CN101295745A - 膜层、膜层的形成方法和具有该膜层的薄膜太阳能电池 - Google Patents

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李沅民
杨与胜
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Fujian Golden Sun Solar Technic Co., Ltd.
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Abstract

本发明公开了一种膜层、膜层的形成方法和具有该膜层的薄膜太阳能电池，所述膜层在具有氩气的反应气体等离子体辉光放电过程中形成，所形成的膜层具有很高的电子缺陷密度和较好的导电率，能够充分复合多结薄膜太阳能电池的结与结之间交界面处的电子和空穴。

Description

膜层、膜层的形成方法和具有该膜层的薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，特别涉及一种膜层、膜层的形成方法和具有该膜层的薄膜太阳能电池。
背景技术
目前，薄膜太阳能电池代表着光伏发电技术的发展趋势。基于氢化硅的包括氢化非晶硅和氢化钠米硅的薄膜太阳能电池具有低制造成本，便于大面积集成的优点。薄膜太阳能电池是多层器件，如图1所示，典型的基于氢化硅的薄膜太阳能电池通常具有由p层10、i层11和n层12组成的p-i-n叠层结构，其中p层10、i层11和n层12分别为p型掺杂非晶硅层、i型(非掺杂的非晶硅、纳米硅或非晶硅锗合金)和n型掺杂非晶硅层。p层10和n层12在i层11之间建立一个内部电场，入射光20进入i层11在其中产生电子和空穴对，电子和空穴对被电场分离后由外部电路收集，从而将光能转换成电能。p-i-n三层通常称为一个光伏单元，或一个“结”。单结太阳能电池含有单一的光伏单元，为了便于吸收不同光谱的光以提高薄膜太阳能电池的光电转换效率，并减小较厚的单结电池在光照下的不稳定性，目前流行的办法是将两个或更多个光伏单元叠加在一起而形成多结太阳能电池。图2为多结太阳能电池结构简化示意图，如图2所示，以两个结为例，p层10、i层11和n层12组成的第一个p-i-n结和p层10’、i层11’和n层12’组成的第二个p-i-n结叠加在一起，在两个结之间具有复合层15，其作用是将第一结的n层12中流出的电子与第二结的p层10’中流出的空穴进行复合，从而使光电流无阻碍地流过两个结。
传统的多结薄膜太阳能电池中的复合层是由氢化纳米晶体硅(微晶硅)构成的。通常的生产方法是利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺，使用硅烷加上大量氢气的混合气体，其中含有非常高的氢气浓度，在非常高的放电功率和很高的气体流速下形成。这种方法生长微晶硅复合层需要较长的时间，很难在大面积沉积时获得良好的均匀性，对沉积设备和工艺的要求太高，而且形成的微晶硅复合层中晶体结构较为致密，电子缺陷密度不足够高，电子空穴对在其中难以达到较高的复合率，导致上下结中的电流不通畅，影响薄膜太阳能电池的性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种膜层，所述膜层位于多结薄膜太阳能电池的结与结之间，用于复合结与结交界面处的电子和空穴。
所述膜层为复合层。
所述复合层的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。
本发明的另一个目的在于提供一种膜层的形成方法，包括：
向反应室内通入反应气体；
向反应室中通入惰性气体；
向反应室内的电极板供电将反应室内的气体激发为等离子体，从而沉积膜层。
所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
所述反应气体包括氢气、硅烷、磷烷或三氟化磷。
所述反应气体包括氢气、硅烷和三甲烷化硼(TMB，B[CH3]3)。
所述惰性气体和硅烷的体积比为4∶1至500∶1，所述惰性气体对氢气的流量比为大于3∶1。
在反应室内沉积所述膜层的时间为10～30秒，施加在电极板上的等离子体能量密度为40mW/cm2～300mW/cm2。
所述反应室具有大面积板状激励电极板和接地电极板，所述激励电极板和接地电极板等距、纵向间隔交替排列。
本发明的又一个目的在于提供一种多结薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池为多结层叠结构，所述结各包括p层、i层和n层，所述膜层位于多结薄膜太阳能电池的结与结之间，所述膜层为具有高电子缺陷密度且具有较高导电率的复合层，用于充分复合结与结交界面处的电子和空穴。
所述复合层的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的膜层形成方法利用PECVD设备在反应气体中加入高浓度的惰性气体例如氩气、氦气或氮气，在非晶硅薄膜生长过程中利用高能量的惰性气体等离子体对薄膜表面持续进行轰击，能够在很短时间内在薄膜中产生高密度的电子缺陷，这种具有高密度电子缺陷的重度掺杂的膜层极利于光致载流子(电子空穴)对的复合。在结与结之间采用本发明的膜层作为复合层的多结薄膜太阳能电池能够提高上一结n层与下一结p层的电子空穴复合率，从而使上、下结光伏单元中的电流通畅，多结薄膜太阳能电池的电流一致性即光电转换效率得以提高。
附图说明
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指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，并放大了重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层的厚度。
图1为典型薄膜太阳能电池p-i-n三层结构示意图；
图2为多结太阳能电池结构简化示意图；
图3为本发明膜层形成方法的流程图；
图4为本发明膜层结构示意图；
图5为形成本发明膜层的优选设备示意图；
图6为具有本发明膜层的薄膜太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
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。
图3为本发明膜层形成方法的流程图。所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。在本申请文件中的膜层指的是多结薄膜太阳能电池中结与结之间的复合层，也称为隧道层，其作用是使上一结n层中流出的电子与下一结p层中流出的空穴迅速复合，从而使光电流无阻碍地流过两个结。多结薄膜太阳能电池的制造过程是首先提供一个基板，例如玻璃、柔性塑料片等，利用比如低压等离子化学气相沉积(LPCVD)或大气压化学气相沉积(APCVD)工艺在基板表面形成透明前电极，透明前电极的材料可以是氧化锡、氧化锌、铟锡氧化物(ITO)或其它透明导电氧化物(TCO)。然后利用PECVD工艺在具有透明前电极的基板表面沉积p层、i层和n层薄膜。将反应室中的气体压力保持在0.1～20Torr，基板的温度维持在110～260℃，施加在电极板上的等离子体能量密度为10～300mW/cm2，在沉积p层时通入的反应气体混合物中包括硅烷、氢气、以及三甲烷化硼(TMB，B[CH3]3)或双硼烷(B2H6)。沉积n层时通入的反应气体混合物中包括硅烷、氢气、以及磷烷(PH3)或三氟化磷(PF3)或三甲烷化镓。沉积i层时通入的反应气体混合物中包括硅烷和氢气。其中，可以用双硅烷、四氟化硅、二氯化硅、氟化硅烷和三氯硅烷中的一种或其组合来代替硅烷。在气体混合物中还可以包括锗烷、甲烷、氟化氢、氯化氢、氟气和氯气中的一种或其组合。
在沉积一结pin叠层结构之后，将反应室中的剩余气体排出，开始沉积复合层，向反应室内通入反应气体(S301)；该反应气体是沉积复合层的反应气体混合物，包括氢气、硅烷和TMB，在本发明的其他实施例中，反应气体混合物包括氢气、硅烷、磷烷或三氟化磷。同时向反应室中通入惰性气体(S302)，例如氮气、氩气或氦气，优选为氩气。将PECVD反应室内基板的温度范围设置在110～260℃之间；反应室中的气压为0.2～10Torr。本发明的复合层形成方法中氩气在混合气体中的含量较高，氩气和硅烷的体积比为4∶1至500∶1，氩气对氢气的流量比为大于3∶1。在本发明的其他实施例中，可以用双硅烷、四氟化硅、二氯化硅、氟化硅烷和三氯硅烷中的一种或其组合来代替硅烷。在本发明的其他实施例中，反应气体混合物中还可以包括锗烷、甲烷、氟化氢、氯化氢、氟气和氯气中的一种或其组合。然后向反应室内的电极供电将反应室内的气体激发为等离子体(S303)，在基板表面沉积膜层。反应时间为10～30秒，施加在电极板上的等离子体能量密度为40～300mW/cm2。供电电源可以是射频、极高频、直流或微波，供电方式可以是连续供电或间歇供电。
图4为本发明膜层结构示意图。所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。在激发等离子体辉光放电的过程中，被电离的氩离子不仅能够对硅烷起到积极的分解作用，而且高能量的氩离子能够持续对薄膜的生长表面进行高能轰击，打破氢化非晶硅膜层中的氢-硅键，进而改变非晶硅的生长微结构，形成电子缺陷密度很高且同时具有较高导电率的复合层50，如图4所示。所述复合层50的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。
图5为形成本发明膜层的优选设备示意图，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。如图5所示，在形成本发明膜层的优选设备中，大面积板状激励电极板和接地电极板在反应室60中等距、纵向间隔交替放置，反应室60具有进气口64和出气口68，反应气体经进气口64进入反应空间62并经出气口68排出，激励电源69为激励电极板提供能量。激励电极板和接地电极板的两侧表面以及反应室侧壁内表面均为平坦表面都可放置与电极板面积相当的大面积基板66，能够在大面积基板66表面均匀地沉积薄膜，能够提高生产效率，适合大规模生产。此外，基板的面积与电极板面积相当且均附着于激励电极板、接地电极板两侧和反应室侧壁内表面，因此激励电极板、接地电极板和反应室侧壁内表面暴露于等离子体环境下的面积非常小，加之氩气对反应气体的稀释作用，使得沉积复合层后在反应室内留下的沉积残留聚合物非常少，减少了由于使用较高浓度的掺杂气体而产生的交叉污染，特别是减少了对下一结p-i-n结构中的i层的交叉污染。因此可以在原位(in suit)继续沉积下一结的p-i-n各层。
图6为具有本发明膜层的薄膜太阳能电池结构示意图。所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。如图6所示，图6所示为多结(以两个结为例)薄膜太阳能电池。本发明的作为复合层的膜层适用于各种多结薄膜太阳能电池，包括非晶硅，非晶硅锗合金，以及纳米硅类型的多结电池。本发明的具有上述复合层的双结薄膜太阳能电池60为层状结构，包括基板30，前电极接触层34，其材料为氧化锡，第一个p-i-n光伏单元的p层31、i层32和n层33。第二个p-i-n光伏单元的p层41、i层42和n层43，背电极接触层44，其材料为氧化锌和铝(ZnO/Al)双层薄膜，以及玻璃背板40。在第一个p-i-n光伏单元和第二个p-i-n光伏单元之间具有复合层50，其电子缺陷密度很高且同时具有较高导电率。复合层50的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。复合层50的功能如前所述，是将第一光伏单元n层33中流出的电子与第二光伏单元p层41中流出的空穴迅速复合，从而使光电流无阻碍的通过两个光伏单元，使第一个p-i-n光伏单元和第二个p-i-n光伏单元电连接成为一体。
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。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。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方法和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。

Claims (12)

1、一种膜层，所述膜层位于多结薄膜太阳能电池的结与结之间，用于复合结与结交界面处的电子和空穴。
2、根据权利要求1所述的膜层，其特征在于：所述膜层为复合层。
3、根据权利要求2所述的膜层，其特征在于：所述复合层的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。
4、一种膜层的形成方法，包括：
向反应室内通入反应气体；
向反应室中通入惰性气体；
向反应室内的电极板供电将反应室内的气体激发为等离子体，从而沉积膜层。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述反应气体包括氢气、硅烷、磷烷或三氟化磷。
7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述反应气体包括氢气、硅烷和三甲烷化硼(TMB，B[CH3]3)。
8、根据权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于：所述惰性气体和硅烷的体积比为4∶1至500∶1，所述惰性气体对氢气的流量比为大于3∶1。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在反应室内沉积所述膜层的时间为10～30秒，施加在电极板上的等离子体能量密度为40mW/cm2～300mW/cm2。
10、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述反应室具有大面积板状激励电极板和接地电极板，所述激励电极板和接地电极板等距、纵向间隔交替排列。
11、一种具有如权利要求1所述膜层的薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池为多结层叠结构，所述结各包括p层、i层和n层，所述膜层位于多结薄膜太阳能电池的结与结之间，其特征在于：所述膜层为具有高电子缺陷密度和较高导电率的复合层，用于充分复合结与结交界面处的电子和空穴。
12、根据权利要求11所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述复合层的电子缺陷密度大于或等于5×1018/cm3，导电率大于或等于0.01/欧姆·厘米。
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