專利名稱：作為非晶硅電池p層的透明導(dǎo)電聚合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能材料范圍，特別涉及到應(yīng)用于薄膜光伏器件的材料技術(shù)。
技術(shù)背景近年來,薄膜太陽能光伏電池和大面積模塊或模板(光電組件)的開發(fā)已受到世界范圍的 矚目。氫化非晶硅，特別是納米晶硅(納米硅)廣泛應(yīng)用于商業(yè)及住宅光電器件的巨大潛力 已經(jīng)顯示出來。在低于260°C的溫度下制成的氫化硅薄膜光電器件有一個重要特征，就是通 過大面積沉積所述半導(dǎo)體硅薄膜和電接觸層時，使用廉價的薄膜基板材料和精湛的處理方法 和設(shè)備，使其同時具有低生產(chǎn)成本和優(yōu)良性能的優(yōu)勢。在同一基板上進(jìn)行的激光刻線制程， 允許多個太陽能電池形成并被單一地電路集成串聯(lián)，在薄膜沉積的過程中直接生成大面積光 伏模板。光伏(PV)器件，又稱為太陽能電池或光電轉(zhuǎn)換裝置,被用于將輻射能(例如太陽光，白熾 光或螢光)轉(zhuǎn)換成電能。這一轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)被稱為光伏效應(yīng)。當(dāng)輻射穿過光電器件并被器件的 活性區(qū)吸收時，電子和空穴對產(chǎn)生了。電子和空穴被器件里的電場分離開來，并被外電路收 集。在具有p-i-n型結(jié)構(gòu)的光伏電池中，當(dāng)光輻射被本征層或i層(吸收層)吸收時，光致電 子空穴對形成。在內(nèi)置電場的影響下，電子流向n型導(dǎo)電區(qū)域，空穴流向p型導(dǎo)電區(qū)域，使 它們發(fā)生分離，這種基于吸光后的電子空穴流動產(chǎn)生了光伏電池的光電壓與光電流。根據(jù)已知的基于非晶硅或納米硅及其合金的太陽能電池的構(gòu)造，內(nèi)置電場在由基于非晶 硅(a-Si)或納米硅(ric-Si)材料的p型、i型(本征)和n型膜層組成的結(jié)構(gòu)中形成。 一個典型的 p-i-n型太陽能電池由以下部分組成 一個具有高透明度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的首層或基板， 一個在基 板上形成的透明導(dǎo)電氧化物前電極(前接觸層)， 一個p層，一個i層，一個n層，另一個透明 導(dǎo)電膜， 一個金屬膜， 一個密封性的粘合劑和一個防護(hù)板。在操作中，陽光從太陽能電池基板的 外側(cè)進(jìn)入p-i-n結(jié)構(gòu)，雖然有時候p型納米晶硅(nc-Si)也被使用，但通常選擇作為p層6的材 料是一種硼摻雜的、寬帶隙的非晶硅合金，例如非晶硅碳(a-SiC)，非晶硅氮(a-SiN)或者非晶 硅氧(a-SiO)。光伏"吸收層"或i層(又稱轉(zhuǎn)換層)通常由非晶硅、納米硅或非晶鍺硅合金構(gòu) 成。磷摻雜的n層通常由非晶硅或納米硅組成。前透明導(dǎo)電氧化物電極層通常是由氟摻雜的 錫氧化物(Sn02:F)組成。透明導(dǎo)電膜通常是鋁摻雜的氧化鋅(ZnO:Al)。金屬膜通常是鋁或銀。很重要的一點是用來制造光伏器件的半導(dǎo)體材料能夠?qū)⑤椛浔M可能地吸收，以高產(chǎn)量的產(chǎn)生電子和空穴，并且轉(zhuǎn)換為有用的電能，提高轉(zhuǎn)換效率。在目前己知技術(shù)的p-i-n型薄膜硅光伏電池中，夾在p層和n層之間的非摻雜的i層遠(yuǎn)遠(yuǎn) 厚于p層和n層。本征i層的作用是阻止電子空穴在被內(nèi)置電場分離前復(fù)合。有的入射光被摻雜層(p層和n層)吸收，因為這些層產(chǎn)生的載流子壽命極短,在被收集前 就迅速復(fù)合。因此，在摻雜層的吸收對光伏電池光電流的生成沒有幫助。因此摻雜層的最小吸 收會增強p-i-n型光伏電池的短路電流。具有寬能帶隙p層的功能之一，就是最大限度地減小 p層的光吸收損耗，而不減弱其對內(nèi)置電場的貢獻(xiàn)。通過調(diào)整p層的能帶隙(光帶隙)，p層 的吸收損耗可以通過包括p層帶隙加寬材料(通常包括碳、氮、氧、硫等元素)而最小化。 例如，p層通常由上述的硼摻雜的具有p型導(dǎo)電性的非晶硅碳U-SiC)組成。但是，對p層 帶隙加寬材料的增加，必然導(dǎo)致了它的電阻率上升。因此，帶隙加寬材料在p層中的濃度(原 子成分百分比)不可太高，它被光電器件的內(nèi)部電阻的最大許可值所限制。另一個問題是， 傳統(tǒng)的p層的能帶隙相對于非晶硅i層還是不夠?qū)?，限制了光電壓的提高。另外一點是，生 長最佳的非晶硅碳合金p層的參數(shù)空間非常狹窄，給光伏板的工業(yè)化生產(chǎn)過程帶來困難。最 理想的寬帶隙的非晶硅合金p層具有最高摻雜效率和導(dǎo)電性，且具有例如大于2. 1-2. 2eV的 光帶隙。基于非晶硅的光伏技術(shù)最新進(jìn)展的部分原因是由于改進(jìn)了不論是單結(jié)電池還是良好 的多結(jié)電池中對光電壓和光電流影響最大的p層的性能。為了盡量減少光損失，增強光電流， 一個性能優(yōu)良的p層的光能帶隙必須盡可能寬，厚度盡可能低，費米能級靠近價帶的邊緣， 充分導(dǎo)電(比如導(dǎo)電率高于l(^Scm—1)。它還必須在接觸性能和沉積(生長)條件方面，與透 明導(dǎo)電氧化物前電極層和鄰近的i層(或緩沖層)具有兼容的特性。非常薄的p層(約100A， 10納米)必須具有厚膜的性能。光電壓主要是在p-i分界面附近產(chǎn)生。除非使用附加的界面層， p層會和透明導(dǎo)電膜建立接觸。為了提高光伏器件的效率，低接觸"屏障"或有效的"隧道" 功能是必要的?？上У氖?，對寬帶隙的非晶硅合金p層而言，由于分界面與透明導(dǎo)電氧化物前電極(前 接觸層)的接觸屏障，更寬的帶隙和更低的光損耗導(dǎo)致了電阻率上升和p層內(nèi)部電阻上升， 從而降低了光電流的收集效率。這些是傳統(tǒng)的硅薄膜太陽能電池性能的根本局限性。基于上述原因，尋找一個可以取代基于非晶硅合金的p層的材料很有意義。發(fā)明內(nèi)容基于上述考慮，申請人擬訂了本發(fā)明的首要目的提供一個替代傳統(tǒng)寬帶隙非晶硅合金 P層的材料。本發(fā)明的進(jìn)一個目的是，改善基于氫化非晶硅薄膜p-i-n型太陽能電池的性能。為了達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明提供了一個新穎的可具有寬帶隙的半導(dǎo)電或?qū)щ娋酆衔锒?代譬如非晶硅碳合金構(gòu)成的P層材料，從而減少p層所導(dǎo)致的光吸收，因此提高p-i-n型非晶 硅太陽能電池的效率。導(dǎo)電(半導(dǎo)電)聚合物是一個很令人感興趣的材料，其各種性質(zhì)在近些年被廣泛的研究， 其中有些導(dǎo)電聚合物也被叫做導(dǎo)電塑料，有些材料可以作成非常透明的薄膜，以至于對可見 光的吸收相比于非晶硅合金幾乎可以忽略。這種材料如果能使用在薄膜電池的窗戶層材料(p 層)中會大大的增高光電流的強度，從而得到更高的光電轉(zhuǎn)換效率。寬帶隙的導(dǎo)電聚合物還 可以與非摻雜的非晶硅i層形成異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生良好的光電壓。既透明又導(dǎo)電的聚合物的制造成本可以很低。隨著對這類材料的了解不斷增加，它們的 加工手段也在不斷的完善。比較成熟的獲得薄膜導(dǎo)電聚合物(導(dǎo)電塑料)的方法包括用等 離子體增強化學(xué)氣相沉積法制成的帶隙寬于2. 5電子伏的氮硫長鏈聚合物,及用弧光等離子 體(陰極弧光)形成的碳?xì)浠衔飿?gòu)成的聚合物。已經(jīng)被形成的絕緣的聚合物也可以通過被處 理的方法使其具有一定的導(dǎo)電性，譬如用碘處理的硅氮聚合物和乙炔聚合物。最新的技術(shù)可 以使這種材料通過印刷的辦法做到大面積的襯底上，這對于生產(chǎn)大面積薄膜太陽能電池是一 種非常可行的辦法。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一歩說明。附圖顯示了一個p-i-n型薄膜太陽能電池的層狀結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
一個代表性的導(dǎo)電聚合物的形成方法是，使用真空鍍膜的方法，在溫度不超過300。C條 件下，產(chǎn)生厚度在10-30納米范圍內(nèi)的具有p型導(dǎo)電性的聚合物，包括氮硫長鏈聚合物和碳 氫化合物構(gòu)成的聚合物。上述p型導(dǎo)電聚合物可被用做p-i-n型非晶硅太陽能電池的p層，減少光吸收損失，從而 提高其輸出功率。如附圖所示，這類電池的結(jié)構(gòu)包括一個具有高透明度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的首層或 基板l， 一個在基板上形成的透明導(dǎo)電氧化物前電極2 (前接觸層)， 一個由本發(fā)明所述的導(dǎo) 電聚合物構(gòu)成的p層5, —個由非摻雜的氫化非晶硅構(gòu)成的i層8, —個基于氫化硅薄膜的磷摻 雜的n層9,另一個透明導(dǎo)電膜22,—個金屬膜45。在這個結(jié)構(gòu)中， 一個與硅完全無關(guān)的材料 取代了傳統(tǒng)的基于硅的p層，而成功的構(gòu)制了性能良好的非晶硅光伏器件。
權(quán)利要求
1. 一個p-i-n型光伏元件，它被放置于一個由透明金屬氧化物構(gòu)成的前接觸層上，其特征在于a)一個p層，由光帶隙不小于2.2eV的p型導(dǎo)電或半導(dǎo)電聚合物薄膜構(gòu)成；b)一個i層，由非摻雜的氫化非晶硅薄膜構(gòu)成，其厚度不超過400納米，被放置在所述p層之上；c)一個n層，由磷摻雜的基于氫化硅或其合金的薄膜構(gòu)成，被放置在所述i層之上；
2、 根據(jù)權(quán)利要求所述的p-i-n型光伏元件，其特征在于在所述p層和所述i層之間，添 加一個厚度不超過5納米的、硼摻雜的基于氫化非晶硅的寬帶隙薄膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求所述的p-i-n型光伏元件，其特征在于所述p層由真空鍍膜方法形成 的，厚度不超過30納米的p型聚合物構(gòu)成，包括聚集乙炔和聚合氮硫化合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了p型聚合物薄膜在氫化非晶硅光伏器件中的應(yīng)用。真空鍍膜產(chǎn)生的10-30納米厚的透明p型聚合物，可被用做p-i-n型非晶硅太陽能電池的p層，減少光吸收損失，從而提高其輸出功率。
文檔編號H01L51/46GK101246951SQ20071000498
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司