專利名稱：漸變帶隙納米硅薄膜及漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅薄膜太陽能電池領(lǐng)域，特別是漸變帶隙的納米硅薄膜及由這種納米硅薄膜制成的太陽能電池。
背景技術(shù)：
硅薄膜太陽電池有原材料消耗少，易于大面積連續(xù)化生產(chǎn)，制備過程污染小等優(yōu)點(diǎn)；是光伏電池的重要發(fā)展方向。非晶硅電池存在光致衰退效應(yīng)，這限制了他的發(fā)展，納米硅(微晶硅)太陽電池的材料有序性好，基本無衰退，并且能和非晶硅電池結(jié)合制備疊層電池提高效率，降低成本?，F(xiàn)有的納米硅薄膜太陽能電池不能充分吸收不同波段的太陽光能，電能轉(zhuǎn)換效率低、光致衰減大及納米硅太陽電池開路電壓與填充因子較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)硅薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率低、光致衰減大及納米硅太陽電池開路電壓與填充因子較低的問題，提供一種新的漸變帶隙納米硅薄膜材料及由其制備的漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是漸變帶隙納米硅薄膜，為由非晶硅、晶粒和晶界組成的混合相材料；所述晶體硅的帶隙為1.12eV，非晶硅為1.75eV ;所述器件質(zhì)量級的納米硅薄膜晶化率范圍為40%-70% ;所述漸變帶隙納米硅薄膜的帶隙為1.3e疒1.5eV。

漸變帶隙有多種結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出四種方案，其中方案一由一個(gè)1200nm的漸變帶隙形成“C”型漸變結(jié)構(gòu)，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV ;納米硅薄膜晶化率為70%。方案二由兩個(gè)漸變帶隙形成“V”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV，納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為900nm，帶隙從1.3eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為70%_40%。方案三由三個(gè)漸變帶隙形成“U”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV，納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為600nm，帶隙為1.3eV，納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙為300nm，從1.3eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為70%_40%。方案四由四個(gè)漸變帶隙形成“E”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV，納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙為1.3eV,納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙膜厚為300nm，從1.3eV遞變到1.43eV,納米硅薄膜晶化率為70%_51% ;第四漸變帶隙膜厚為300nm，從
1.43eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為51%_40%。一種漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，包括玻璃襯底、透明導(dǎo)電膜、硅薄膜太陽能電池和背電極；所述硅薄膜太陽能電池為單結(jié)硅薄膜太陽能電池或多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池；單結(jié)硅薄膜太陽能電池的I層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的I層均采用前述的漸變帶隙納米硅薄膜。
單結(jié)硅薄膜太陽能電池的N層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的N層均采用N型nc-Si0x:H膜。所述背電極為ZnO與Ag /Al的復(fù)合膜。所述硅薄膜太陽能電池為由頂電池和底電池構(gòu)成的雙結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池；所述頂電池的N1層為nc-SiOx:H/nc-Si IH7I1層為B-SiiH7P1層為a_SiC:H ;所述底電池的N2 層為 a-S1: H，I2 層為 nc-S1: H，P2 層為 nc-S1: H。采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下的有益的效果:(1)本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜用于納米硅電池的I層(也即光吸收層)，充分吸收不同波段的太陽光能，還改善了光生空穴的傳輸，從而可以有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低光致衰退效應(yīng)，降低成本；同時(shí)，漸變光吸收層結(jié)構(gòu)解決了納米硅太陽電池開路電壓較低的問題，而且漸變結(jié)構(gòu)使其與P層及N層的帶隙差別較小，較大程度的解決了 P/1、I/N界面的帶隙失配問題，避免了異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)，(2)本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜通過控制晶化率在一定范圍內(nèi)變化，使得形成漸變帶隙，制備簡單，且無需摻入新的元素來改變帶隙，制備成本低。(3 )本發(fā)明的漸變帶隙納米娃薄膜太陽能電池的N層采用高電導(dǎo)的N型nc-SiOx: H層，其在充當(dāng)NP遂穿結(jié)的組成部分N層的同時(shí)，還起到了增反膜的作用，使部分橙黃光返回頂電池，讓其重吸收，增加頂電池的短路電流，解決了頂電池電流密度難與頂電池及底電池電流密度匹配的問題，解決了頂電池高電流需要較高厚度的問題，使頂電池厚度減薄，這樣，電池的成本與性能均得到改善；同時(shí)，N型nc-SiOx:H層與電池其它層在CVD反應(yīng)腔直接完成，解決了傳統(tǒng)的在兩電池之間單獨(dú)加入一層金屬氧化物增反膜的問題，簡化了制備方法、降低了制備成本。(4)本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池的背電極采用ZnO和Ag/Al的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，ZnO/Ag起到了增反的效果，可進(jìn)一步提高納米娃底電池的短路電流，同時(shí)Ag的高電導(dǎo)率可有效的提升電池的轉(zhuǎn)換效率。(5)本發(fā)明的原理還可以擴(kuò)展出其他厚度的漸變帶隙結(jié)構(gòu)，也同樣適用于倒結(jié)構(gòu)電池，且易于實(shí)現(xiàn)組件的制備。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中圖1為本發(fā)明的“C”型漸變結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明的“V”型漸變結(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明的“U”型漸變結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明的“E”型漸變結(jié)構(gòu)。圖5為本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池的一種具體結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中標(biāo)號(hào) 為:玻璃襯底1、透明導(dǎo)電膜2、硅薄膜太陽能電池3、頂電池31、K層31-1、^層31_2、P1 層 31-3、底電池 32、N2 層 32-1、I2 層 32_2、P2 層 32_3、背電極 4。
具體實(shí)施例方式本具體實(shí)施方式
的漸變帶隙納米硅薄膜材料為由非晶硅、晶粒和晶界組成的混合相材料。所選用的晶體硅的帶隙為1.12eV，非晶硅為1.75eV ;器件質(zhì)量級(能夠用于發(fā)電的材料屬于器件質(zhì)量級)的納米硅薄膜晶化率(晶相與非晶相的比例)范圍為40%-70% ;通過控制晶化率在前述范圍內(nèi)變化，使得漸變帶隙納米硅薄膜的帶隙為1.3e疒1.5eV?？刂凭Щ史椒òㄕ{(diào)節(jié)納米硅薄膜的核心制備參數(shù)，如硅烷濃度(SC)、制備功率的高低和制備氣壓的聞低等。漸變帶隙有多種結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出四種方案，第一種如圖1中所示，由一個(gè)1200nm的漸變帶隙形成“C”型漸變結(jié)構(gòu)，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV ;納米硅薄膜晶化率最高為70%。由于納米硅薄膜生長初期存在非晶孵化層及晶化率線性提升的現(xiàn)象，沉積300nm左右，晶化率即可趨于穩(wěn)定，因此“C”型漸變結(jié)構(gòu)的1200nm通過70%晶化率實(shí)現(xiàn)帶隙由1.7eV到1.3eV的遞變。第二種如圖2所示，由兩個(gè)漸變帶隙形成“V”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm,帶隙從1.7eV遞變到1.3eV,納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為900nm，帶隙從1.3eV遞變到1.5eV,納米硅薄膜晶化率為70%-40%。具體來說，由于納米硅薄膜生長初期存在非晶孵化層及晶化率線性提升的現(xiàn)象，沉積300nm左右，晶化率即可趨于穩(wěn)定，故漸變一 300nm通過70%晶化率的制備參數(shù)實(shí)現(xiàn)帶隙由1.7eV到1.3eV的遞變，漸變二 900nm采用70%_40%晶化率制備參數(shù)線性變化實(shí)現(xiàn)帶隙由1.3eV-l.5eV的遞變。第三種如圖3所示，由 三個(gè)漸變帶隙形成“U”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm,帶隙從1.7eV遞變到1.3eV,納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為600nm，帶隙為1.3eV，納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙膜厚為300nm，從1.3eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為70%_40%。第四種如圖4所示，由四個(gè)漸變帶隙形成“E”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm,帶隙從1.7eV遞變到1.3eV,納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙為1.3eV，納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙膜厚為300nm，從1.3eV遞變到1.43eV,納米硅薄膜晶化率為70%_51% ;第四漸變帶隙膜厚為300nm，從1.43eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為51%_40%。四種結(jié)構(gòu)漸變帶隙對電池效率的提升各有優(yōu)勢，制備電池時(shí)可按實(shí)際需求選取，對于電池厚度改變時(shí)，可在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做相應(yīng)調(diào)整。由此制得的漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，包括玻璃襯底1、透明導(dǎo)電膜2、硅薄膜太陽能電池3和背電極4;硅薄膜太陽能電池3為單結(jié)硅薄膜太陽能電池或多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池；單結(jié)硅薄膜太陽能電池的I層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的I層均采用本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜。單結(jié)硅薄膜太陽能電池的N層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的N層均采用N 型 nc_Si0x:H 膜。見圖5，漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池包括玻璃襯底1、透明導(dǎo)電膜2、硅薄膜太陽能電池3和背電極4，硅薄膜太陽能電池3為由頂電池31和底電池32構(gòu)成的雙結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池；頂電池31的N1層31-1為nc-SiOx:H/nc-S1:H, I1層31-2為a-S1:H, P1層 31-3 為 a-SiC:H ;底電池 32 的 N2 層 32-1 為 a-S1:H, I2 層 32-2 為 nc-S1:H,P2 層 32-3 為nc-S1:H ;背電極4為ZnO與Ag /Al的復(fù)合膜。其中，a-S1:H為氫化非晶硅薄膜；nc-S1:H為氫化納米硅(微晶硅)薄膜；a-SiC:H為摻碳的氫化非晶硅層；nc-SiOX:H為摻氧的氫化納米娃(微晶娃)層；nc-SiOx:H/nc_S1:H為兩疊層的電池膜層，一層是摻氧的氫化納米娃(微晶硅)層，一層是氫化納米硅。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.漸變帶隙納米硅薄膜，其特征在于:為由非晶硅、晶粒和晶界組成的混合相材料；晶體硅的帶隙為1.12eV，非晶硅為1.75eV ;所述器件質(zhì)量級的納米硅薄膜晶化率范圍為40%-70% ;所述漸變帶隙納米硅薄膜的帶隙為1.3e疒1.5eV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變帶隙納米娃薄膜，其特征在于:由一個(gè)1200nm的漸變帶隙形成“C”型漸變結(jié)構(gòu)，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV ;納米硅薄膜最高晶化率為70%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變帶隙納米硅薄膜，其特征在于:由兩個(gè)漸變帶隙形成“V”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV，納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙為900nm，帶隙從1.3eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為70%-40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變帶隙納米硅薄膜，其特征在于:由三個(gè)漸變帶隙形成“U”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV,納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為600nm，帶隙為1.3eV，納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙為300nm，從1.3eV遞變到1.5eV，納米硅薄膜晶化率為70%-40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸變帶隙納米硅薄膜，其特征在于:由四個(gè)漸變帶隙形成“E”型漸變結(jié)構(gòu)；第一漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙從1.7eV遞變到1.3eV,納米硅薄膜生長初期薄膜縱向生長非晶孵化層到70%晶化率；第二漸變帶隙膜厚為300nm，帶隙為1.3eV,納米硅薄膜晶化率為70% ;第三漸變帶隙膜厚為300nm，從1.3eV遞變到1.43eV，納米硅薄膜晶化率為70%-51% ;第四漸變帶隙膜厚為300nm，從1.43eV遞變到1.5eV,納米硅薄膜晶化率為51%-40%。
6.一種漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，包括玻璃襯底(I)、透明導(dǎo)電膜(2)、硅薄膜太陽能電池(3)和背電極(4);其特征在于:所述硅薄膜太陽能電池(3)為單結(jié)硅薄膜太陽能電池或多結(jié)疊層硅薄 膜太陽能電池；單結(jié)硅薄膜太陽能電池的I層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的I層均采用如權(quán)利要求1至5之一所述的漸變帶隙納米硅薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，其特征在于:單結(jié)硅薄膜太陽能電池的N層和多結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池的每層電池的N層均采用N型nc_SiOx:H 膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，其特征在于:所述背電極(4)為ZnO與Ag /Al的復(fù)合膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，其特征在于:所述硅薄膜太陽能電池(3)為由頂電池(31)和底電池(32)構(gòu)成的雙結(jié)疊層硅薄膜太陽能電池；所述頂電池^^的隊(duì)層^卜^為此^比叉…/此^丨札^層^丨^為a-Si = HiP1層(31-3)為a-SiC: H ;所述底電池(32 )的 N2 層(32-1)為 a-S1: H，I2 層(32-2 )為 nc-S1: H，P2 層(32-3 )為 nc-S1:H。
全文摘要
本發(fā)明公開了漸變帶隙納米硅薄膜及漸變帶隙納米硅薄膜太陽能電池，漸變帶隙納米硅薄膜為由非晶硅、晶粒和晶界組成的混合相材料；所述晶體硅的帶隙為1.12eV，非晶硅為1.75eV；所述器件質(zhì)量級的納米硅薄膜晶化率范圍為40%-70%；所述漸變帶隙納米硅薄膜的帶隙為1.3eV～1.5eV。本發(fā)明的漸變帶隙納米硅薄膜用于納米硅電池的I層(也即光吸收層)，充分吸收不同波段的太陽光能，還改善了光生空穴的傳輸，從而可以有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)漸變光吸收層結(jié)構(gòu)解決了納米硅太陽電池開路電壓較低的問題，而且漸變結(jié)構(gòu)使其與P層及N層的帶隙差別較小，較大程度的解決了P/I、I/N界面的帶隙失配問題，避免了異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)，降低光致衰退效應(yīng)，降低成本。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK103227229SQ201310125568
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者于化叢 申請人:于化叢