非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法，包括步骤：提供基板；在所述基板表面沉积透明导电前电极层；在所述透明导电前电极层表面沉积包括非晶硅顶层电池的叠层电池层；在所述叠层电池层表面沉积导电背电极层；其中，所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层分为四步沉积，靠近P层的第一层沉积高氢稀释比的非晶硅层；第二层沉积第一非晶硅层；第三层沉积主体层，第四层沉积第二非晶硅层。本发明的方法通过对通过简单的沉积工艺控制和组合优化，很好的解决产业化进程中成本和质量的矛盾，即高速沉积和高质量非晶硅材料之间的矛盾。
【专利说明】非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光伏太阳能电池【技术领域】，特别涉及一种非晶硅薄膜太阳能电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002]硅基薄膜太阳能电池，尤其是非晶硅与微晶硅相结合的多叠层电池结构，已经成为太阳能光伏领域中最有竞争力的一种替代电池，产业化的电池效率已经达到10%的水准。目前这种多叠层电池的光电转换效率仍然偏低，需要进一步将转换效率提高到12%以上。然而，效率的提高依赖于新工艺或新结构的引入，来提高光的有效吸收，降低电池的结构缺陷和增大电池的电压和电流。
[0003]硅基薄膜太阳电池由于其本身特殊的优势，大面积连续化生产、成本相对低廉、原材料丰富等，近几年来在实验室研究和产业化方面得到了快速的发展。不论是非晶硅单结电池、非晶硅/微晶硅叠层电池，还是非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结电池，其电池堆栈结构中的顶层均为非晶硅电池，既顶层电池的发电有源层材料为非晶硅本征层。自从1977年Staebler和Wronski发现了非晶娃材料的光致衰退现象之后，很多研究机构和研究人员都致力于开发高光照稳定性、低光致衰减的非晶硅太阳电池。降低非晶硅光致衰减的方法主要从两方面入手:1)采用双结或三结叠层电池，降低非晶硅发电层的厚度；2)采用高质量的非晶本征层。而高质量、结构相对致密的非晶硅材料一般需要采用高氢稀释比、低沉积功率等低速沉积的方法来实现。对产业化来说，低的沉积速率意味着低的设备产出、高的投资成本，因此采用高速沉积薄膜的工艺沉积非晶硅本征层是产业化道路的必要条件。
【发明内容】
[0004]因此，本发明的目的在于提供一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括步骤:
[0005]提供基板；
[0006]在所述基板表面沉积透明导电前电极层；
[0007]在所述透明导电前电极层表面沉积包括非晶硅顶层电池的叠层电池层；
[0008]在所述叠层电池层表面沉积导电背电极层；
[0009]其中，所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层分为四步沉积，靠近P层的第一层沉积高氢稀释比的非晶硅层；第二层沉积第一非晶硅层；第三层沉积主体层，第四层沉积第二非晶硅层。
[0010]所述叠层电池层包括非晶硅PIN或NIP单结电池、非晶硅/微晶硅叠层电池、或非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结电池。
[0011]所述高氢稀释比的非晶硅层的沉积条件为高氢稀释比，H2/SiH4为5-15，沉积压力为0.3-0.5mbar，功率密度为180_280W/m2，膜层厚度为5_30nm。
[0012]所述第一非晶硅层的沉积条件为:H2/SiH4的比例为4-10，沉积压力为0.3-0.5mbar，功率密度为 100-160W/m2，膜层厚度为 20_60nm。
[0013]所述主体层4为高速沉积层，沉积速率在4A/s以上，H2/SiH4的比例为1_4，沉积压力为0.4-0.7mbar，功率密度为220_280W/m2，膜层厚度为100-400nm。
[0014]所述第二非晶硅层的沉积条件为H2/SiH4的比例为4-10，沉积压力0.3-0.5mbar,功率密度100-160W/m2，膜层厚度10-30nm。
[0015]所述基板为玻璃、PI膜、不锈钢或者铝箔。
[0016]所述透明导电前电极层为SnO2:F、ZnO:B、ZnO:Al、A1/AZ0 或 Al/Ag/GZO。
[0017]所述背电极层为透明导电氧化物/金属复合膜或者透明导电膜ZnO:B。
[0018]本发明还相应提供了一种非晶硅薄膜太阳能电池，包括基板、透明导电前电极层、以及包括非晶硅顶层电池的叠层电池层和导电背电极层，所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层依次包括高氢稀释比的非晶硅层、第一非晶硅层、主体层和第二非晶硅层。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0020]本发明的方法通过对通过简单的沉积工艺控制和组合优化，很好的解决产业化进程中成本和质量的矛盾，即高速沉积和高质量非晶硅材料之间的矛盾。拥有此结构非晶硅本征层的电池具有高的光电转换效率和高的光照稳定性，可以在4A/s的高速沉积条件下得到光致衰减系数在15%以内的非晶硅单结电池和光致衰减系数在10%以内的非晶硅/微晶娃叠层电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记未必指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚起见，放大了层的厚度。
[0022]图1为说明本发明方法的非晶硅薄膜太阳能电池结构示意图；
[0023]图2为根据本发明实施例的非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图。
[0024]所述示图是说明性的，而非限制性的，在此不能过度限制本发明的保护范围。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0026]本发明为了解决产业化进程中低成本和高质量之间的矛盾，即高速沉积与高质量非晶硅材料层之间的矛盾，本发明提出了四步法沉积非晶硅本征层的方法。实验发现，对于非晶硅材料而言，造成其光致衰减的主要原因为短波段高能量的入射光，而长波段低能量的入射光对材料的破坏作用相对较弱。短波段太阳光主要在非晶硅顶电池的P层和靠近P层的非晶本征层中被吸收。因此，靠近P层的非晶本征层必须具有高质量和高光照稳定性，而主体部分的非晶硅本征层的质量可适当降低。靠近N层的本征层材料亦采用高质量的非晶硅层，该层材料结构致密，起到了很好的界面钝化作用。因此本发明的方法可以在基本不降低非晶硅太阳电池光照稳定性的前提下，大大提高非晶硅本征层的沉积速率，提高设备产能。
[0027]四步法沉积的非晶硅本征层第一层(靠近P层)沉积高氢稀释比的非晶硅层；第二层沉积高质量非晶硅层；第三层沉积主体层，采用高速沉积的方法制备，沉积速率可以在4A/s以上；第四层沉积高质量的非晶硅层。
[0028]本发明的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，首先提供基板，在所述基板表面沉积透明导电前电极层，在所述透明导电前电极层表面沉积包括非晶硅顶层电池的叠层电池层，在所述叠层电池层表面沉积导电背电极层。其中，所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层分为四步沉积，靠近P层的第一层沉积高氢稀释比的非晶硅层；第二层沉积第一非晶硅层；第三层沉积主体层，第四层沉积第二非晶硅层。
[0029]图1为说明本发明方法的非晶硅薄膜太阳能电池结构示意图。如图1所示，本发明的非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法首先在玻璃、PI膜基板I上沉积透明导电薄膜2 ;在透明导电薄膜2上依次沉积非晶硅薄膜的P型导电层3、非晶硅本征层4(包括高氢稀释比的非晶硅层41、第一非晶硅层42、主体层43和第二非晶硅层44);在非晶硅本征层4上面沉积N型导电层5 ;在N型导电层5上沉积氧化物/金属复合膜6。其中，本征层41为高氢稀释比的非晶硅本征层，沉积速率为0.5-lA/s，厚度为5-30nm ;本征层42为高质量非晶硅层，沉积速率为0.5-2A/S，厚度为20-60nm ;本征层43为快速沉积的非晶硅层，沉积速率在3A/s以上；本征层44为高质量的非晶硅层，沉积速率为0.5-2A/S，厚度为10_30nm。
[0030]实施例1:在玻璃基板I上采用CVD法沉积800nm的SnO2: F薄膜2，作为电池的透明前电极。在2上采用等离子体增强气相化学沉积法(PECVD)依次制备15nm的P型导电a-SiC:H层3.1、非晶硅本征层41、42、43和44 ;在非晶硅本征层4上面沉积20nm的N型导电a-S1:H层5 ;在N型导电层5上沉积AZ0/A1复合背电极6。其中非晶娃层41的沉积条件为高氢稀释比，H2/SiH4为10，沉积压力为0.3mbar，功率密度为210W/m2，膜层厚度为IOnm ;非晶硅层42的沉积条件为H2/SiH4为4，沉积压力为0.3mbar,功率密度为132W/m2，膜层厚度为50nm ;非晶硅层43为高速沉积层，沉积速率为4.5A/s, H2/SiH4为1_4，沉积压力为0.5mbar，功率密度为260W/m2，膜层厚度为280nm ;非晶硅层44为高质量非晶硅层，沉积条件H2/SiH4为4，沉积压力为0.5mbar,功率密度为130W/m2，膜层厚度为30nm。相对采用
4.5A/s高速沉积单层本征层结构电池而言，此三层结构下得到的非晶硅薄膜太阳电池的光致衰减系数改善了 15.8% (相对值)，其1000小时光照后的光致衰减系数控制在16%以内。
[0031 ] 实施例2:在玻璃基板I上采用LPCVD法沉积1500nm的ZnO: B薄膜2，作为电池的透明前电极。在2上采用等离子体增强气相化学沉积法(PECVD)依次制备15nm的P型导电a-SiC:H层3.1、非晶硅本征层41、42、43和44 ;在非晶硅本征层4上面沉积20nm的N型导电a-S1: H层5 ;在N型导电层5上沉积I y m厚的微晶硅PIN底电池；然后采用LPCVD的方法沉积1600nm厚的ZnO:B薄膜背电极6。其中非晶硅层41的沉积条件为高氢稀释比，H2/SiH4为10，沉积压力为0.3mbar，功率密度为210W/m2，膜层厚度为IOnm ;非晶硅层42的沉积条件为H2/SiH4为4，沉积压力为0.3mbar,功率密度为132W/m2，膜层厚度为40nm ;非晶硅层43为高速沉积层，沉积速率为4.5A/s, H2/SiH4为1_4，沉积压力为0.5mbar，功率密度为260W/m2，膜层厚度为140nm ;非晶硅层44为高质量非晶硅层，沉积条件H2/SiH4为4，沉积压力为0.5mbar，功率密度为130W/m2，膜层厚度为30nm。相对采用4.5A/s高速沉积单层220nm厚的非晶硅本征层结构电池而言，此三层结构下得到的非晶硅/微晶硅叠层薄膜太阳电池的光致衰减系数改善了 16.7% (相对值)，其1000小时光照后的光致衰减系数控制在10%以内。
[0032]图2为根据本发明实施例的非晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图。如图2所示，根据本发明实施例的非晶硅薄膜太阳能电池，包括基板1、透明导电前电极层2、以及包括非晶硅顶层电池的叠层电池层和导电背电极层9，其中，非晶硅顶层电池的本征层4从P层3到N层5依次包括高氢稀释比的非晶硅层41、第一非晶硅层42、主体层43和第二非晶硅层44。叠层电池层还包括微晶娃PIN底电池,其包括p层6、i层7和n层8。
[0033]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种非晶硅薄膜太阳能电池的制造方法，包括步骤: 提供基板； 在所述基板表面沉积透明导电前电极层； 在所述透明导电前电极层表面沉积包括非晶硅顶层电池的叠层电池层； 在所述叠层电池层表面沉积导电背电极层； 其中，所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层分为四步沉积，靠近P层的第一层沉积高氢稀释比的非晶硅层；第二层沉积第一非晶硅层；第三层沉积主体层，第四层沉积第二非晶硅层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述叠层电池层包括非晶硅PIN或NIP单结电池、非晶硅/微晶硅叠层电池、或非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述高氢稀释比的非晶硅层的沉积条件为高氢稀释比，H2/SiH4为5-15，沉积压力为0.3-0.5mbar，功率密度为180_280W/m2，膜层厚度为 5_30nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述第一非晶硅层的沉积条件为:H2/SiH4的比例为4-10，沉积压力为0.3-0.5mbar，功率密度为100_160W/m2，膜层厚度为20_60nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述主体层4为高速沉积层，沉积速率在4A/s以上，H2/SiH4的比例为1-4，沉积压力为0.4-0.7mbar，功率密度为220_280W/m2，膜层厚度为 100-400nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述第二非晶硅层的沉积条件为H2/SiH4的比例为4-10，沉积压力0.3-0.5mbar，功率密度100_160W/m2，膜层厚度10_30nm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述基板为玻璃、PI膜、不锈钢或者铝箔。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述透明导电前电极层为Sn02:F、Zn0:B、ZnO:Al、Al/AZO 或Al/Ag/GZO。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述背电极层为透明导电氧化物/金属复合膜或者透明导电膜ZnO:B。
10.一种非晶硅薄膜太阳能电池，包括基板、透明导电前电极层、以及包括非晶硅顶层电池的叠层电池层和导电背电极层，其特征在于:所述非晶硅顶层电池的本征层从P层到N层依次包括高氢稀释比的非晶硅层、第一非晶硅层、主体层和第二非晶硅层。
【文档编号】H01L31/18GK103606589SQ201310313476
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】张津燕, 郁操, 胡安红, 曲铭浩, 徐希翔 申请人:昆明铂阳远宏能源科技有限公司