[发明专利]一种带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法

权利要求书

1.带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是包括p型硅衬底，p型硅衬底上设有渐变厚度的多层非晶硅/碳化硅膜结构，渐变厚度的非晶硅/碳化硅指硅量子点/碳化硅多层膜结构，由p型硅衬底、碳化硅本征层即i层和最外层的n型纳米晶硅膜构成的p-i-n电池结构；并在表面引出电极构成电池。

2.根据权利要求1所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是p型硅衬底上往表面生长的每个氢化非晶硅/碳化硅的周期中非晶硅子层厚度是逐渐减薄的；p型硅衬底上或近p型硅衬底生长的非晶硅子层最厚，往表面生长的非晶硅子层最薄。

3.根据权利要求1所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是最外层的n型纳米晶硅层是磷掺杂非晶硅层，退火后成为纳米晶n型半导体层。

4.根据权利要求1或2所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是表面引出电极的方式是：n型纳米晶硅层上表面蒸镀束状金属电极，p型硅衬底背面蒸镀整面金属电极。

5.根据权利要求1或2所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是渐变厚度的氢化非晶硅/碳化硅多层膜淀积的层数为6-20。

6.根据权利要求5所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是分成3-5个周期，每个周期为2-4层，每个周期的每层厚度相同；每层厚度从8nm逐渐减薄到2nm以内。

7.根据权利要求5或6所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是多层膜淀积的总厚度为40-200nm；经过高温热退火或激光晶化处理后形成了尺寸渐变，近基底的纳米晶硅子层厚、近外表面薄的纳米硅量子点/碳化硅多层膜结构。

8.带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法，其特征是在p型硅衬底上制备渐变厚度的非晶硅/碳化硅多层膜结构。

1）、在化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积系统中以化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积生长，采用硅烷SiH₄和甲烷CH₄的混合气体作为反应气源，在p型单晶硅衬底上淀积得到一定厚度的氢化非晶碳化硅薄膜；在沉积氢化非晶碳化硅薄膜结束后，关闭甲烷气源，仅通入硅烷气体，制备氢化非晶硅薄膜；制备成一个具有周期结构的氢化非晶硅/碳化硅膜；

2）、重复上述过程，制备层数为6-20的非晶硅/（非晶）碳化硅多层膜结构。每向上生长的层厚均减薄；或6-20层分成3-5个周期进行，每个周期为24层，每个周期的每层厚度相同，每个周期均减薄生长；

3）、在制备的渐变厚度非晶硅/碳化硅多层结构上，在同一生长腔里同时通入硅烷（SiH₄）和磷烷（PH₃）混合气体制备磷掺杂非晶硅膜作为n型半导体薄膜层；

4）后处理晶化获得尺寸渐变硅量子点/碳化硅多层结构：将得到的渐变厚度的氢化非晶硅/碳化硅多层膜进行一小时450℃恒温脱氢处理，时间可以从30分钟到1小时，使多层薄膜中所含有的大量氢平稳脱出薄膜，防止多层薄膜在后续的高温退火中破裂；使渐变厚度的非晶硅（a-Si:H）/非晶碳化硅（a-SiC:H）薄膜脱氢变成非晶硅（a-Si）/非晶碳化硅（a-SiC）薄膜；

5）、将经过脱氢处理的样品进行一小时800~1000℃恒温热退火处理，使非晶硅（a-Si）薄膜中成核并慢慢结晶；或进行激光晶化处理，使非晶硅（a-Si）薄膜中成核结晶；

6）、最上层的磷掺杂非晶硅层退火后成为导电性高的纳米晶的n型半导体层，在上下表面镀电极构成太阳电池。

9.根据权利要求8所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法，其特征是电极进行氮气氛围半小时400℃合金化处理，合金化时间范围从20分钟到30分钟，形成了基于渐变带隙硅量子点/碳化硅多层膜的太阳能电池器件结构。

10.根据权利要求8所述的带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法，其特征是在p型硅衬底上制备渐变厚度的非晶硅/碳化硅多层膜结构；

1-1）、在化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积系统中以化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积生长，控制衬底温度250℃，射频功率变化范围可以从30W到50W，采用硅烷（SiH₄）和甲烷（CH₄）的混合气体作为反应气源，在p型单晶硅衬底上淀积得到一定厚度的氢化非晶碳化硅薄膜；

1-2）、在沉积氢化非晶碳化硅薄膜结束后，关闭甲烷气源，仅通入硅烷气体，制备氢化非晶硅薄膜；

1-3）、上述两个过程交替周期性淀积生长，制备2-4个周期的非晶硅薄膜/非晶碳化硅多层结构非晶硅薄膜厚度为d1后，在下一个制备周期将氢化非晶硅薄膜的沉积厚度减小到d2,(d1>d2)，同时非晶碳化硅的沉积厚度不变；

1-4）、将具有厚度为d2的非晶硅与非晶碳化硅结构交替制备24个周期后，在下一制备周期将非晶硅膜的沉积厚度减小到d3，d1>d2>d3，同时非晶碳化硅的沉积厚度不变；

1-5）、重复周期结构制备过程得到2-4个周期后的非晶硅薄膜（厚度为d3）/非晶碳化硅后，完成渐变厚度的非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的制备；

1-6）、在制备的渐变厚度非晶硅/碳化硅多层结构上，在同一生长腔里同时通入硅烷（SiH₄）和磷烷（PH₃）混合气体制备磷掺杂非晶硅膜作为n型半导体薄膜层。

后处理晶化获得尺寸渐变硅量子点/碳化硅多层结构：

2-1）、将上一步骤得到的渐变厚度的氢化非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的样品，进行恒温脱氢处理，使多层薄膜中所含有的大量氢平稳脱出薄膜，防止多层薄膜在后续的高温退火中破裂；使渐变厚度的非晶硅（a-Si:H）/非晶碳化硅（a-SiC:H）薄膜脱氢变成非晶硅（a-Si）/非晶碳化硅（a-SiC）薄膜；

2-2）、将经过脱氢处理的样品进行恒温热退火或激光晶化处理，使非晶硅（a-Si）薄膜中成核结晶，由于初始非晶硅层厚度(d1、d2、d3)的不同，在退火后形成生成夹在碳化硅薄膜之间的具有不同尺寸的纳米硅量子点，并且量子点尺寸自下而上逐渐减小。这样就可以制备尺寸渐变硅量子点/碳化硅多层结构。

2-3）、最上层的磷掺杂非晶硅层退火后成为导电性较好的纳米晶n型半导体层。这样就形成了由p型硅衬底，尺寸渐变硅量子点/碳化硅多层结构本征层（i层）和n型纳米晶硅膜构成的p-i-n电池结构。