非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池p型层的制备方法及用途
【专利摘要】本发明公开了一种非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池P型层的制备方法及用途。该方法是采用RF-PECVD沉积制备顶电池的P型层，反应气体为氢气、硅烷、硼烷，沉积时氢气、硅烷与硼烷的气体流量体积比例保持在150～200：1：3～8，其中，硼烷为硼烷体积浓度为0.5%的硼烷氢气混合气体，气压为160～220Pa，制备温度在100℃以内，腔室内功率密度在300mW/cm2以上；该P型层带隙宽度在2.0eV以上。该P型层使得顶电池获得更高的开路电压并适当降低其短路电流密度，使顶电池在双结及三结电池各子电池中产生的短路电流最低，从而形成“顶电池电流限制”效应，以有效地提高各子电池之间的电流匹配及整体电池的填充因子，从而提高双结及三结非晶硅锗薄膜电池的光电转换效率。
【专利说明】非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池 P型层的制备方法及用途
【技术领域】
[0001] 本发明属于硅基薄膜太阳电池领域，涉及一种非晶硅锗薄膜太阳电池；具体来说， 涉及一种用于双结及三结非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池的新型P层的制备方法及用途。
【背景技术】
[0002] 在各种薄膜电池中，非晶硅（a_Si:H)薄膜太阳电池是开发最早、研究最多的薄 膜电池。由于非晶硅薄膜材料本身带隙较宽，对太阳光谱中长波光吸收不充分，限制了电 池效率的进一步提高。为了拓宽对太阳光谱的有效吸收范围，人们将带隙宽度较低并且 连续可调的非晶硅锗（a-SiGe:H)材料应用到电池中，提出了非晶硅/非晶硅锗（a_Si:H/ a-SiGe:Η)双结薄膜太阳电池以及非晶硅/非晶硅锗/非晶硅锗（a-Si :H /a-SiGe:H/ a-SiGe:H)三结薄膜太阳电池的设计。双结及三结非晶硅锗薄膜太阳电池可以有效的拓宽 电池对太阳光谱的有效吸收范围，顶电池非晶硅子电池带隙最宽，其吸收短波长能量较高 的光，中间电池及底电池依次吸收长波长处能量较低的光。
[0003] 由于各子电池之间的串联的结构，电池最终的电流输出由产生电流最小的那个子 电池决定，因此各子电池之间的电流匹配就显得十分重要，在制备双结及三结非晶硅锗电 池时，存在的问题主要是太阳光主要被顶电池吸收，剩余被中间电池及底电池有效吸收的 光不足，从而造成顶电池电流较高，而中电池及底电池电流较低，最终限制了总的电流输 出。如果一味降低顶电池的厚度，则容易造成顶电池的开路电压降低，从而导致电池总的电 压下降，影响电池光电转换效率提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种应用于双结及三结非晶硅锗薄膜 太阳电池顶电池的新型P层，在制备双结及三结非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池的P层时，相 比于底电池和中间子电池的P层，采用更高的氢稀释比例、更高的功率和气压以及较低的 沉积温度，沉积形成带隙宽度更高的P型纳米硅层。从而，使得制备的顶电池获得更高的开 路电压并适度降低其短路电流密度，使顶电池在双结及三结电池各子电池中产生的短路电 流最低，从而形成"顶电池电流限制"效应，这样的设计能有效地提高各子电池之间的电流 匹配及整体电池的填充因子，从而提高双结及三结非晶硅锗薄膜电池的光电转换效率。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供了一种非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池P型层的制备 方法，该方法是采用等离子增强化学气相沉积（RF-PECVD)方法沉积制备顶电池的P型掺杂 层，反应气体为氢气、娃烧、硼烧，制备温度在1 〇〇 °c以内，沉积时氢气、娃烧与硼烧的气体流 量体积比例保持在150?200 :1 :3?8,其中，硼烷为以氢气稀释，体积浓度为0. 5%的硼 烷氢气混合气体；腔室内气压保持在160-220 Pa,腔室内功率密度在300 mW/cm2以上；所 述的P型掺杂层带隙宽度在2.0 eV以上。所述功率密度越高，在一定范围内，薄膜生长速 率越快，成膜质量会相应降低，同时伴随腔室内黄粉等污染增多，因此并不是越高越好的趋 势；但为了制备出本发明所要求的P型层，应保持在300 mW/cm2以上。另外，带隙宽度在2.0 eV以上，已经是一个非常高的值，且由于材料本身特性所限，该带隙宽度值并不能随意继续 增大。
[0006] 上述的制备方法，其中，所述的制备温度为70?80 °C。
[0007] 上述的制备方法，其中，沉积时腔室内气压保持在200 Pa (2.0 mbar)。
[0008] 上述的制备方法，其中，所述的P型掺杂层厚度为15?30nm。
[0009] 本发明还提供了一种上述方法制备的P型层，其中，该P型掺杂层带隙宽度在2. 0 eV以上，厚度为15?30nm。 本发明还提供了一种上述的制备方法制备的P型层的用途，该P型层能用于双结及三 结非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池。
[0010] 本发明还提供了一种双结非晶硅锗薄膜太阳电池，其由依次从下向上设置的衬 底、背电极、底电池、顶电池及前电极构成，其中，顶电池由N型掺杂层、非晶硅本征吸收层 及P型掺杂层构成，该顶电池的P型掺杂层是由上述的制备方法制成的。
[0011] 本发明还提供了一种三结非晶硅锗薄膜太阳电池，其由依次从下向上设置的衬 底、背电极、底电池、中间电池、顶电池及前电极构成，其中，顶电池由N型掺杂层、非晶硅本 征吸收层及P型掺杂层构成，其中，该顶电池的P型掺杂层是由上述的制备方法制成的。
[0012] 本发明的工作原理：相比较中间子电池及底层子电池的P层，采用更高的氢稀释 比例、更高的功率和气压以及较低的沉积温度，沉积形成带隙宽度更高的P型纳米硅层，将 其应用于顶电池中，原先一部分被P层吸收的高能量光子可以透过这种带隙更高的P层，被 顶电池本征层有效吸收产生电子空穴对，因此即使顶电池厚度保持在较低的水平，也能产 生需要的电流值。顶电池厚度较低，可以让更多的光入射至中间子电池及底电池，使得下面 的子电池产生足够的电流，形成"顶电池电流限制效应"，这种设计可以使得双结及三结电 池的电流值达到最优，同时，宽带隙的P层还可以进一步提高顶电池的开路电压，从而提高 电池总体的开路电压。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明的方法制备的这种带隙宽度更高的顶电池 P型掺 杂层可以使得顶电池的电流保持在较低水平，形成顶电池电流限制效应，优化双结及三结 电池的电流匹配，同时提高电池整体的开路电压，同时，由于各子电池之间的优化，电池的 填充因子也会上升，从而提高双结及三结非晶硅锗薄膜电池的光电转换效率。
【具体实施方式】
[0014] 以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。
[0015] 实施例1 以25 mm厚的柔性聚酰亚胺为衬底，采用等离子体辅助化学气相沉积方法（PECVD，工 作频率为13. 56 MHz)，在具有Ag/ZnO复合背反射层的衬底上沉积N-I-P结构的双结非晶硅 锗薄膜（a-Si :H/a-SiGe:H)，其中N层反应气体为氢气、硅烷、磷烷，厚度约为50 nm;I层反 应气体为氢气、硅烷及锗烷，厚度约为200?300 nm ;P层反应气体为氢气、硅烷、硼烷，厚度 约为15?30 nm。采用磁控溅射方法(工作频率为13. 56 MHz)沉积相同的ITO (铟锡氧化 物）薄膜作为前电极，厚度约为70 nm。
[0016] 以上结构的非晶硅锗薄膜电池在本征层的沉积过程中均采用了 V型渐变带隙结 构。电池在25°C，AM 0太阳光谱（1353 W/m2)下进行太阳电池输出特性测试。
[0017] 分别制备了普通的非晶硅（a-Si)P型层以及不同工艺条件的纳米硅（nc-Si:H)P 型层作为双结非晶硅锗薄膜电池顶电池的P层，具体参数如表1所示，对应电池的I-V性能 如表2所示。从微观尺度上，所有硅基薄膜电池的各个膜层都是纳米结构的，为了区别于普 通的非晶硅以及微晶硅，研究人员特意将这种宽带隙的P层称为"纳米硅"（nc-Si:H)，以区 别于普通掺杂的P型非晶硅。
[0018] 现有技术中，典型非晶结构的P层采用与N型层相似的沉积条件，应用到电池中由 于顶电池带隙宽度的限制导致电池开路电压和填充因子都相对较低，两子电池(顶电池、底 电池)电流的匹配较差导致短路电流密度很低，目前已很少使用。采用非晶硅单结电池中所 通常使用的P型层条件，即表1中nc-Si :H-1条件，电池样品B的开路电压和填充因子都大 幅提升，这一改进已经普遍地应用在硅基薄膜太阳电池的工艺制备中。在此基础上，采用优 化后的新纳米P层条件，即nc-Si :H-2条件，制备的双结非晶硅锗薄膜电池样品C的开路电 压和填充因子进一步提高，优化的各子电池电流匹配也使得其短路电流密度得到提升，从 而使得制备的电池光电转换效率得到进一步提高。这一实验结果表明，新型的P型掺杂层 相比较已经普遍采用的P型层，更适合应用于双结电池的顶电池当中。
[0019] 表1不同结构的顶电池 P层制备参数
【权利要求】
1. 一种非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池P型层的制备方法，其特征在于，该方法是采用 等离子增强化学气相沉积法，沉积制备顶电池的P型层，反应气体为氢气、硅烷、硼烷，制 备温度在l〇〇°C以内，沉积时氢气、硅烷与硼烷的气体流量体积比例保持在150?200 :1 : 3?8,其中，硼烷为以氢气稀释，体积浓度为0. 5%的硼烷氢气混合气体；腔室内气压保持在 160-220 Pa，腔室内功率密度在300 mW/cm2以上；所述的P型层带隙宽度在2. 0 eV以上。
2. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的制备温度为70?80 °C。
3. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，沉积时腔室内气压保持在200 Pa。
4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的P型层厚度为15?30nm。
5. -种采用权利要求1的制备方法制备的P型层，其特征在于，该P型层带隙宽度在 2. 0 eV以上，厚度为15?30nm。
6. -种采用权利要求1的制备方法制备的P型层的用途，其特征在于，该P型层能用于 双结及三结非晶硅锗薄膜太阳电池顶电池。
7. -种双结非晶硅锗薄膜太阳电池，其由依次从下向上设置的衬底、背电极、底电池、 顶电池及前电极构成，其中，顶电池由N型掺杂层、非晶硅本征吸收层及P型掺杂层构成，其 特征在于，该顶电池的P型掺杂层是由权利要求1的制备方法制成的P型层。
8. -种三结非晶硅锗薄膜太阳电池，其由依次从下向上设置的衬底、背电极、底电池、 中间电池、顶电池及前电极构成，其中，顶电池由N型掺杂层、非晶硅本征吸收层及P型掺杂 层构成，其特征在于，该顶电池的P型掺杂层是由权利要求1的制备方法制成的P型层。
【文档编号】H01L31/076GK104393120SQ201410556353
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】杨君坤, 刘成, 徐正军, 段波涛, 叶晓军 申请人:上海空间电源研究所