[发明专利]一种纳米晶硅薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种微晶氧化硅为窗口层的带隙可调的纳米晶硅薄膜太阳能电池制备方法。

背景技术

目前，碲化镉、铜铟镓硒（CIGS）、硅基（非晶硅、微晶硅等）三类薄膜电池代表薄膜光伏市场的主流。与其他类型的薄膜电池相比，硅基薄膜太阳能电池还是比较低的，但是，由于硅基薄膜电池的原料在自然界的储量丰富，采用的低温等离子体化学气相沉积（PECVD）工艺发展相对较为成熟，容易实现大面积和自动化生产，与目前主流的半导体工业相互兼容，因此，它在转换效率、产业化设备、工艺可靠性、成本等方面获得了较好的综合优势，并且较早的进入了产业化阶段。因此，硅基薄膜太阳能电池一直是国内外研究机构、光伏厂商等竞相追逐的研究和开发的热点。在目前的薄膜太阳能电池中，非晶硅薄膜电池的工艺技术发展最为成熟，但是，由于非晶硅存在的光诱导衰退效应限制了电池的本征吸收层厚度的增加，导致了非晶硅电池的效率较低。氢化纳米晶硅薄膜材料是由硅纳米晶粒和晶粒间界构成的纳米结构材料，具有高的电导率、宽带隙、光吸收等特性。利用量子限制效应，通过调节晶粒尺寸和晶化率来调节纳米晶硅的带隙大小，优化薄膜对不同波段光的吸收；另一方面，纳米晶硅薄膜具有良好的光照稳定性，可以有效地减少光致衰退效应（S-W效应）。此外，由于纳米晶硅薄膜的制备工艺与目前的非晶硅薄膜工艺具有良好的兼容能力，故在硅基纳米薄膜太阳能电池、大面积显示屏等中有较大应用。

由于太阳光的光谱能量范围分布较广，而单一的半导体材料都只能吸收其中能量比材料带隙宽度大的光子，而超出带隙宽度的多余光子能量是通过热量而耗散，不能有效地转换成电能。在p-i-n薄膜太阳能电池中，如果电池的激活层（i层，本征层）是由带隙渐变的多层薄膜组成，那么波长较短的太阳光能被宽带隙的本征层吸收，而长波较长的太阳光能够透射过去让带隙宽度较小的本征层吸收，这就有可能最大限度地将提高电池的光电转换效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种纳米晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，改变纳米晶硅薄膜带隙宽度，以带隙宽度逐渐变化的纳米晶硅薄膜为本征层，改善电池的光吸收，以微晶氧化硅为窗口层，减少电池的非激活层的光吸收损失，最大限度地提高电池的光电转换效率。

为此采用如下的技术方案：一种纳米晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

1）制备带隙宽度可调控的纳米晶硅薄膜：利用等离子体化学气相沉积，制备纳米晶硅薄膜，具体工艺参数如下：射频辉光的激励功率为0.5~1.5W/cm²；氢的稀释比（氢气与硅烷的体积比）为40~120，衬底温度为150~250℃；反应气压为150~500Pa，可以获得带隙宽度在1.65~1.25eV可调的纳米晶薄膜；

2）氧化硅薄膜的制备；利用等离子体化学气相沉积制备微晶氧化硅薄膜，其生长及其掺杂与纳米晶硅的方法完全相同，增加一CO₂生长气源；氢稀释比固定为300，调节CO₂稀释比（体积比），微晶氧化硅的材料特性参数变化如下：当CO₂稀释比从0到1.5变化时，电导率由0.1S/cm下降到10^-10S/cm，带隙宽度从1.85eV增加到2.25eV；对于薄膜在光波长为500nm处的折射率而言，CO₂稀释比从0增加到1.5时，微晶氧化硅的折射率从4.1减少到2.5；CO₂稀释比固定为0.8，调节氢稀释比，微晶氧化硅的材料特性参数变化如下：当氢稀释比小于300时，暗电导率维持在10^-8S/cm附近，氢稀释比从300增加到450时，暗电导率快速增加到10^-3S/cm；当氢稀释比从0增加到450时，带隙宽度从1.9增加到2.3eV；