CN102403378B - 一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，依次在柔性衬底上制备SiN薄膜绝缘层、ZnO薄膜缓冲层、Al背电极、NIP型薄膜、AZO薄膜和Al前电极，其中NIP型薄膜中的N层为微晶硅薄膜，I层为含量子点氮化硅薄膜，P层为非晶碳化硅薄膜。本发明由于采用了含量子点结构的氮化硅薄膜做I层，可以有效的提高电池的光电转换效率，又由于采用ZnO薄膜缓冲层，使得电池的光电转换效率得到提高。该柔性电池具有极好的柔软性，可以任意卷曲。同时制备工艺简单，可实现规模生产。

Description

一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种基于柔性衬底的薄膜太阳电池及其制造方法。
背景技术
柔性衬底薄膜太阳能电池是指在柔性材料（如不锈钢、聚合物）上制作的太阳能电池，是目前最具有核心竞争力的太阳能电池。目前已经商业化应用的薄膜太阳以基于玻璃衬底的非晶硅薄膜太阳能电池为主，其制作原理为：使用硅烷（SiH4）等离子体分解法，通过在硅烷掺杂乙硼烷（B2H6）和磷化氢（PH3）等气体，在低成本基板上（玻璃、不锈钢）低温成膜，形成具备光伏功能的P-I-N（单结或叠层）结构，最后引入电极，切片，封装。
目前，技术相对成熟的薄膜太阳电池多是基于硅材料，对于P-I-N结构的薄膜太阳电池中的本征I层一般采用非晶硅。非晶硅（a-Si）又称无定型硅，就其微观结构来看，是长程无序而短程有序的连续无规则网络结构，包含有大量的悬挂键、空位等缺陷。由于非晶硅的光学禁带宽度在1.7eV左右，对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，使其光电转换效率较低，又本征非晶硅材料存在明显的光致衰退（S-W）效应，致使太阳电池的光致性能衰减较快性能稳定性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性薄膜太阳电池及其制备方法，提高了薄膜太阳能电池的柔软性、稳定性及光电转化效率。
一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池，从下往上依次包括柔性衬底、SiN薄膜绝缘层、ZnO薄膜缓冲层、Al背电极、NIP型薄膜、AZO薄膜和Al前电极，其中NIP型薄膜中的N层为微晶硅薄膜，I层为含量子点氮化硅薄膜，P层为非晶碳化硅薄膜。
一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，在柔性衬底上依次制备SiN薄膜绝缘层、ZnO薄膜缓冲层、Al背电极、NIP型薄膜、AZO薄膜和Al前电极，其中NIP型薄膜中的N层为微晶硅薄膜，I层为含量子点氮化硅薄膜，P层为非晶碳化硅薄膜。
进一步地，所述SiN薄膜绝缘层在真空条件下采用等离子增强化学气相沉积法制备，工艺参数取值范围为：NH3的流量40～60sccm，SiH4气体流量60～80sccm，基片温度200～240℃，等离子体的射频功率80～150W，腔体工作压强90～140Pa沉积时间30～40分钟。
进一步地，所述ZnO薄膜缓冲层采用磁控溅射制备，工艺参数取值范围为：衬底温度200～300℃，氩氧比15:1～35:1，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率80～150W，溅射气压0.6～1Pa，溅射时间1～2小时。
进一步地，所述Al背电极采用真空蒸镀制备，工艺参数取值范围为：本底真空度10-3～10-4Pa，沉积时间1～3分钟，电压为150～220V。
进一步地，所述NIP型薄膜采用等离子增强化学气相沉积法制备，具体为：
（1）在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:20～40sccm,SiH4:10～15sccm,等离子体的射频功率80～150W，沉积温度180～240℃，沉积气压80～140Pa，沉积时间1～2分钟；
（2）在N型微晶硅薄膜上制备含量子点I型氮化硅薄膜，通入的气体流量NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度200～240℃，等离子体的射频功率80～150W，腔体压强80～140Pa沉积时间为：20～30分钟；
（3）在I型氮化硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:20～30sccm,，CH4:30～40sccm，SiH4:40～60sccm，等离子体的射频功率80～150W，沉积温度180～240℃，沉积气压80～140Pa，沉积时间30秒～1分钟。
进一步地，所述AZO薄膜采用磁控溅射法制备，工艺参数取值范围为：衬底温度200～300℃，氩氧比15:1～35:1，采用的靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝，其中氧化铝的重量比为2%～3%，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率80～150W，溅射气压0.6～1Pa，溅射时间1～2小时；
进一步地，所述Al前电极采用电阻蒸发式真空镀铝设备制备，工艺参数取值范围为：本底真空度10-3～10-4Pa，蒸发时间1～3分钟，电压150V～175V。
本发明提供了一种完整的具有产业化潜力的柔性衬底的薄膜太阳电池及其制备工艺。本发明采用“柔性衬底/SiN层/Al背电极/N型微晶硅薄膜/含量子点的I型氮化硅薄膜/P型非晶碳化硅薄膜/透明导电氧化物（TCO）薄膜层/Al电极”的太阳电池模型，并且在氮化硅和Al背电极之间加入ZnO缓冲层，TCO层采用氧化锌铝（AZO）。所采用的柔性衬底有不锈钢（stainlesssteel，简称SS）、聚酰亚胺(polyimide,简称PI)等，此柔性太阳能电池最大的特点是重量轻、厚度薄和可卷曲，其重量比功率和体积比功率较其它种类的电池高几个数量级。具有极好的柔软性，可以任意卷曲、裁剪、粘贴。在制备过程中，改变了I层材料及结构，在具有低的隧穿势垒及高折射率和低光损耗系数的高质量氮化硅薄膜中引入量子点结构来取代原来常见的非晶硅I层，提高电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明柔性薄膜太阳电池的制备流程图。
具体实施方式
本发明采用“柔性衬底/SiN层/ZnO薄膜/Al背电极/N型微晶硅薄膜/含量子点的I型氮化硅薄膜/P型非晶碳化硅薄膜/AZO薄膜/Al电极”的太阳电池结构。所涉及的制造工艺技术包括以下步骤：
（1）清洗柔性衬底，以SS和PI为代表的柔性衬底具有良好的耐高温性能及良好的柔韧性；
（2）在柔性衬底上制备SiN薄膜绝缘层，在真空条件下采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）法在柔性衬底上制备SiN薄膜绝缘层，NH3的流量为40～60sccm，SiH4气体流量为60～80sccm，基片温度为200～240℃，等离子体的射频功率为80～150W，沉积压强为90～140Pa，沉积时间为30～40分钟；
（3）采用磁控溅射法在SiN上制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为200～300℃，氩氧比为15:1～35:1，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率为80～150W，溅射气压为0.6～1Pa，溅射时间为1～2小时；
（4）利用热蒸发法在ZnO薄膜上制备Al背电极，其中本底真空度10-3～10-4Pa，沉积时间1～3分钟，钨丝加热电压为150～220V；
（5）在Al背电极上制备NIP型薄膜，
（5.1）在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:20～40sccm,SiH4:10～15sccm,等离子体的射频功率为80～150W，沉积温度为180～240℃，沉积气压为80～140Pa，沉积时间为1～2分钟；
（5.2）在N型微晶硅薄膜上制备含量子点I型氮化硅薄膜，通入的气体流量为NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，沉积温度为200～240℃，等离子体的射频功率为80～150W，腔体压强80～140Pa沉积时间为20～30分钟；
（5.3）在I型氮化硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:20～30sccm，CH4:30～40sccm，SiH4:40～60sccm，等离子体的射频功率为80～150W，沉积温度为180～240℃，沉积气压为80～140Pa，沉积时间为30秒～1分钟；
（6）用磁控溅射法在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜。其中衬底温度为200～300℃，氩氧比为15:1～35:1，采用的靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝的重量比为2%～3%，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率为80～150W，溅射气压为0.6～1Pa，溅射时间为1～2小时；
（7）在AZO薄膜上蒸发Al电极，其中本底真空度10-3～10-4Pa,蒸发时间：1～3分钟，电压为150V～175V。
下面通过借助实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。
实例1：
（1）清洗柔性衬底（SS）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为50sccm，SiH4气体流量为70sccm，基片温度为220℃，等离子体的射频功率为100W，腔体工作压强为120Pa，沉积时间为35分钟；
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：1，本底真空度10-4Pa,溅射功率：150W,溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时；
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10-3Pa,沉积时间：2分钟，电压为175V；
（5）制备NIP型薄膜
（5.1）在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:30sccm,SiH4:15sccm,等离子体的射频功率为100W，沉积温度为200℃，沉积气压：100Pa，沉积时间：1分钟10秒；
（5.2）在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3：50sccm，SiH4：75sccm,等离子体射频功率为100W，沉积温度为200℃，沉积气压：100Pa，沉积时间：26分钟；
（5.3）制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm,CH4:35sccm，SiH4：40sccm,等离子体的射频功率为100W，沉积温度为210℃，沉积气压：100Pa，沉积时间：40秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝的重量比为2.5%，本底真空度10-4Pa,溅射功率：150W,溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10-3Pa,蒸发时间：2分钟，电压为175V。
实例2：
（1）清洗柔性衬底（SS）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为60sccm，SiH4气体流量为80sccm，基片温度为240℃，等离子体的射频功率为130W，腔体工作压强为120Pa，沉积时间为30分钟；
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为275℃，氩氧比：30：1，本底真空度10-4Pa,溅射功率：120W，溅射气压为1Pa，溅射时间1.5小时。
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10-3Pa,沉积时间：2分钟，电压为175V；
（5）制备NIP型薄膜
a)在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:35sccm,SiH4:12sccm等离子体的射频功率为120W，沉积温度为220℃，沉积气压：130Pa，沉积时间：1分钟20秒；
b)在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3：50sccm，SiH4:70sccm,等离子体的射频功率为120W，沉积温度为220℃，沉积气压130Pa，沉积时间30分钟；
c)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm,CH4:35sccm,SiH4:40sccm,等离子体的射频功率为120W，沉积温度为220℃，沉积气压：130Pa，沉积时间：50秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝所占的重量比为2.5%，本底真空度10-4Pa,溅射功率：120W,溅射气压：1Pa，溅射时间：1.5小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10-3Pa，蒸发时间为2分钟，电压为160V。
实例3：
（1）清洗柔性衬底（SS）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为40sccm，SiH4气体流量为60sccm，沉积温度为220℃，等离子体的射频功率为150W，沉积气压为130Pa，沉积时间；38分钟
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为300℃，氩氧比：35：1，本底真空度10-4Pa,溅射功率：80W,溅射气压：0.8Pa，溅射时间：1.5小时。
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10-3Pa,沉积时间：2分钟，电压为175V；
（5）在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP型薄膜
a)在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:40sccm,SiH4:12sccm,等离子体的射频功率为150W，沉积温度为240℃，沉积气压：130Pa，沉积时间：1分钟；
b)在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3：50sccm，SiH4:65sccm,等离子体的射频功率为150W，沉积温度为240℃，沉积气压：120Pa，沉积时间：30分钟；
c)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm,CH4:35sccm,SiH4:40sccm,等离子体的射频功率为150W，沉积温度为240℃，沉积气压：120Pa，沉积时间：45秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝的重量比为2.5%，本底真空度10－4Pa,溅射功率：100W,溅射气压：1Pa，溅射时间：1.6小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10－3Pa，蒸发时间为2分钟，电压为160V。
实例4：
（1）清洗柔性衬底（PI）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为50sccm，SiH4气体流量为70sccm，基片温度为220℃，等离子体的射频功率为100W，腔体工作压强为120Pa，沉积时间为35分钟；
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为250℃，氩氧比为25：1，本底真空度10－4Pa，溅射功率为150W，溅射气压为1Pa，溅射时间为1小时。
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10－3Pa,沉积时间为2分钟，电压为175V；
（5）制备NIP型薄膜
a)在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:30sccm，SiH4:15sccm，等离子体的射频功率为100W，沉积温度为200℃，沉积气压为100Pa，沉积时间为1分钟10秒；
b)在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3：50sccm，SiH4:75sccm,等离子体的射频功率为100W，沉积温度为200℃，沉积气压为100Pa，沉积时间为26分钟；
c)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm，CH4:35sccm，SiH4:40sccm，等离子体的射频功率为100W，沉积温度为200℃，沉积气压：100Pa，沉积时间：40秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝的重量比为2.5%，本底真空度10－4Pa，溅射功率为150W，溅射气压为1Pa，溅射时间为1小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10－3Pa，蒸发时间为2分钟，电压为175V。
实例5：
（1）清洗柔性衬底（PI）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为60sccm，SiH4气体流量为80sccm，基片温度为220℃，等离子体的射频功率为130W，腔体工作压强为120Pa，沉积时间为30分钟；
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为275℃，氩氧比为30：1，本底真空度10－4Pa，溅射功率为120W，溅射气压为1Pa，溅射时间为1.5小时。
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10－3Pa，沉积时间2分钟，电压为175V；
（5）在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP型薄膜
a)在AL背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:35sccm，SiH4:12sccm，等离子体的射频功率为120W，沉积温度为220℃，沉积气压130Pa，沉积时间1分钟20秒；
b)在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3：50sccm，SiH4:70sccm，等离子体的射频功率为120W，沉积温度为220℃，沉积气压：130Pa，沉积时间30分钟；
c)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm，CH4:35sccm，SiH4:40sccm，等离子体的射频功率为120W，沉积温度为230℃，沉积气压：130Pa，沉积时间：50秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比为25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝所占的重量比为2.5%，本底真空度10－4Pa，溅射功率120W，溅射气压为1Pa，溅射时间1.5小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10－3Pa，蒸发时间2分钟，电压为160V。
实例6：
（1）清洗柔性衬底（PI）；
（2）用PECVD法在衬底上制备绝缘层SiN，其中NH3的流量为40sccm，SiH4气体流量为60sccm，基片温度为220℃，等离子体的射频功率为150W，沉积压强为130Pa，沉积时间为38分钟；
（3）制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为300℃，氩氧比为35：1，本底真空度10－4Pa，溅射功率80W，溅射气压：0.8Pa，溅射时间1.5小时；
（4）制备Al背电极，其中本底真空度10－3Pa，沉积时间2分钟，电压为175V；
（5）制备NIP型薄膜
a)在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:40sccm,SiH4:12sccm,等离子体的射频功率为150W，沉积温度为240℃，沉积气压：130Pa，沉积时间：1分钟；
b)在N型微晶硅薄膜上制备含量子点结构的I型氮化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：NH3:50sccm，SiH4:65sccm,等离子体的射频功率为100W，沉积温度为240℃，沉积气压120Pa，沉积时间30分钟；
c)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:25sccm,CH4:35sccm,SiH4:40sccm,等离子体的射频功率为150W，沉积温度为240℃，沉积气压为120Pa，沉积时间：45秒；
（6）在P型非晶碳化硅薄膜上制备AZO薄膜，其中衬底温度为250℃，氩氧比为25：1，靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝陶瓷靶，其中氧化铝的重量比为2.5%，本底真空度10－4Pa，溅射功率：120W，溅射气压为1Pa，溅射时间1.6小时；
（7）在AZO薄膜上制备Al前电极。其中本底真空度10－3Pa,蒸发时间：2分钟，电压为160V。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于上述实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池，从下往上依次包括柔性衬底、SiN薄膜绝缘层、ZnO薄膜缓冲层、Al背电极、NIP型薄膜、AZO薄膜和Al前电极，其中NIP型薄膜中的N层为微晶硅薄膜，I层为含量子点氮化硅薄膜，P层为非晶碳化硅薄膜；所述含量子点I型氮化硅薄膜在N型微晶硅薄膜上制备，工艺参数为：通入的气体流量NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度200～240℃，等离子体的射频功率80～150W，腔体压强80～140Pa，沉积时间为：20～30分钟。
2.一种具有量子点结构的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，在柔性衬底上依次制备SiN薄膜绝缘层、ZnO薄膜缓冲层、Al背电极、NIP型薄膜、AZO薄膜和Al前电极，其中，NIP型薄膜中的N层为微晶硅薄膜，I层为含量子点氮化硅薄膜，P层为非晶碳化硅薄膜；
所述NIP型薄膜采用等离子增强化学气相沉积法制备，具体为：
（1）在Al背电极上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3:20～40sccm,SiH4:10～15sccm,等离子体的射频功率80～150W，沉积温度180～240℃，沉积气压80～140Pa，沉积时间1～2分钟；
（2）在N型微晶硅薄膜上制备含量子点I型氮化硅薄膜，通入的气体流量NH3：40～60sccm，SiH4：60～80sccm，基片温度200～240℃，等离子体的射频功率80～150W，腔体压强80～140Pa沉积时间为：20～30分钟；
（3）在I型氮化硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6:20～30sccm，CH4:30～40sccm，SiH4:40～60sccm，等离子体的射频功率80～150W，沉积温度180～240℃，沉积气压80～140Pa，沉积时间30秒～1分钟。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述SiN薄膜绝缘层在真空条件下采用等离子增强化学气相沉积法制备，工艺参数取值范围为：NH3的流量40～60sccm，SiH4气体流量60～80sccm，基片温度200～240℃，等离子体的射频功率80～150W，腔体工作压强90～140Pa,沉积时间30～40分钟。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述ZnO薄膜缓冲层采用磁控溅射制备，工艺参数取值范围为：衬底温度200～300℃，氩氧比15:1～35:1，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率80～150W，溅射气压0.6～1Pa，溅射时间1～2小时。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Al背电极采用真空蒸镀制备，工艺参数取值范围为：本底真空度10-3～10-4Pa，沉积时间1～3分钟，电压为150～220V。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述AZO薄膜采用磁控溅射法制备，工艺参数取值范围为：衬底温度200～300℃，氩氧比15:1～35:1，采用的靶材是纯度为99.999%的氧化锌和氧化铝，其中氧化铝的重量比为2%～3%，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率80～150W，溅射气压0.6～1Pa，溅射时间1～2小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Al前电极采用电阻蒸发式真空镀铝设备制备，工艺参数取值范围为：本底真空度10-3～10-4Pa，蒸发时间1～3分钟，电压150～175V。
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