专利名称：用于a-Si单结和多结薄膜硅太阳能电池的改善的a-SiH吸收器层的利记博彩app
技术领域：
光伏装置或太阳能电池是将光转换为电功率的装置。薄膜太阳能电池对于低成本批量生产尤为重要，因为其允许使用廉价的基板(例如，玻璃)和具有100nm-2 μ m范围厚度的Si薄膜。沉积这种Si层最常用的方法之一是PECVD法。已知的所谓覆盖物构造的简单薄膜太阳能电池如图1所示。其通常包括透明玻璃基板I和沉积于玻璃上的透明导电氧化层3，即太阳能电池的前触点(或电极)(TC0-FC)。Si层沉积于TCO前触点层3上:首先是正掺杂Si层，即P-层5，然后是本征吸收器层(1-层)7和负掺杂η-层9。三个硅层5、7、9建立p-1-n结。Si层厚度的主要部分由i_层7占据且光电转换主要在此i_层7发生。也被称为后触点的另一 TCO层(TCO-BC) 11沉积在Si层5、7、9的顶部。TCO前触点和后触点层3、11可由氧化锌、氧化锡或ITO制成。白色反射器13通常施加在后触点层11之后。
过去几年已经研发出新概念的串联电池。串联电池允许较好地利用太阳能光谱并允许减少光致衰退。这基于其一沉积于另一个顶端的两个单结电池。在非微晶串联电池的情况下，顶部电池是a_Si电池而底部电池是微晶(mc-Si )娃电池，见图7。由此图7示出了一种现有技术-串联结薄膜硅光伏电池。厚度不是按比例绘制。a-Si电池主要吸收太阳能光谱的蓝光部分而微晶电池主要吸收太阳能光谱的红光部分。两结的串联连接也有助于减少对a-Si电池特有的光致衰退。定义
在本发明中“处理”包括作用于基板的任何化学、物理或机械作用。在本发明中“基板”是将要在发明的处理装置中要处理的组件、零件或工件。基板包括但不局限于具有矩形、正方形或圆形的平面板状零件。在优选实施例中，本发明着重于尺寸>lm2的基本平坦的基板，诸如薄玻璃片材。“真空处理”或“真空处理系统或装置”至少包括用于在低于环境大气压的压力下要处理的基板的封闭空间。“CVD”化学蒸汽沉积是一种公知的允许在加热的基板上沉积层的技术。将通常的液体或气体前体材料供给到加工系统，这里所述前体的热反应导致所述层的沉积。“LPCVD”是对于低压CVD的惯用术语。“DEZ”-二乙基锌是用于在真空处理设备中产生TCO层的前体材料。“ TCO ”表示透明导电氧化物，“ TCO层”因此是透明导电层。在CVD、LPCVD、等离子加强CVD (PECVD)或PVD (物理蒸汽沉积)的情况，对于在真空处理设备中沉积的膜，术语“层”、“涂层”、“沉积”和“膜”在本公开中可互换地使用，。
“太阳能电池”或“光伏电池”(PV电池)是能够通过光电效应直接将光(基本上是太阳光)转化为电能的电气组件。“薄膜太阳能电池”一般包括，在支撑基板上，由半导体化合物的薄膜沉积建立的P-1-n结，夹于两个电极或电极层之间。p-1-n结或薄膜光电转换单元包括夹于掺P和掺η半导体化合物层之间的本征半导体化合物层。术语“薄膜”表示所提及的层通过如PEVCD、CVD, PVD或类似工艺而被沉积为薄层或膜。薄层基本上指具有IOym或更小厚度的层，尤其是小于2μπι厚度的层。
背景技术：
图7示出了如本领域中已知的串联结硅薄膜太阳能电池。此薄膜太阳能电池50通常包括依次堆积在基板41上的第一或前端电极42、一个或更多半导体薄膜p-1-n结(52-54、51、44-46、43)以及第二或后端电极47。每个p_i_n结51、43或薄膜光电转换单元包括夹于P型层52、44与η型层54、46 (ρ型=正掺杂，η型=负掺杂)之间的i型层53、45。在此环境下的实际本征被理解为非掺杂或表现出基本上没有所产生的掺杂。光电转换主要在此i型层发生；因此它也被称为“吸收”层。根据i型层53、45的晶体分数(结晶度)，太阳能电池或光电(转换)装置的特征在于与相邻P层和η层的结晶度种类无关的非结晶(a-Si，53)或微晶(Pc_Si，45)太阳能电池。“微晶”层在本领域中普遍被理解为由大分数的晶体硅-所谓的微晶-在非晶矩阵中组成的层。P-1-n结的堆积被称为串联或三结光伏电池。非晶质和微晶p-1-n结的组合，如图7所示,也称为“非微晶(micromorph)”串联电池。技术问题
为了达到单结a-Si太阳能电池和串联太阳能电池的高稳定效率，需要优化决定电池效率的最重要的电池参数:电流密度Jsc、开路电压Voc和填充因数FF。另外，应当尽可能地减少光致衰退(LID)。对于大范围批量生产的太阳能电池而言，诸如层和电池的均匀性或沉积时间等额外因素也是不得不考虑的非常重要的因素。通常，可通过初始效率(通过改善一个或更多电池参数)或LID的复杂优化过程来获得良好稳定的效率值。这种优化过程通常包括初始效率、稳定效率和沉积速率之间的权衡。
发明内容
本发明的目标是改善薄膜a-Si太阳能电池，无论其是单个或串联或甚至更高阶分级的构造。这通过一种在RF-SiH4等离子体中进行等离子体加强蒸汽沉积PECVD来制造薄膜太阳能电池的a_S1:H的吸收器层的方法来实现，所述方法包括下述步骤中的至少之一
a)以低于0.5 mbar的过程压力进行所述沉积，以及
b)以低于370W/14000 cm2的RF功率密度进行所述沉积。 由此本发明着重于增加a-Si单结电池的初始效率(通过增大电流密度)并同时减少LID的方法。这一般通过改善材料质量并调整a-Si电池的吸收器层的特性来完成。通过应用此方法，可实现对于a-Si单结电池和串联电池的更高稳定的效率。此外，对于非微晶串联电池而言，减少的顶部电池衰退与较高顶部电池电流的组合导致明显较低的LID并明显较高的稳定模块功率。在一个变型例中，根据本发明的方法包括步骤a)和步骤b)两者。在根据本发明的方法的一个变型例中，将所述过程压力值选择为至少0.3 mbar。在根据本发明的方法的一个变型例中，以0.45 mbar的压力值仅进行步骤a)。在根据本发明的方法的一个变型例中，以270W/14000cm2的功率密度值仅进行步骤b)。
在根据本发明的方法的一个变型例中，其中进行步骤a)和步骤b)，将所述过程压力选择为0.4 mbar并且将所述功率密度选择为230W/14000cm2。本发明进一步针对于一种a_S1:H的光伏吸收器层，包括下述至少之一:
1.小于10.5的显微结构因数R (%)
i1.低于13.7 的 H 含量 cH (at.%)。由此在一个实施例中，根据本发明的方法的其中一个变型例制成该吸收器层，由此尤其是进行步骤a)和步骤b)两者并且由此将所述过程压力选择为至多0.3 mbar或其中所述过程压力为0.4 mbar并且所述功率密度为230W/14000cm2。本发明进一步针对于一种单结a-Si太阳能电池，包括低压化学蒸汽沉积(LPCVD)的ZnO前触点层，在如上提出的其中一个实施例中，所述吸收器层包括下述至少之一:
1.小于10.5的显微结构因数R (%)
i1.低于13.7 的 H 含量 cH (at.%)。在根据本发明的单结a-Si太阳能电池和其实施例之一中，所述吸收器层具有265nm的厚度。在根据本发明的单结a-Si太阳能电池和其实施例之一中，下述至少之一有效:
1.电流密度Jsc高于16.8 mA/cm2
I1.效率高于10.62 %。在根据本发明的单结a-Si太阳能电池的一个实施例中，特征I和II是有效的。在一个实施例中，所述单结a-Si电池具有至少8.25%的1000小时光均热(lightsoaking)之后的绝对稳定效率和小于22%的相对光致衰退。本发明进一步针对于一种非微晶太阳能串联电池，其包括顶部电池和底部电池，其中所述顶部电池包括包括下述两者的a-Si吸收器层:
1.小于10.5的显微结构因数R (%)
i1.低于13.7 的 H 含量 cH (at.%)
优选地通过根据本发明的方法的变型例来制成所述吸收器层，其中根据如上所提出的其他变型例来进行步骤a)和步骤b)两者。优选地，在变型例中通过根据本发明的方法及其变型例来制造所述非微晶太阳能串联电池，其中进行步骤a)和步骤b)两者。
将在附图的帮助下进一步举例说明本发明。这些图显示:
图2:对于包含不同吸收器层的a-Si单结太阳能电池的电流密度和电池效率；图3:对于具有不同吸收器层的a-Si单结电池，作为光均热时间的函数的电池效率的损失，由此也示出电池的相对衰退用于对比。实心符号指代绝对效率而空心符号指代相对光致衰退。对于所有电池而言吸收器层的厚度是265nm;
图4:两个非微晶模块的电流/电压曲线，对于这两者顶部电池分别包括标准a-Si:H吸收器层和a-Si:H吸收器3层。
图5:对应于在图4所示的非微晶模块的反向偏压的量子效率曲线。在图中也给出对于顶部和底部电池的电流。图6:对应于在图4所示的非微晶模块的小模块的相对衰退。请注意，在所有图中“std”代表“现有技术”。
具体实施例方式在本发明中，调整用于沉积氢化非晶硅(a-S1:H)吸收器层的PECVD工艺以获得更好的材料质量和更高的电流密度。增加a-Si电池电流密度的普通方法是通过减少SiH4等离子体的H稀释度来减少吸收器层的带隙能量。然而，当应用此方法时至少会引起两个负面效果减小和LID增加。与普通方法相反，此处采用减少过程压力和RF功率密度的组合以便同时增加电流密度并减少光致衰退。沉积速率是此方法的权衡因素。
目前技术工艺是通过以1:1的比率由H2稀释SiH4气体来沉积用于大范围批量生产a-Si和串联太阳能电池的a-S1:H吸收器层。对于此吸收器层的典型的沉积速率大约是
3.2-3.6 A/sec。根据本发明通过减少过程压力(降至0.3 mbar)或RF功率密度，能够改善材料质量并略微减少a-S1:H吸收器层的带隙能量。这在表I中显示，此处也针对过程压力(吸收器
I)或RF功率密度(吸收器2)均减小的两个吸收器层呈现如上讨论的a-S1:H层的工艺参数和单层特性。作为材料中微孔的测量的材料质量因数(或显微结构因数-R，得自于FTIR测量)对于吸收器I和吸收器2而言被减少，表示具有较少S1-H2和S1-H3键的密集材料。相对于标准a-S1:H吸收器层，在吸收器I和吸收器2层中并入的改善的材料质量和减少的H含量被认为是有助于降低光致衰退的两个因素。吸收器I和吸收器2层的沉积速率略微减小。在吸收器2层的大面积(1.4 m2)上的层不均匀性略微高于标准吸收器层。通过在a_S1:H PECVD工艺中减少过程压力和RF功率的组合给出了材料质量的显著改善和带隙能量的减小。这也在表I中针对吸收器3层示出。吸收器3层的材料参数相对于标准吸收器和吸收器I和吸收器2而言有显著的改善:更好的显微结构因数，即明显较少的微孔和较密的材料以及并入层中的显著较低的H含量。对于吸收器3层，带隙能量Etl4也是略微减少。吸收器3层的沉积速率较低，但仍然高于2 A/sec。对于需要较低光致衰退和较高稳定功率的大范围批量生产的a-Si单结和基于a-Si的串联太阳能电池，这种在较低的沉积速率下具有良好材料质量的a-S1:H吸收器层是非常令人感兴趣的。
权利要求
1.一种通过在RF-SiH4等离子体中进行等离子体加强蒸汽沉积PECVD来制造薄膜太阳能电池的a_S1:H的吸收器层的方法，所述方法包括下述步骤中的至少之一 a)以低于0.5 mbar的过程压力进行所述沉积 b)以低于370W/14OOO cm2的RF功率密度进行所述沉积。
2.根据权利要求1所述的方法，包括步骤a)和步骤b)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括:将所述过程压力值选择为至少0.3 mbar。
4.根据权利要求1所述的方法，包括:以0.45 mbar的压力值仅进行步骤a)。
5.根据权利要求1所述的方法，包括:以270W/14000cm2的功率密度值仅进行步骤b)。
6.根据权利要求2所述的方法，由此将所述过程压力选择为0.4 mbar并且将所述功率密度选择为230W/14000cm2。
7.一种a-S1:H的光伏吸收器层，包括下述至少之一: 1.小于10.5的显微结构因数R (%) i1.低于13.7 的 H 含量 cH (at.%)。
8.根据权利要求7所述的吸收器层，其根据权利要求1至6中任一项所述的方法制成。
9.根据权利要求7或8所述的吸收器层，其根据权利要求2、3、6中任一项所述的方法制成。
10.一种单结a-Si太阳能电池，包括低压化学蒸汽沉积(LPCVD)的ZnO前触点层，所述前触点层包括根据权利要求7至9中任一项所述的吸收器层。
11.根据权利要求10所述的a-Si太阳能电池，其中所述吸收器层具有265nm的厚度。
12.根据权利要求10或11所述的a-Si太阳能电池，其中，下述至少之一有效: 1.电流密度Jsc高于16.8 ma/cm2 I1.效率高于10.62 %。
13.根据权利要求12所述的a-Si太阳能电池，其中，1.和I1.是有效的。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的a-Si太阳能电池，其具有至少8.25%的1000小时光均热之后的绝对稳定效率和小于22%的相对光致衰退。
15.一种非微晶太阳能串联电池，其包括顶部电池和底部电池，其中所述顶部电池包括优选地根据权利要求9制成的满足1.和i1.的根据权利要求7所述的a-Si吸收器层。
全文摘要
为了改善非晶硅吸收器层处于单一构造或串联构造的薄膜太阳能电池，通过在RF-SiH4等离子体中进行等离子体加强蒸汽沉积来制造所针对的a-Si:H的吸收器层，其中以低于0.5mbar的过程压力和以低于370W/14000cm2的RF功率密度中至少之一进行所述沉积。
文档编号H01L31/0376GK103222071SQ201180053284
公开日2013年7月24日 申请日期2011年9月2日 优先权日2010年9月3日
发明者M.费西奥鲁-莫拉里乌 申请人:欧瑞康太阳能股份公司(特吕巴赫)