专利名称：一种全谱域叠层硅基薄膜太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅基薄膜太阳能电池的结构设计，特别是一种全谱域叠层硅基薄膜太
阳电池。技术背景
硅基薄膜太阳电池具有制造工艺简单、便于大面积连续化生产、节省原材料等优 势，目前已逐步走向产业化。为了扩展太阳光谱的响应范围、提高电池的光电转换效率和稳 定性，目前普遍采用具有不同带隙本征吸收层的多结叠层电池结构，首层、第二层和后续层 具有递减的带隙，每一层吸收的太阳光谱波长则不断递增。比较常见的有非晶硅-微晶硅 双结叠层、非晶硅_非晶硅锗_非晶硅锗和非晶硅_非晶硅锗_微晶硅三结叠层结构等。在 上述结构中，均采用窄带隙的微晶硅或者非晶硅锗材料作为底层电池，吸收太阳光谱中的 长波部分。 但是，无论是微晶硅材料还是非晶硅锗(锗含量为100%时，即为非晶锗材料)，其 最低理论带隙均为1. leV，因而无法吸收太阳光谱中波长大于1100nm的光子，造成一定的 光损失，限制了电池光电转换效率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，该 太阳电池结构新颖，能够拓展近红外区域的太阳电池光谱响应，最大限度地利用太阳光谱， 并且实现了叠层电池的最佳电流匹配，提高太阳电池效率。
本发明的技术方案 —种全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，由三个硅基薄膜太阳电池叠加沉积在衬底上 制成，其中第一个p-i-n是宽带隙硅基薄膜电池，薄膜材料为非晶硅、纳米晶硅、非晶硅碳 或非晶硅氧，带隙为(1.7 2.0)eV、厚度为(100 250)nm，第二个p-i-n电池是中间带隙 硅基薄膜太阳电池，薄膜材料为非晶硅锗或微晶硅，带隙为(1. 1 1. 6)eV、厚度为(200 2000)nm，第三个p-i-n电池是窄带隙硅基薄膜太阳电池，其采用硅、锗合金型窄带隙材料 作为吸收层，其中结晶成分占全部材料的体积百分比为30% 80% ;带隙为(0. 66 1. 1) eV、厚度为(1000 3000)nm。 所述硅、锗合金型窄带隙材料的制备方法为高压射频等离子体增强化学气相沉积 (RF-PECVD)、甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD) 或等离子体辅助反应热化学气相沉积法。 所述三个硅基薄膜太阳电池叠加沉积在衬底上的顺序为当衬底为玻璃或透明塑 料时，薄膜电池的沉积顺序为第一个p-i-n是宽带隙硅基薄膜电池、第二个p-i-n电池是中 间带隙硅基薄膜太阳电池和第三个p-i-n电池是窄带隙硅基薄膜太阳电池；当衬底为不锈 钢或不透明塑料时，薄膜电池的沉积顺序相反。 本发明的工作原理第三个p-i-n电池采用窄带隙材料作为多结叠层电池的底电池吸收层，该材料是具有一定程度结晶的硅、锗合金本征吸收层，结晶成分占全部材料的比 例为30% 80%，我们称之为微晶硅锗材料，通过调整材料中的锗含量，获得带隙宽度小 于1. leV的窄带隙材料，并且可以获得理论极限值为0. 66eV的微晶锗材料，利用这种带隙 小于1. leV的新型窄带隙材料，进一步吸收太阳光谱中波长大于1100nm的近红外区域。本 发明特别涉及一种硅、锗合金型窄带隙本征层，该本征层几乎可以吸收全部的太阳光谱，使 硅基薄膜太阳电池光谱响应扩展至近红外区域，从而提高太阳电池的光电转换效率。
本发明的有益效果是该太阳电池结构新颖，采用窄带隙材料作为多结叠层电 池的底电池吸收层，通过与其它硅基薄膜合金材料的组合，使不同吸收层材料的带隙为 2. OeV 0. 66eV，可以实现叠层电池的电流最佳匹配，拓展了硅基薄膜太阳电池在近红外 区域的光谱响应，实现硅基薄膜电池对太阳光谱300nm 1800nm的全谱域响应，更加充分 地利用了太阳光谱，提高了电池的光电转换效率。
图1是衬底为透明玻璃的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池结构示意图。 图2是衬底为不锈钢的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池结构示意图。 图中l.衬底 2.前电极 3.宽带隙电池的p型掺杂层pl 4.宽带隙本征吸收层il 5.宽带隙电池的n型掺杂层nl 6.中间带隙电池的p型掺杂层p2 7.中间带隙本征吸收层i2 8.中间带隙电池的n型掺杂层n2 9.窄带隙电池的p型掺杂层p3 10.窄带隙本征吸收层i3 11.窄带隙电池的n型掺杂层n3 12.背电极
具体实施方式
实施例1 : 图1是衬底为透明玻璃的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池结构示意图，图中包括玻 璃衬底1、前电极2和背电极12，其采用三结叠层的电池结构，其中第一个p-i-n电池3、4、 5是宽带隙硅基薄膜太阳电池，其中宽带隙本征吸收层il4采用带隙为1.8eV的宽带隙非晶 硅材料，厚度为150nm;第二个p-i-n电池6、7、8是中间带隙硅基薄膜太阳电池，其中中间 带隙本征吸收层i27采用带隙为1. 5eV的非晶硅锗材料，厚度为400nm ;第三个p-i-n电池 9、10、11是窄带隙硅基薄膜太阳电池，其中窄带隙本征吸收层i310采用带隙为0. 9eV的微 晶硅锗材料，厚度为1500nm。 该实施例中涉及的窄带隙微晶硅锗材料，采用等离子辅助反应热CVD技术制备， 即通过乙硅烷和氟化锗的化学反应在沉积温度为250 40(TC下制备。制得的微晶硅锗材 料晶化率(结晶成分占全部材料的体积比)在50% 60%之间，通过调整锗原子融入薄 膜的浓度，得到带隙为0. 9eV的微晶硅锗材料。检测结果显示引入窄带隙微晶硅锗材料 作为三结叠层太阳电池的底电池吸收层，可以使硅基薄膜太阳电池的光谱响应范围扩展到 1380nm，电池转换效率超过11%。
实施例2: 同样采用衬底为透明玻璃的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，如图1所示，与实施 例1不同之处在于第一个p-i-n电池3、4、5中，宽带隙本征吸收层il4采用带隙为1. 7eV的宽带隙非晶硅材料，厚度为200nm ;第二个p-i-n电池6、7、8中，中间带隙本征吸收层i27 采用带隙为1. leV的非晶硅锗材料，厚度为1500nm;第三个p-i-n电池9、10、H中，窄带隙 本征吸收层i310采用带隙为0. 8eV的微晶硅锗材料，厚度为2500nm。 该实施例中涉及的窄带隙微晶硅锗材料，采用甚高频等离子体增强化学气相沉积 (VHF-PECVD)技术制备，即硅烷、锗烷、氢气混合气体在沉积温度为(180 250)t:下制备， 气体体积流量百分比是硅烷占(1 5) %，锗烷占(0. 1 1) %，氢气为余量；制备得到的 微晶硅锗材料晶化率(结晶成分占全部材料的体积比)在40% 70%之间，通过调整锗原 子融入薄膜的浓度，得到带隙为0. 9eV的微晶硅锗材料。检测结果显示引入窄带隙微晶硅 锗材料作为三结叠层太阳电池的底电池吸收层，可以使硅基薄膜太阳电池的光谱响应范围 扩展到1550nm，电池转换效率超过12%。
实施例3 图2是衬底为不锈钢的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池结构示意图，图中包括不锈 钢衬底1、前电极2和背电极12，其采用三结叠层的电池结构，电池的沉积顺序和实施例1 相反，即首先沉积的第一个p-i-n电池9、10U1是窄带隙硅基薄膜太阳电池，其中窄带隙 本征吸收层i310采用带隙为0. 8eV的微晶硅锗材料，厚度为2500nm ;第二个p-i-n电池6、 7、8是中间带隙硅基薄膜太阳电池，其中中间带隙本征吸收层i27采用带隙为1. leV的微晶 硅材料，厚度为1500nm ;第三个p-i-n电池3、4、5是宽带隙硅基薄膜太阳电池，其中宽带隙 本征吸收层il4采用带隙为1. 7eV的非晶硅材料，厚度为200nm。
该实施例中涉及的窄带隙微晶硅锗材料的制备方法和实施例1中相同。
权利要求
一种全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，由三个硅基薄膜太阳电池叠加沉积在衬底上构成，其中第一个p-i-n是宽带隙硅基薄膜电池，薄膜材料为非晶硅、纳米晶硅、非晶硅碳或非晶硅氧，带隙为(1.7～2.0)eV、厚度为(100～250)nm，第二个p-i-n电池是中间带隙硅基薄膜太阳电池，薄膜材料为非晶硅锗或微晶硅，带隙为(1.1～1.6)eV、厚度为(200～2000)nm，其特征在于第三个p-i-n电池是窄带隙硅基薄膜太阳电池，其采用硅、锗合金型窄带隙材料作为吸收层，其中结晶成分占全部材料的体积百分比为30％～80％；带隙为(0.66～1.1)eV、厚度为(1000～3000)nm。
2. 根据权利要求3所述的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，其特征在于所述硅、锗合金型窄带隙材料的制备方法为高压射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)、甚高频等离 子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)或等离子体辅助反应热 化学气相沉积法。
3. 根据权利要求1所说的全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，其特征在于所述三个硅基 薄膜太阳电池叠加沉积在衬底上的顺序为当衬底为玻璃或透明塑料时，薄膜电池的沉积 顺序为第一个p-i-n是宽带隙硅基薄膜电池、第二个p-i-n电池是中间带隙硅基薄膜太阳 电池和第三个p-i-n电池是窄带隙硅基薄膜太阳电池；当衬底为不锈钢或不透明塑料时， 薄膜电池的沉积顺序相反。
全文摘要
一种全谱域叠层硅基薄膜太阳电池，由三个硅基薄膜太阳电池叠加沉积在衬底上制成，其中第一个p-i-n是宽带隙硅基薄膜电池，第二个p-i-n电池是中间带隙硅基薄膜太阳电池，第三个p-i-n电池是窄带隙硅基薄膜太阳电池，其采用硅、锗合金型窄带隙材料作为吸收层，带隙为(0.66～1.1)eV、厚度为(1000～3000)nm。本发明的优点是结构新颖，窄带隙材料采用硅、锗合金型，通过与其它硅基薄膜合金材料的组合，使不同吸收层材料的带隙为2.0eV～0.66eV，可实现叠层电池的电流最佳匹配，实现硅基薄膜电池对太阳光谱300nm～1800nm的全谱域响应，提高了电池的光电转换效率。
文档编号H01L31/028GK101777591SQ20091024520
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者倪牮, 张建军, 曹宇, 王先宝, 耿新华, 赵颖 申请人:南开大学