[发明专利]一种具有梯度型带隙特征的纳米硅窗口层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅基太阳电池制备工艺，特别是一种具有梯度型带隙特征的纳米硅窗口层及其制备方法。

背景技术

太阳电池在解决日益严峻的环境问题和能源供给问题的有效途径之一。由于硅材料在半导体行业的广泛应用，且人们对硅材料的各种特性都有非常清楚的认识。因此，硅基太阳电池在所有的太阳电池中占有非常重要的地位，其中与非晶硅相关的太阳电池包括非晶硅基薄膜太阳电池(含微晶硅和非晶硅锗等)，以及非晶硅/单晶硅构成的HIT型异质结太阳电池。

在硅基薄膜太阳电池中，非晶硅(a-Si:H)薄膜太阳电池，特别是以非晶硅为基础的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池，因在降低成本实现大面积生产上具有很大的空间而备受光伏产业界的青睐。根据采用的衬底材料的不同和沉积顺序的不同，非晶硅薄膜太阳电池可以分为两大类：第一类是以玻璃等透明衬底的p-i-n型，其结构为玻璃衬底/透明导电前电极/非晶硅pin结/透明导电背电极/金属电极；第二类是以不锈钢等不透明衬底的n-i-p型，其结构为不锈钢衬底/金属电极/透明导电背电极/非晶硅pin结/透明导电前电极/金属栅电极。其中，透明导电膜TCO是指ITO、SnO2和ZnO等，金属电极是指Ag和Al等。

p型掺杂层作为窗口层，与n型掺杂层一起形成太阳电池的内建势。对p型窗口层的基本要求是具有高电导率、低激活能和宽带隙，其中高电导率和低激活能可以增强内建电场并减小窗口层和透明导电电极之间的接触电阻，宽带隙可以使更多的光入射到电池本中吸收层，因此p型窗口层对于非晶硅基太阳电池是非常关键的。如果单纯从光学的角度考虑，p型窗口层的带隙越宽越好，而对于实际的非晶硅太阳电池而言，还需要考虑窗口层带隙与本征层带隙之间的匹配，如非晶硅本征层带隙～1.8eV，非晶硅锗本征层1.4-1.6eV，微晶硅本征层1.2eV。窗口层带隙与本征层带隙之间的失配将导致两者之间界面(p/i)载流子复合增大，影响太阳电池的填充因子和开路电压，并最终影响太阳电池光电转换效率。

另一个重要问题是非晶硅太阳电池的开路电压V_oc与p型窗口层的性能关系密切。理论计算表明，带尾态导致的复合是限制非晶硅太阳电池V_oc最重要的因素，通过计算本征层电子和空穴准费米能级的差得到的最大V_oc的值为1.0±0.1V。而实际上，太阳电池的V_oc不仅与本征层有关，与窗口层的关系也密切相关。目前实验上已经能够得到V_oc的超过1.0V的非晶硅太阳电池，已经接近上述的计算值，其中在窗口层方面的优化也起到了非常重要的作用，参见：Xianbo Liao，Wenhui Du，Xiesen Yang，et al，Journal of Non-Crystalline Solids，Vol.352，2006，1841-1846。

在非晶硅薄膜太阳电池中，a-SiC:H，μc-SiC:H和nc-Si:H的p型或者n型窗口层得到了广泛的研究和应用。由于a-SiC:H和μc-SiC:H会造成本征层碳的污染，所以具有宽带隙和低激活能的p型纳米硅(p-nc-Si:H)被认为是非晶硅太阳电池的理想窗口层选择，其中宽带隙来源于具有纳米尺寸硅晶粒的量子限制效应。为了得到这种nc-Si:H窗口层材料，一般需要高功率、高氢稀释和高的沉积压力等较为苛刻的实验条件。如果辉光功率偏低，难以获得宽带隙；如果辉光功率很高，则很容易导致界面的轰击损伤，在n-i-p型非晶硅太阳电池中造成对i/p界面的损伤，降低太阳电池的性能。

从上面的分析可以看出，p型纳米硅(nc-Si:H)作为非晶硅太阳电池的窗口层必须解决两个问题：1)高辉光功率沉积过程中的高能粒子轰击造成的损伤；2)宽带隙窗口层和较低带隙的本征层之间的带隙匹配和带隙过渡。为此，本发明提出一种具有梯度型带隙特征的纳米硅窗口层及其制备方法，有效地解决了上述的两个问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种具有梯度型带隙特征的纳米硅窗口层及其制备方法，该纳米硅窗口层能够显著提高n-i-p型硅基薄膜太阳电池光电转换效率，其制备方法简单，易于实施。

本发明的技术方案：