CN102903767A - 一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料 - Google Patents

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马峻
张建军
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Abstract

一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，是采用层递式沉积方法制备的由宽带隙非晶硅碳薄膜和窄带隙p型纳米颗粒硅薄膜交替生长的多层材料，非晶硅碳薄膜的厚度为2-8nm，p型纳米颗粒硅薄膜的厚度为2-8nm，如此循环沉积多次，直至形成总厚度为20-50nm的p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱材料；该p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料用于硅基薄膜太阳电池。本发明的优点是：该材料光学带隙可达2.0~3.7eV，电导率可达0.1~5.0S/cm；该材料用于硅基薄膜太阳电池，可显著提高电池的开路电压，降低窗口层的光吸收损失，提高电池的短波响应和短路电流密度，提高光电转换效率。

Description

一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料
【技术领域】
本发明属于硅基薄膜太阳电池领域，特别是一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料。
【技术背景】
硅基薄膜太阳电池因其使用的半导体材料硅储量丰富、无毒并且无污染，是人们研究最多、技术最成熟的。而其中硅基薄膜太阳电池由于产业链短、制造成本低、耗能低、制造过程无污染成为未来太阳电池发展的重要方向。
p型掺杂层作为硅基薄膜电池的窗口层，与n型掺杂层共同形成硅基薄膜电池的内建电场。对p型窗口层的要求是高电导率、低激活能和宽带隙，其中高电导率、低激活能可以增强内建电场并降低p型窗口层和前电极的接触电阻，宽带隙可以减少p型窗口层的光吸收损失，提高电池在短波段的光电响应。目前，在硅基薄膜电池研究中广泛使用p型非晶硅碳作为窗口层材料，通过碳与硅的合金效应使材料带隙展宽。然而，随着非晶硅碳薄膜中碳含量以及带隙的增加，会导致掺杂效率降低、电导率下降；另一方面，通过增加气相掺杂浓度可以提高p型非晶硅碳材料的电导率，而此时材料的结构有序度严重下降，引起带隙降低。总之，传统p型非晶硅碳材料的带隙、碳含量、电导率、掺杂浓度等因素相互制约，使其宽带隙、高电导率性能不易同时获得，最终影响了太阳电池整体性能的提高。
因此，开发出具有高电导率的宽带隙p型窗口层材料，成为进一步提高硅基薄膜太阳电池效率的关键。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，该材料同时具有硅碳合金材料的宽带隙特征和纳米硅材料的高电导率特征，该新型窗口层能够提高硅基薄膜太阳电池的开路电压，并且可以拓展短波区域的太阳电池光谱响应，从而提高太阳电池的光电效率。
本发明的技术方案：
一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，是采用层递式沉积方法制备的由宽带隙非晶硅碳薄膜和窄带隙p型纳米颗粒硅薄膜交替生长的多层材料，非晶硅碳薄膜的厚度为2-8nm，该薄膜中碳含量为30-100%，然后是一层p型纳米颗粒硅薄膜，该薄膜厚度为2-8nm，薄膜内部硅结晶形态为颗粒状，结晶成分占全部材料的体积百分比为70-100%；如此循环沉积多次，直至形成总厚度为20-50nm的p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱材料。
所述p型纳米颗粒硅薄膜的制备工艺为：反应温度50-110℃，反应气源为硅烷、硼烷和氢气的混合气体，其中氢气占气体体积流量的百分比不低于99%，辉光功率密度为0.5-1W/cm2，等离子体处于γ-regime状态。
一种所述p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料的应用，用于硅基薄膜太阳电池，当采用玻璃或透明塑料为衬底时，该硅基薄膜太阳电池由玻璃或透明塑料衬底、前电极、p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层、本征吸收层、n型掺杂层和背电极依次叠加构成，当采用不锈钢或不透明塑料为衬底时，该硅基薄膜太阳电池由背电极、n型掺杂层、本征吸收层、p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层和前电极依次叠加构成。
所述本征吸收层材料为非晶硅、非晶硅锗、非晶硅氧、非晶硅碳、微晶硅或微晶硅锗；所述n型掺杂层材料为n型非晶硅、n型微晶硅、n型非晶硅氧或n型微晶硅氧。
本发明的工作原理：
该p型非晶硅碳/纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，是一种由宽带隙非晶硅碳材料和窄带隙p型纳米颗粒硅材料交替生长的多层材料，其中宽带隙非晶硅碳材料构成电子和空穴的势垒，而窄带隙p型纳米颗粒硅材料构成势阱，通过调节非晶硅碳材料的厚度，使势垒足够宽，可以获得此种新型多量子阱p型窗口层材料。该材料同时具有宽带隙和高电导率特征，这是因为，首先，p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料的宽带隙特征是由宽带隙非晶硅碳材料决定的。对于传统的p型掺杂非晶硅碳材料，具有10-7-10-6S/cm电导率仅可以满足太阳电池的最低要求，而此时材料带隙最高只能达到2.2eV。在不必获得高电导率的前提下，未掺杂的非晶硅碳材料可以通过大幅度提高硅碳合金薄膜中的碳含量，将带隙提高到3.7eV。另一方面，p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料的高电导率特征是由高电导率的p型纳米颗粒硅材料决定的。纳米颗粒硅材料的显著优点是具有极高的掺杂效率，通过掺杂可以获得0.1-1.0S/cm的高电导率。p型纳米颗粒硅材料是在低温条件下制备，在高氢稀释率、高功率的沉积条件下，控制实现等离子体状态从α-regime到γ-regime的转变，促进反应基团在等离子体空间内的二次反应（secondary reactions），而二次反应有利于***反应以及硅氢高聚物（Si4H10、Si5H12、Si6H14）的形成，并且在大量原子氢的作用下，在等离子体空间内形成纳米晶硅颗粒，其颗粒尺寸在几个纳米的范围内。较低的衬底温度，有利于在空间等离子体内形成的纳米晶硅团簇顺利附着在生长表面上，从而实现超薄纳米晶硅材料的制备。
本发明的优点和有益效果是：该p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，由宽带隙的非晶硅碳材料通过量子阱效应使其带隙展宽至2.0-3.7eV，由交替镶嵌其中的高电导率p型纳米颗粒硅材料通过阱与阱间的渗流径实现载流子沿多量子阱生长轴向的纵向输运，使其电导率达到0.1-5.0S/cm。相对于传统p型窗口层，太阳电池所需的超宽带隙和超高电导率特征同时获得。将该材料用于硅基薄膜太阳电池的窗口层，和传统p型窗口层材料相比，一方面可以使电池的内建电场大幅提高，进而显著提高电池的开路电压并有望使之突破传统上限；另一方面可以显著降低p型窗口层的光吸收损失，提高电池的短波响应和短路电流密度，最终在不增加设备成本的前提下提高了硅基薄膜太阳电池的光电转换效率。
【附图说明】
图1是p型非晶硅碳/纳米颗粒硅多量子阱材料的结构示意图。
图中：1.非晶硅碳p1          2.P型纳米颗粒硅p2
3.非晶硅碳p1                4.P型纳米颗粒硅p2
5.非晶硅碳p1                6.P型纳米颗粒硅p2
图2是以p型非晶硅碳/纳米颗粒硅多量子阱材料为窗口层的n-i-p型非晶硅太阳电池结构示意图。
图中：7.不锈钢衬底  8.背电极  9.n型掺杂层  10.本征吸收层
11.p型非晶硅碳/纳米颗粒硅多量子阱      12.前电极
图3是p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱材料的透射电子显微镜照片。
【具体实施方式】
实施例：
一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，如图1所示，是采用层递式沉积方法制备的由宽带隙非晶硅碳薄膜和窄带隙p型纳米颗粒硅薄膜交替生长的多层材料，非晶硅碳薄膜1、3、5采用等离子体增强化学气相沉积技术在衬底温度为150℃条件下制备，反应气体为硅烷、甲烷、氢气混合气体，其中体积流量百分比是：硅烷占0.5％，甲烷占4.5％，氢气为余量，非晶硅碳薄膜的厚度为5nm，薄膜中碳含量为70%；p型纳米颗粒硅薄膜2、4、6采用等离子体增强化学气相沉积技术在衬底温度为75℃条件下制备，辉光功率密度为0.75W/cm2，等离子体处于γ-regime状态，反应气源为硅烷、硼烷和氢气的混合气体，其中体积流量百分比是：硅烷占0.5％，硼烷占0.005％，氢气为余量，p型纳米颗粒硅薄膜厚度为5nm，薄膜内部硅结晶形态为颗粒状，结晶成分占全部材料的体积百分比为85%；最后制得厚度为30nm的p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱材料，带隙3.4eV，电导率1S/cm。
该p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料用于硅基薄膜太阳电池，如图2所示，该硅基薄膜太阳电池由不锈钢衬底7、背电极8、n型掺杂层9、本征吸收层10、p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层11和前电极12依次叠加构成，制得n-i-p型非晶硅太阳电池的开路电压为0.98V，波长400nm处的量子效率可以达到65%。
图3是p型非晶硅碳/纳米颗粒硅多量子阱材料的透射电子显微镜照片。图中显示：直径为2-5nm的纳米颗粒硅分布于非晶硅碳材料表面，表明该材料是典型的非晶硅碳-纳米颗粒硅异质材料。

Claims (4)

1.一种p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，其特征在于：是采用层递式沉积方法制备的由宽带隙非晶硅碳薄膜和窄带隙p型纳米颗粒硅薄膜交替生长的多层材料，非晶硅碳薄膜的厚度为2-8nm，该薄膜中碳含量为30-100%，然后是一层p型纳米颗粒硅薄膜，该薄膜厚度为2-8nm，薄膜内部硅结晶形态为颗粒状，结晶成分占全部材料的体积百分比为70-100%；如此循环沉积多次，直至形成总厚度为20-50nm的p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱材料。
2.根据权利要求1所述p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料，其特征在于：所述p型纳米颗粒硅薄膜的制备工艺为：反应温度50-110℃，反应气源为硅烷、硼烷和氢气的混合气体，其中氢气占气体体积流量的百分比不低于99%，辉光功率密度为0.5-1W/cm2，等离子体处于γ-regime状态。
3.一种如权利要求1所述p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料的应用，其特征在于：用于硅基薄膜太阳电池，当采用玻璃或透明塑料为衬底时，该硅基薄膜太阳电池由玻璃或透明塑料衬底、前电极、p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层、本征吸收层、n型掺杂层和背电极依次叠加构成，当采用不锈钢或不透明塑料为衬底时，该硅基薄膜太阳电池由背电极、n型掺杂层、本征吸收层、p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层和前电极依次叠加构成。
4.根据权利要求3所述p型非晶硅碳-纳米颗粒硅多量子阱窗口层材料的应用，其特征在于：所述本征吸收层材料为非晶硅、非晶硅锗、非晶硅氧、非晶硅碳、微晶硅或微晶硅锗；所述n型掺杂层材料为n型非晶硅、n型微晶硅、n型非晶硅氧或n型微晶硅氧。
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