阳能电池的i层厚度超过300 纳米时，也就是说，转换效率和稳定性不易兼得，从而极大的限制了这类电池的应用。因为薄电池的转换效率通常比较低， 一个流行的解决这一问题的方法就是采用多结电池 技术，也就是将两个或更多个基于非晶硅的太阳能电池重叠在一起。但是采用这种多结电池 的技术具有诸多缺点，包括器件结构复杂、生产工序难以掌握、设备及生产成本偏高，所以很难被大规模的应用到太阳能发电中。所以很有必要寻求一种改善i层的稳定性的镀膜方法， 使其改进p-i-n型非晶硅太阳能电池的稳定性和转换效率。引起非晶硅光致衰退的主要原因是由于非晶硅中原子网络无序，有很多高度扭曲的易于 被打破的原子键，而这种键的断裂是引起电子缺陷密度在光照下增长的直接原因，其根本解 决办法是减少这种无序材料中的内压，也就是减少被高度扭曲的原子键的密度。通常的非晶 硅是使用PECVD，在200。C左右的温度下，使用氢气和硅烷的混合气体形成。由这种传统工艺形成的非晶硅所显示的极其明显的光致衰退，原因之一是当形成的薄膜 从较高的镀膜温度冷却到接近室温时，这个材料经历一个被称作玻璃相变的过程，使得原来 在沉积温度时比较松弛的硅键在接近室温时变得扭曲，使得这些硅键的能态增高而不稳定。 很容易被光产生的电子空穴复合时放出的能量而打断，形成悬浮键。悬浮键密度的增加使得 非晶硅太阳能电池的光电转换效率降低。发明内容基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的通过改进PECVD制成氢化非晶硅薄膜的 方法，从而改进氢化非晶硅薄膜的稳定性。本发明的进一步目的是，改善p-i-n型使用氢化非晶硅薄膜作为i层的薄膜太阳能电池的稳定性。为了达到上述目的，本发明采用了一种相对低温的非晶硅镀膜过程。在使用等离子体增强化学气相沉积法生成氢化非晶硅的过程中，基板的温度被保持在110T之下，最好在 80-100。C之问，并采用高浓度的原子氢减少薄膜生长过程中形成的原子结构和电子缺陷密度。 使用这种更接近室温下形成的非晶硅i层的太阳能电池，具有比通常在200°C左右沉积的光 伏器件明显减小的光致衰退。使用低温生长非晶硅的最大困难就是怎样避免高密度的电子缺陷的形成，因为在低温下 硅薄膜生长的前期物质在膜的表面具有较低的迁移性，不利于形成最佳的硅键。所以，如果 连续形成这种材料就必须提供大量的原子氢，使得生长表面被氢覆盖，从而改善前期物质的 迁移性。另一种可行的办法是所谓的化学退火方法。
具体实施方式
在制造一个基于氢化非晶硅的p-i-n型光伏元件时，非掺杂的氢化非晶硅i层的形成是在 不超过110°C的温度下，使用包含氢气和硅垸的源气体混合物，用具有平行电极的等离子体 增强化学气相沉积法生成，且其厚度不超过400纳米，氢的原子浓度不超过18%。所述氢化 非晶硅i层生成过程中使用的氢气对硅烷的比例不小于30: 1,最好不小于50: 1，且基板温 度最好保持在80-100。C之间，且其沉积速率不高于6纳米/分，最好不高于4纳米/分。等离 子体的产生使用极高频率(VHF)的PECVD过程，这样等离子比较柔和，对所生长的硅薄 膜有较小的损坏。在上述i层生长过程中，在使用等离子体增强化学气相沉积法生成氢化非晶硅的过程中， 也可采用化学退火的处理方法。2—6纳米厚硅膜的生长和氢气等离子体的处理交替进行，使 得氢化硅材料的原子结构得到充分的重建和松动，并降低电子缺陷密度。实际上等离子体产 生的原子氢可以深入到硅表层下5纳米，所以表层下的原子组织也可有效的得到原子氢的退 火处理。具体做法是，每生长几纳米厚的非晶硅材料后就中断薄膜生长，而转用含纯氢的能 量较低的等离子体来处理刚刚镀好的非晶硅薄膜。含纯氢的等离子体的作用并不是要将硅的 原子从表面上蚀刻掉，而是依靠氢原子渗入到硅结构之中，促进硅与硅化学键的重新组合优 化，使得原子结构更为放松，减少局部应力。这样就避免了以后导致缺陷产生的基于原子结 构上的诱因。当然在使用氢等离子体进行化学退火时，惰性气体也可被加入氢气之中。
权利要求
1. 一个p-i-n型光伏元件，它由基于宽带隙的非晶硅合金构成的硼掺杂的p层，非掺杂的氢化非晶硅i层和基于氢化硅的磷掺杂的n层组成，其特征在于所述氢化非晶硅i层是在不超过110℃的温度下，使用包含氢气和硅烷的源气体混合物，用具有平行电极的等离子体增强化学气相沉积法生成，且其厚度不超过400纳米，氢的原子浓度不超过18％。
2、 根据权利要求1所述的p-i-n型光伏元件，其特征在于所述氢化非晶硅i层生成过 程中使用的氢气对硅烷的比例不小于30: 1，基板温度在80-IOOT之间，且其沉积速率不高 于6纳米/分。
全文摘要
本发明公开了一种改进非晶硅太阳能电池稳定性的方法。在使用等离子体增强化学气相沉积法生成氢化非晶硅的过程中，基板的温度被保持在110℃之下，并采用高浓度的原子氢减少薄膜生长过程中形成的原子结构和电子缺陷密度。使用这种更接近室温下形成的非晶硅i层的太阳能电池，具有比通常在200℃左右沉积的光伏器件明显减小的光致衰退。
文档编号H01L31/075GK101246925SQ20071000498
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者李沅民, 昕 马 申请人:北京行者多媒体科技有限公司