具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和制備方法及應(yīng)用，所述薄膜碳含量為30-80%，靠近本征層處采用低輝光功率密度，隨著薄膜厚度的增加，輝光功率密度按照公式：P(t)=P0+A?t逐漸上升，其中P為輝光功率，P0為初始功率密度，A為線性變化速率，t為輝光時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)折射率縱向漸進(jìn)式變化，折射率在400nm波長(zhǎng)處變化范圍為2.8-2.2；該折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜用于硅基薄膜太陽(yáng)電池。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該材料光學(xué)帶隙可達(dá)2.0~3.7eV，電導(dǎo)率可達(dá)0.1~5.0Ω?cm，同時(shí)有效減少窗口層光學(xué)損失，從而顯著提高太陽(yáng)電池的填充因子、開(kāi)路電壓和短波響應(yīng)，最終提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說(shuō)明】
具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和制備方法及應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硅基薄膜太陽(yáng)電池領(lǐng)域，特別涉及一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]面對(duì)全球日益嚴(yán)峻的能源短缺問(wèn)題，太陽(yáng)能電池因其具有清潔、無(wú)污染的特點(diǎn)日益成為解決環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的重要手段之一。硅基太陽(yáng)電池因其使用的半導(dǎo)體材料硅儲(chǔ)量豐富、無(wú)毒并且無(wú)污染，是人們研究最多、技術(shù)最成熟的。而其中硅基薄膜太陽(yáng)電池由于產(chǎn)業(yè)鏈短、制造成本低、耗能低、制造過(guò)程無(wú)污染成為未來(lái)太陽(yáng)電池發(fā)展的重要方向。
[0003]P型摻雜層作為娃基薄膜電池的窗口層，與η型摻雜層共同形成娃基薄膜電池的內(nèi)建電場(chǎng)。對(duì)P型窗口層的要求是高電導(dǎo)率、低激活能和寬帶隙，其中高電導(dǎo)率、低激活能可以增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)并降低P型窗口層和前電極的接觸電阻，寬帶隙可以減少P型窗口層的光吸收損失，提高電池在短波段的光電響應(yīng)。目前，在硅基薄膜電池研究中廣泛使用P型非晶娃碳(p-a-SiC:H)作為窗口層材料,通過(guò)碳與娃的合金效應(yīng)使材料帶隙展寬。其中，p-a-SiC:H通過(guò)碳的合金效應(yīng)使其帶隙達(dá)到1.8 eV-2.2 eV。傳統(tǒng)硅基薄膜電池另一部分光學(xué)損失是未達(dá)到本征層就被前電極或是窗口層反射的部分，針對(duì)此問(wèn)題，大部分研究機(jī)構(gòu)所采用的方法是在P_a-SiC:H窗口層上覆蓋一層折射率小于窗口層的透明導(dǎo)電薄膜(ITO)，同時(shí)起到前電極和減反射的作用，但是由于p-a-SiC:H窗口層為單質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有固定且唯一的折射率，當(dāng)太陽(yáng)光譜入射到薄膜電池時(shí)，只有具有特定波長(zhǎng)的光才能實(shí)現(xiàn)理想的零反射，而光譜范圍絕大部分的光學(xué)反射損失在實(shí)際電池中仍很明顯，進(jìn)而影響整個(gè)電池的性能。
[0004]從上面的分析看出，如何開(kāi)發(fā)出具有高電導(dǎo)率、寬帶隙，同時(shí)降低光學(xué)反射的P型窗口層材料是制備硅基薄膜太陽(yáng)電池窗口層的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，本發(fā)明提出一種折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及其制備方法，有效地解決了上述的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜及其制備方法。該新型窗口層能夠拓展短波區(qū)域的太陽(yáng)電池光譜響應(yīng)，有效降低由于固定折射率窗口層引起的光學(xué)反射損失，并且通過(guò)調(diào)制非晶硅碳窗口層沉積條件，實(shí)現(xiàn)本征層和窗口層之間的帶隙匹配，提高硅基薄膜太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和填充因子，從而提高太陽(yáng)電池效率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜，該薄膜采用層遞式沉積方法沉積硅碳薄膜，該薄膜中碳含量為30-80%，折射率在薄膜縱向漸進(jìn)式變化，在400 nm波長(zhǎng)處變化范圍為2.8-2.2，直至形成總厚度為20-50 nm的p型硅碳窗口層材料，其折射率介于前電極和本征層折射率之間。
[0007]所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的制備方法為:將在襯底上依次疊加有金屬背電極、透明導(dǎo)電背電極、η型硅基薄膜和本征硅基薄膜的待處理樣品放入高真空沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為100-150°C,真空度不低于10_5 Pa,通入反應(yīng)氣體,反應(yīng)氣源為娃燒、硼燒、氫氣和甲燒的混合氣體，其中氫氣占?xì)怏w體積流量的百分比為98-99%,娃烷占?xì)怏w體積流量的百分比為0.5-1%，硼烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.1-0.2%，甲烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.5-1%，輝光功率密度為10-50 mW/cm2，硅碳窗口層的折射率通過(guò)輝光功率密度調(diào)控，首先在10-20 mff/cm2功率密度下開(kāi)始沉積薄膜，隨著沉積薄膜厚度的增力口，輝光功率密度按照公式:P (O=Pc^AK逐漸上升至30-50 mW/cm2，其中P為輝光功率密度，P0為初始功率密度，A為線性變化速率，t為輝光時(shí)間，最終形成總厚度為20-50 nm的具有折射率漸變特征硅碳窗口層材料。所述沉積設(shè)備為13.56MHz-100MHz的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD系統(tǒng)、微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)或電子回旋共振化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。
[0008]一種所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的應(yīng)用，用于硅基薄膜太陽(yáng)電池，當(dāng)采用玻璃或透明塑料為襯底時(shí)，該硅基薄膜太陽(yáng)電池由玻璃或透明塑料襯底、前電極、P型折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜、本征吸收層、η型摻雜層和背電極依次疊加構(gòu)成；當(dāng)采用不銹鋼或不透明塑料為襯底時(shí)，該硅基薄膜太陽(yáng)電池由背電極、η型摻雜層、本征吸收層、P型折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜和前電極依次疊加構(gòu)成。
[0009]所述本征吸收層材料為非晶硅、非晶硅鍺、非晶硅氧、非晶硅碳、微晶硅或微晶硅鍺；所述η型摻雜層材料為η型非晶硅、η型微晶硅、η型非晶硅氧或η型微晶硅氧。
[0010]本發(fā)明的機(jī)理分析:
在硅基薄膜太陽(yáng)電池中，為了減少表面的反射率，最簡(jiǎn)單的方法是鍍上一層具有低折射率的透明導(dǎo)電薄膜。只要單層的透明導(dǎo)電薄膜低于P型窗口層的折射率，這個(gè)單層薄膜就有減少表面反射率的作用。但是由于p-a-SiC:H窗口層為單質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有固定且唯一的折射率，當(dāng)太陽(yáng)光譜入射到薄膜電池時(shí)，只有具有特定波長(zhǎng)的光才能實(shí)現(xiàn)理想的零反射，這時(shí)反射率和反射光波長(zhǎng)的關(guān)系一般成V型，色中性差。本發(fā)明提出折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜，通過(guò)改變硅碳薄膜的沉積條件，在靠近本征層處采用低輝光功率密度，隨著沉積薄膜厚度的增加，逐漸升高輝光功率密度，由于碳原子摻入量的變化，使得硅碳薄膜的折射率在薄膜縱向變化。折射率漸變的引入解決了傳統(tǒng)硅基薄膜太陽(yáng)電池中，反射效果只能實(shí)現(xiàn)單一波長(zhǎng)的限制，折射率漸變特征將V型光譜特性變?yōu)槎嗖ü鹊墓庾V特性，從而獲得更好的減反射效果，色中性好。另一方面，沉積這種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜保持了沉積硅碳窗口層的特點(diǎn)，低功率條件有效減少等離子體中帶電粒子對(duì)本征層表面的轟擊，與傳統(tǒng)的硅基薄膜太陽(yáng)電池窗口層相比，這種具有折射率漸變特征的非晶硅碳窗口層，能夠兼顧合金材料寬帶隙，高電導(dǎo)率要求的同時(shí)，通過(guò)折射率漸變結(jié)構(gòu)有效降低光學(xué)反射，因此成為硅基薄膜電池窗口層的理想選擇。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜材料，由寬帶隙的硅碳材料通過(guò)合金效應(yīng)使其帶隙展寬至2.0-3.7 eV,由受主摻雜使其縱向電導(dǎo)率達(dá)到0.1-5.0 Ω._，通過(guò)折射率漸變結(jié)構(gòu)有效降低光學(xué)反射率至10-40%。相對(duì)于傳統(tǒng)P型窗口層，太陽(yáng)電池所需的高電導(dǎo)率、寬帶隙和超低光學(xué)損失特征同時(shí)獲得。將該材料用于硅基薄膜太陽(yáng)電池的窗口層，和傳統(tǒng)P型窗口層材料相比，一方面可以使電池的內(nèi)建電場(chǎng)大幅提高，進(jìn)而顯著提高電池的開(kāi)路電壓并有望使之突破傳統(tǒng)上限；另一方面可以顯著降低透明電極和窗口層引起的光學(xué)損失，提高電池的短波響應(yīng)和短路電流密度，最終在不增加設(shè)備成本的前提下提高了硅基薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0012]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是襯底為不銹鋼的n-1-p型硅基薄膜電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是分別采用非晶硅碳、納米硅和折射率漸變特征的硅碳薄膜作為窗口層的n-1-p型非晶硅薄太陽(yáng)電池的量子效率QE曲線對(duì)比圖。
[0015]圖3為分別采用非晶硅碳、納米硅和具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的直接反射率對(duì)比圖。
[0016]圖中:
1.襯底2.金屬電極 3.背電極
4.非晶η型摻雜層5.寬帶隙本征吸收層
6.折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜
7.1TO透明導(dǎo)電薄膜8.金屬電極。
[0017]

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1:
一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的制備方法:
將待處理樣品放入高真空等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相RF-PECVD沉積設(shè)備中，反應(yīng)溫度100°C，反應(yīng)氣源為硅烷、硼烷、氫氣和甲烷的混合氣體，其中氫氣占?xì)怏w體積流量的百分比98.55%，硅烷占?xì)怏w體積流量的百分比為0.75%，硼烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.1%，甲烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.6%，輝光功率密度初始為20 mff/cm2,隨著沉積薄膜厚度的增力口，輝光功率密度按照:P(t)=20+l.15t，其中P(t)為輝光功率密度，t為沉積時(shí)間，逐漸上升至50 mW/cm2,最終輝光沉積厚度為30 nm,400nm波長(zhǎng)處折射率在薄膜縱向生長(zhǎng)方向從2.8遞增至2.2的硅碳薄膜。之后再沉積透明導(dǎo)電前電極和金屬柵電極，形成完整的n-1-p型非晶硅薄膜電池。
[0019]圖1是n-1-p型非晶硅硅基薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖，該P(yáng)型折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜用作n-1-p型非晶硅薄膜電池的窗口層，得到的太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓為1.04 V，短路電流達(dá)到11 mA/cm2，填充因子為72%，光電轉(zhuǎn)化效率為8.2%。
[0020]圖2為分別采用恒定功率制備的非晶硅碳、納米硅和具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的n-1-p型非晶硅薄太陽(yáng)電池的量子效率QE曲線對(duì)比圖。圖中表明:當(dāng)采用新型折射率漸變特征的硅碳薄膜作為窗口層時(shí)，非晶硅電池全波段反射率更低，短波光譜響應(yīng)達(dá)到65%。
[0021]值得注意的是本發(fā)明的沉積方法兼容沉積非晶硅、非晶硅鍺和微晶硅等硅基薄膜的沉積工藝基礎(chǔ)，方法簡(jiǎn)單，易于操作和實(shí)現(xiàn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0022]實(shí)施例2
一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的制備方法:
將待處理樣品放入高真空微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，反應(yīng)溫度150°C，反應(yīng)氣源為娃燒、硼燒、氫氣和甲燒的混合氣體，其中氫氣占?xì)怏w體積流量的百分比98 %,娃燒占?xì)怏w體積流量的百分比為1%，硼烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.2%，甲烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.8%，輝光功率密度初始為10 mW/cm2，隨著沉積薄膜厚度的增加，輝光功率密度按照:P (t) =10+1.5t，其中P(t)為輝光功率密度，t為沉積時(shí)間，逐漸上升至40 mW/cm2，最終輝光沉積厚度為30 nm，400nm波長(zhǎng)處折射率在薄膜縱向生長(zhǎng)方向從2.8遞增至2.2的硅碳薄膜。
[0023]圖3為分別采用非晶硅碳、納米硅和具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的直接反射率對(duì)比圖。圖中表明:與傳統(tǒng)的非晶硅碳、和納米硅相比，新型折射率漸變特征的硅碳薄膜在300 nm-800 nm波段反射率更低，作為硅基薄膜窗口層會(huì)獲得更好的減反射效果。
[0024]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜，其特點(diǎn)在于:該薄膜中碳含量為30-80%，折射率在薄膜縱向漸進(jìn)式變化，在400 nm波長(zhǎng)處變化范圍為2.8-2.2，直至形成總厚度為20-50 nm的p型硅碳窗口層材料，其折射率介于前電極和本征層折射率之間。
2.—種權(quán)利要求1所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的制備方法，其特征在于:將在襯底上依次疊加有金屬背電極、透明導(dǎo)電背電極、η型娃基薄膜和本征娃基薄膜的待處理樣品放入高真空沉積設(shè)備中，待處理樣品表面溫度為100-150°C，真空度不低于10_5Pa,通入反應(yīng)氣體,反應(yīng)氣源為娃燒、硼燒、氫氣和甲燒的混合氣體，其中氫氣占?xì)怏w體積流量的百分比為98-99%，硅烷占?xì)怏w體積流量的百分比為0.5-1%，硼烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.1-0.2%，甲烷占?xì)怏w體積流量的百分比0.5-1%，輝光功率密度為10-50 mW/cm2，首先在10-20 mff/cm2功率密度下開(kāi)始沉積薄膜，隨著沉積薄膜厚度的增加，輝光功率密度按照公式:P (O=PfAK逐漸上升至30-50 mW/cm2，其中P為輝光功率密度，Ptl為初始功率密度，A為線性變化速率，t為輝光時(shí)間，直至形成總厚度為20-50 nm的具有折射率漸變特征硅碳窗口層材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述沉積設(shè)備為13.56MHz-100MHz的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD系統(tǒng)、微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)或電子回旋共振化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。
4.一種權(quán)利要求1所述具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜的應(yīng)用，其特征在于:用于硅基薄膜太陽(yáng)電池，當(dāng)采用玻璃或透明塑料為襯底時(shí)，該硅基薄膜太陽(yáng)電池由玻璃或透明塑料襯底、前電極、權(quán)利要求1所述P型具有折射率漸變特征的硅碳窗口層薄膜、本征吸收層、η型摻雜層和背電極依次疊加構(gòu)成；當(dāng)采用不銹鋼或不透明塑料為襯底時(shí)，該硅基薄膜太陽(yáng)電池由背電極、η型摻雜層、本征吸收層、權(quán)利要求1所述P型具有折射率漸變特征的娃碳窗口層薄膜和前電極依次疊加構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于:所述本征吸收層材料為非晶硅、非晶硅鍺、非晶硅氧、非晶硅碳、微晶硅或微晶硅鍺；所述η型摻雜層材料為η型非晶硅、η型微晶硅、η型非晶硅氧或η型微晶硅氧。
【文檔編號(hào)】H01L31/0445GK104362183SQ201410488516
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】倪牮, 馬峻, 張建軍, 侯國(guó)付, 陳新亮, 張曉丹, 趙穎 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)