[发明专利]使得非晶硅电池变得更稳定的化学退火办法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光电材料领域，特别涉及到氢化非晶硅薄膜的生长技术。

背景技术

太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一，薄膜太阳能电池代表着光伏技术的发展趋势。基于硅薄膜的太阳能电池具有低成本，便于大面积集成制造的优点，但是其转换效率偏低。光电转换的过程完全发生在由本征非晶硅构成的i层之中，而p层和n层的作用是在相对厚的i层中建立内置电场，以便收集i层中的光致载流子。非晶硅p-i-n型太阳能电池的稳定性，几乎完全取决于非掺杂的非晶硅i层的稳定性。这类电池的初始光电转换效率随着i层厚度的增加而提高，但非晶硅电池所具有的光致衰减也随i层厚度的增加而更为明显，特别是当p-i-n型太阳能电池的i层厚度超过300纳米时，也就是说，转换效率和稳定性不易兼得，从而极大的限制了这类电池的应用。因为薄电池的转换效率通常比较低，一个流行的解决这一问题的方法就是采用多结电池技术，也就是将两个或更多个基于非晶硅的太阳能电池重叠在一起。但是采用这种多结电池的技术具有诸多缺点，包括器件结构复杂、生产工序难以掌握、设备及生产成本偏高，所以很难被大规模的应用到太阳能发电中。所以很有必要寻求一种改善i层的稳定性的镀膜方法，使其改进p-i-n型非晶硅太阳能电池的稳定性和转换效率。

引起非晶硅光致衰退的主要原因是由于非晶硅中原子网络无序，有很多高度扭曲的易于被打破的原子键，而这种键的断裂是引起电子缺陷密度在光照下增长的直接原因，其根本解决办法是减少这种无序材料中的内压，也就是减少被高度扭曲的的原子键的密度。通常的生长非晶硅的方法是使用一组固定的等离子体参数，使得所生长的薄膜至始至终都在一个特定的条件下连续的形成。所以即使在PECVD过程中，使用氢气高度的稀释硅烷，等离子体激发的氢原子也没有足够的机会不断改善所形成的硅原子结构。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的目的：通过改进PECVD制成氢化非晶硅薄膜的方法，从而改进氢化非晶硅薄膜的稳定性和光电性能。

本发明的进一步目的是，改善p-i-n型使用氢化非晶硅薄膜作为i层的薄膜太阳能电池的长久转换效率。

为了达到上述目的，本发明采用了一种改进本征非晶硅薄膜的稳定性的化学退火方法。在使用等离子体增强化学气相沉积法生成氢化非晶硅的过程中，2-10纳米厚硅膜的生长和氢气等离子体的化学退火处理交替进行，使得氢化硅材料的原子结构得到充分的重建和松动，并降低电子缺陷密度。这种材料特别适用于p-i-n型光伏器件中的i层。

周期性的依靠等离子体产生的氢原子的化学退火可以重建和松动非晶硅薄膜表面部分的原子结构，实际上等离子体产生的原子氢可以深入到硅表层下5纳米，所以表层下的原子组织也可有效的得到原子氢的退火处理。具体做法是，每生长几纳米厚的非晶硅材料后就中断薄膜生长，而转用含纯氢的能量较低的等离子体来处理刚刚镀好的非晶硅薄膜。含纯氢的等离子体的作用并不是要将硅的原子从表面上蚀刻掉，而是依靠氢原子渗入到硅结构之中，促进硅与硅化学键的重新组合优化，使得原子结构更为放松，减少局部应力。这样就避免了以后导致缺陷产生的基于原子结构上的诱因。当然在使用氢等离子体进行化学退火时，惰性气体也可被加入氢气之中。

具体实施方式

最显而易见的方法是，在用等离子体增强化学气相沉积法形成非掺杂的基于氢化硅的薄膜时，如下两个步骤交替进行，1)使用硅烷和氢气的混合气体，将基板温度保持在150-220℃之间，使用20-100mW/cm²的射频放电功率密度，生长2-10纳米厚的非晶硅薄膜，其生长速率不高于0.6纳米/秒，在薄膜形成后停止辉光放电(也就是停止向负电极供应激发等离子体的电能)，并将残余硅烷抽出真空室；2)将纯氢气或含有比例不超过50％的惰性气体与氢气的混合物引入真空室中，在上述非晶硅薄膜上施加等离子辉光放电，从而产生氢原子，并对硅薄膜进行化学退火，其持续时间在20-300秒之间，所使用的射频放电功率密度为20-80mW/cm²，气压不低于2mbar，以减小轰击硅表面离子的平均能量。

最干脆的做法是，在交替进行的薄膜生长和化学退火步骤之间，不打断等离子体辉光放电，从而简化操作过程，并获得更高的硅薄膜的有效沉积速率。在一个使用硅烷和氢气的混合气体进行辉光放电过程中，周期性的将硅烷气体关掉，导致周期性的只有纯氢的辉光放电过程，从而周期性的对薄膜进行化学退火处理。这种做法易于被投入到大规模生产过程中。