专利名称：一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制作方法
一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池方法
技术领域：
本发明涉及硅基薄膜太阳能电池的制备工艺，特别是一种吸收层为微晶硅锗薄膜的硅基薄膜太阳电池的结构设计及其制备方法。背景技术：
硅薄膜太阳电池中，微晶硅薄膜太阳电池因其具有高转换效率和高稳定性而倍受光伏产业界的青睐。而最新发展的微晶硅锗材料相比微晶硅材料来说，具有更大的潜力和优势。首先微晶硅锗的吸收系数比微晶硅的要高1-2个数量级，利用微晶硅锗材料中锗的高吸收系数的作用可以极大的减少太阳电池本征吸收层的厚度，缩短制备时间，降低了工业化的生产成本；其次微晶硅材料的带隙为1. leV，而微晶锗的带隙仅有0. 66eV，通过调节微晶硅锗材料中硅锗含量的配比，硅锗材料的带隙可以在1. IeV-O. 66eV的范围内连续可调，扩展了吸收光谱的范围，因此使用微晶硅锗材料可大大提高太阳电池的效率。利用其长波响应好的特点，将其应用到硅基薄膜叠层电池的底电池中去，将会到达比微晶硅更好的效果。
微晶硅锗薄膜电池由于锗的掺入使带隙降低，在产生较高的短路电流密度的同时，也会带来开路电压的下降。与此同时，在微晶硅锗薄膜电池本征层的制备过程中，等离子体中的H原子存在优先与Si键合的问题，使得薄膜中与Si和Ge近邻的结构不一致，结构有序度不均勻，缺陷态增加，特别是在高锗含量薄膜中更容易出现大量的缺陷态，这都影响了微晶硅锗薄膜电池的转化效率。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池及其制备工艺，该微晶硅锗薄膜电池结构新颖，工艺简单、易于操作、可以有效的优化电池的结构特性，提高本征层的器件质量，在保证微晶硅锗薄膜太阳电池高短路电流的同时，提高电池的开路电压和填充因子，从而提高了器件性能。
本发明的技术方案
一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，包括透明衬底、透明导电薄膜、P型窗口层、本征吸收层、N+层、背反射电极和金属电极，所述本征吸收层具有带隙梯度结构，带隙梯度为纵向分布，带隙范围为1. 1-0. 66eV，具有带隙梯度本征吸收层的薄膜层数为2-5层，每一层薄膜厚度为50-500nm，相邻两层薄膜带隙的变化幅度为0. 1-0. 3eV0
所述纵向分布的带隙梯度为带隙逐渐升高的分布或带隙逐渐降低的分布。
一种所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，采用化学气相沉积设备制备，步骤如下
1)将镀有透明导电膜的玻璃衬底放在真空反应室内，本底真空高于2 X IO-4Pa,首先制备P型窗口层；
2)在向真空反应室通入反应气体硅烷、锗烷和氢气的条件下，通过改变气体流量、气体压强、衬底温度和辉光功率，连续沉积带隙范围为1. 1-0. 66eV的微晶硅锗薄膜，形成具有带隙梯度的微晶硅锗薄膜电池本征吸收层；
3)然后依次制备N+层、背反射电极和金属电极，形成微晶硅锗薄膜太阳电池。
所述化学气相沉积设备包括射频等离子增强化学气相沉积设备、甚高频等离子体增强化学气相沉积设备、热丝化学气相沉积设备和等离子体反应热化学气相沉积设备。
所述带有透明导电膜的玻璃衬底的厚度为1-3毫米，玻璃衬底上镀的透明导电薄膜为ZnO膜、SnO2膜或SnO2-ZnO复合膜。
所述P型窗口层为P型微晶硅材料或P型微晶硅锗材料。
所述反应气体中硅烷、锗烷和氢气的流量为硅烷2-20SCCm、锗烷0_5. Osccm、氢气 200-500sccm。
所述沉积本征吸收层的工艺参数为辉光激励频率13. 56MHz-100MHz ；功率 IO-IOOff ；反应气体压强l-3torr ；衬底温度150°C _250°C。
本发明的优点和积极效果该微晶硅锗薄膜太阳电池吸收本征层采用新型的带隙梯度结构，其中，可以利用低缺陷态密度的微晶硅材料作为起始层，诱导生长出高质量的微晶硅锗材料；可以利用不同带隙的微晶硅锗材料去吸收不同能量的光子，以此减少电池的热损失，也可以利用其存在的能级差，优化电池的内建电场，有利于光生载流子的收集；综合以上有利因素，在不同带隙材料的组合下得到不同本征层结构，与恒定带隙的微晶硅锗薄膜电池相比，可以有效提高材料质量，优化器件结构，达到提高电池效率的目的。该微晶硅锗薄膜电池结构新颖，工艺简单、易于操作、可以有效的优化电池的结构特性，提高本征层的器件质量，在保证微晶硅锗薄膜太阳电池高短路电流的同时，提高电池的开路电压和填充因子，从而提高了器件性能。
图1为该微晶硅锗薄膜太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。
实施例1
一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，如附图所示，包括透明衬底、透明导电薄膜、P型窗口层、本征吸收层、N+层、背反射电极和金属电极，透明导电薄膜为ZnO膜，背反射电极为掺硼氧化锌，金属电极为银，本征吸收层具有三个带隙梯度，其带隙沿本征吸收层纵向分布为带隙逐渐降低。
该硅锗薄膜太阳电池的制备方法，采用射频等离子增强化学气相沉积设备制备， 辉光激励频率13. 56MHz，包括下述步骤
1)将带有透明导电膜的玻璃衬底放在真空室内，本底真空高于2X 10_4Pa，首先制备30nm的P型微晶硅作为P型窗口层；
2)向真空反应室通入的气体流量分别为388SCCm氢气、Ikccm硅烷和Osccm锗烷，功率为50W，气压为3torr，衬底表面温度为200°C，首先沉积200nm带隙为1. IeV的微晶硅薄膜；
3)在不断辉的情况下，将气体流量改为388sccm氢气、10. 2sccm硅烷和1. 8sccm 锗烷，衬底功率改为60W，其余制备条件都不变，再沉积300nm带隙为0. 9eV的微晶硅锗薄膜；
4)在不断辉的情况下，将气体流量改为388sccm氢气和7. 8sccm硅烷和4. 2sccm 锗烷，衬底功率改为80W，其余制备条件都不变，再沉积厚度为500nm带隙为0. SeV的微晶硅锗薄膜；
5)随后制备一层30nm的N型微晶硅作为N+层；
6)将制品放入MOCVD设备，通过MOCVD方法制备出的掺硼氧化锌薄膜作为背反射电极；
7)将样品放入热蒸发设备，通过蒸发的方法制备出Ag电极，作为金属电极，形成吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池。
该硅锗薄膜太阳电池与带隙为恒定0. SeV微晶硅锗电池相比，转换效率从4. 2% 提高到了 6. 1%。
实施例2:
一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，结构同实施例1，透明导电薄膜为SnO2膜，背反射电极为掺硼氧化锌，金属电极为铝，本征吸收层具有四个带隙梯度，其带隙沿本征吸收层纵向分布为带隙逐渐升高。
该硅锗薄膜太阳电池的制备方法，采用甚高频等离子体增强化学气相沉积设备， 辉光激励频率70MHz，包括下述步骤
1)将带有透明导电膜的玻璃衬底放在真空室内，本底真空高于2X10_4Pa，首先制备30nm的P型微晶硅锗作为P型窗口层；
2)向真空反应室通入的气体流量分别为121SCCm氢气、3SCCm硅烷和Isccm锗烷， 功率为12W，气压为1. 5torr，衬底温度为220°C，首先沉积400nm带隙为0. 8eV的微晶硅锗薄膜；
3)在不断辉的情况下，将气体流量改为119SCCm氢气、5. Isccm硅烷和0. 9Sccm锗烷，衬底温度改为210°C，其余制备条件都不变的情况下，再沉积300nm带隙为0. 9eV的微晶硅锗薄膜；
4)在不断辉的情况下，将气体流量改为117. 5sccm氢气、6. 75sccm硅烷和0.75sCCm锗烷，衬底温度改为200°C，其余制备条件都不变的情况下，再沉积200nm带隙为1.OeV的微晶硅锗薄膜；
5)在不断辉的情况下，将气体流量改为116SCCm氢气、9SCCm硅烷和Osccm锗烷， 衬底温度改为180°C，其余制备条件都不变的情况下，再沉积IOOnm带隙为1. IeV的微晶硅薄膜；
6)随后制备一层30nm的N型微晶硅作为N+层；
7)将制品放入MOCVD设备，通过MOCVD方法制备出的掺硼氧化锌薄膜作为背反射电极；
8)将样品放入热蒸发设备，通过蒸发的方法制备出铝电极，作为金属电极，形成具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池。权利要求
1.一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，其特征在于包括透明衬底、透明导电薄膜、P型窗口层、本征吸收层、N+层、背反射电极和金属电极，所述本征吸收层具有带隙梯度结构，带隙梯度为纵向分布，带隙范围为1. 1-0. 66eV，具有带隙梯度本征吸收层的薄膜层数为2-5层，每一层薄膜厚度为50-500nm，相邻两层薄膜带隙的变化幅度为 0. 1-0. 3eVo
2.根据权利要求1所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，其特征在于所述纵向分布的带隙梯度为带隙逐渐升高的分布或带隙逐渐降低的分布。
3.—种如权利要求1所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于采用化学气相沉积设备制备，步骤如下1)将镀有透明导电膜的玻璃衬底放在真空反应室内，本底真空高于2X10_4Pa，首先制备P型窗口层；2)在向真空反应室通入反应气体硅烷、锗烷和氢气的条件下，通过改变气体流量、气体压强、衬底温度和辉光功率，连续沉积带隙范围为1. 1-0. 66eV的微晶硅锗薄膜，形成具有带隙梯度的微晶硅锗薄膜电池本征吸收层；3)然后依次制备N+层、背反射电极和金属电极，形成微晶硅锗薄膜太阳电池。
4.根据权利要求3所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述化学气相沉积设备包括射频等离子增强化学气相沉积设备、甚高频等离子体增强化学气相沉积设备、热丝化学气相沉积设备和等离子体反应热化学气相沉积设备。
5.根据权利要求3所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述带有透明导电膜的玻璃衬底的厚度为1-3毫米，玻璃衬底上镀的透明导电薄膜为ZnO膜、SnO2膜或SnO2-ZnO复合膜。
6.根据权利要求3所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述P型窗口层为P型微晶硅材料或P型微晶硅锗材料。
7.根据权利要求3所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述反应气体中硅烷、锗烷和氢气的流量为硅烷2-20sCCm、锗烷 0-5. Osccm、氢气 200-500sccmo
8.根据权利要求3所述吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于所述沉积本征吸收层的工艺参数为辉光激励频率13. 56MHz-100MHz ；功率10-100W ；反应气体压强l_3torr ；衬底温度150°C _250°C。
全文摘要
一种吸收层具有带隙梯度结构的微晶硅锗薄膜太阳电池，包括透明衬底、透明导电薄膜、P型窗口层、本征吸收层、N+层、背反射电极和金属电极，所述本征吸收层具有带隙梯度结构，薄膜层数为2-5层，薄膜厚度为50-500nm，相邻两层薄膜带隙的变化幅度为0.1-0.3eV；其制备方法是通过改变气体流量、气体压强、衬底温度和辉光功率，连续沉积不同带隙的微晶硅锗薄膜，形成具有带隙梯度的本征吸收层。本发明的优点是该微晶硅锗薄膜电池结构新颖，工艺简单、易于操作、可以有效的优化电池的结构特性，提高本征层的器件质量，在保证微晶硅锗薄膜太阳电池高短路电流的同时，提高电池的开路电压和填充因子，从而提高了器件性能。
文档编号H01L31/18GK102522447SQ20111043444
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者倪牮, 张建军, 曹宇, 李天微, 耿新华, 赵颖, 黄振华 申请人:南开大学