获得氢化硅薄膜粗糙表面的方法技术

本发明专利技术公开了一个增强薄膜硅光伏器件光吸收的方法。首先在基板上沉积一个含有纳米颗粒的超薄硅层，从而使得使用等离子体增强化学气相沉积法生成的基于氢化硅薄膜的光伏转换层的表面具有明显的粗糙性，从而使长波光以大角度的散射方式被背电极反射回光伏转换层，从而提高光电流和光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能光伏器材领域，特别涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技术。技术背景最近几年，光伏电池和大面积光伏模块的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶 硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在 260'C以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件的一个显著特点是，大面积沉积的与硅相关 的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序，可以工 业化地制成低成本的模板。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺，允许多 个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模块，减少了加工歩骤也 改善了产品的可靠性。对于光伏器件，特别是薄膜光伏器件来讲，使其性能优良的关键是优化半导体光电转换 层对光能的吸收，并同时减少器件中的光损耗。在很薄的吸收层里能够最大限度的吸收光能， 是高转换效率的必备条件。在这里所指的氢化薄膜硅包括氢化非晶硅、氢化纳米晶硅以及这 些硅材料与其它元素结合而成的合金薄膜，氢化薄膜硅所构成的太阳能电池通常具有p-i-n结 构，其中p层和n层是不活跃的死层，它们在非掺杂的i层中建立--个内置电场，从而使 得光致载流子被有效的收集。其吸收层的厚度一般只有几百个微米，最多不超过大约2000微 米。而且氢化硅，特别是非晶硅薄膜的红光和红外光的吸收系数都比较低，所以有很大部分 的阳光不能被有效的利用起来。基于氢化硅薄膜的p-i-n结构被夹在前后两个电极(电接触层) 中，而形成完整的光伏元件。通常使用的前电极必须具有良好的透明度和导电性，它通常是 由透明导电氧化物(TCO)构成，譬如厚度为600-900纳米的被掺杂的氧化锡或氧化锌薄膜。 后电极通常由一个TCO和金属薄膜共同组成，其一个重要作用就是将未被吸收的光反射回 p-i-n结构之中。人们已经尝试过用各种各样的办法来改善对光的吸收，其中包括使用粗糙的 透明前电极。另外，也使用过反光率很高的背电极，使得未被吸收的光再一次被投回到电池 中。对于非晶硅电池来讲吸收层i层也不能做得很厚，原因是该材料具有光质衰减的缺陷。所以卓越的光学设计对于像氢化硅这样的薄膜太阳能电池的转换效率起有决定性作用。通常，为了增加有限厚度的半导体薄膜对光的吸收，薄膜光伏器件的前透明导电层通常 被做得具有非平坦表面结构，使得入射光在前电极与半导体光伏材料的界面得到散射，从而3增加光子被半导体薄膜吸收的概率。但是，实际生产中所使用的TCO前电极，并不具有令人 满意的对光具有折射作用的粗糙性，因为当前同时具有高导电率、高透明性和高度表面结构 (粗糙性)的TCO还仅仅只是存在于实验室中。所以弱吸收光在被相对平坦的背电极反射时 不能产生良好的散射效应，从而削弱了 光陷阱的效应。为了使背电极反射界面具有足够 的粗糙结构，也就是散射能力，很有必要寻求一种可以使与背电极相接触的p-i-n型光伏单元 具有明显粗糙性的方法。而这种粗糙性最好是在基于氢化硅的薄膜的生长过程中自然形成， 而不是依靠譬如我们所公开的沉积后对表面处理的方法。
技术实现思路
基于上述考虑，申请人拟订了本专利技术的首要目的提高基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器 件的转换效率。本专利技术的进一步目的是，改善基于氢化硅的薄膜太阳能光伏器件的背电极的光散射性能， 从而增强光伏器件对弱吸收光的反应。为了达到上述目的，本专利技术采用一种增强薄膜硅光伏器件对长波光吸收的方法。具体做法是使得用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)形成的氢化硅薄膜在生长过程中获得随 厚度而增长的表面粗糙性(非平坦结构)。首先在基板上沉积一个含有纳米颗粒的超薄硅层， 譬如使用PECVD在较高的以硅烷为主的气压下，使用较低的衬底温度，以较高的等离子体 激发功率而快速形成。这是一个使得其后生长的薄膜变得粗糙的诱发层，它具有很高的结构 和电子缺陷，所以为了保证光伏器件的性能，这个诱发层的厚度应当被限制在15纳米之内， 最好不超过10纳米。随后在诱发层上使用通常的PECVD方法获得基于氢化硅薄膜的一个或 数个p-i-n型光伏单元，这个多个光伏单元构成的是多结光伏器件。所指光伏单元的表面获得 因诱发层的存在而导致的粗糙结构(雾状非镜状表面)，且其粗糙度随着光伏单元的平均厚度 而增加。在这种光伏单元表面上形成的高反射背电极也获得相应的粗糙结构，从而使其对光 的反射发生明显的大角度散射效应，进而使大部分长波光以高于全部内反射的角度回到光伏 单元中被吸收，从而提高光电流和光电转换效率。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做进一歩说明。图1显示了使基于氢化硅薄膜的表面粗糙化的过程示意图。恩2显示了依据本专利技术制造的薄膜太阳能电池的层状结构。具体实施方式如图1所示，本专利技术的第一步是在玻璃基板1上沉积的透明导电前电极(譬如氧化锡)2上形成一个含有纳米颗粒的超薄硅层5，它的平均厚度不超过15纳米，其表面57具有与透 明导电前电极2相似的结构。所述诱发层是使用PECVD在包括如下参数的条件下形成的 基板温度不超过20(TC，直流或交流电激发的功率密度不小于10()mW/cm2，使用硅烷为主体 的源气体混合物，反应室内气压不小于lmbar， il-:负平行电极的间距不小于1. 5厘米，沉积 时间不超过25秒。随后，第二步是在诱发层上使用通常的PECVD方法获得基于氢化硅薄膜 的一个或数个p-i-n型光伏单元8，该光伏单元8的表面87具有如图1所示的显著大于前电 极的粗糙结构。在这之后所完成的薄膜光伏器件结构如图2所示，该结构包括-- 个玻璃基板1; 一个 透明导电前电极2; —个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元8;第二透明导 电氧化物22; —个或多个金属薄膜45和封装保护部分99。由于光伏叠层8具有本专利技术所提 供的粗糙结构87,且87远远大于前电极表面27的粗糙度，所以第二透明导电氧化物22与 光伏叠层的界面87和第二透明导电氧化物22与金属膜的界面47也具有相同或很类似的粗糙 结构。使得界面87和47对反射光提供了显著增强的散射性。使得长波光以大于全部内反射 的角度回到光伏叠层之中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个ｐ－ｉ－ｎ型光伏器件，它的结构依次包括：一个玻璃基板；一个透明导电前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的ｐ－ｉ－ｎ型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括第二透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于：所述的至少一个ｐ－ｉ－ｎ型光伏单元，是沉积在含有微小硅颗粒的超薄诱发层之上，而这个诱发层是由硼掺杂的非晶硅合金构成，其平均厚度不超过１５纳米，它导致随后生长的ｐ－ｉ－ｎ型光伏单元的表面起伏程度平均不小于３０纳米，且起伏程度随基于氢化硅的薄膜的厚度而增加。使得背电极反射的光以散射的方式再次进入光伏单元中，从而提高光电流和光电转换效率。

【技术特征摘要】
1. 一个p-i-n型光伏器件，它的结构依次包括一个玻璃基板；一个透明导电前电极；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元；一个具有光反射性能的背电极，它可以包括第二透明导电氧化物和一个或多个金属薄膜。其特征在于所述的至少一个p-i-n型光伏单元，是沉积在含有微小硅颗粒的超薄诱发层之上，而这个诱发层是由硼掺杂的非晶硅合金构成，其平均厚度不超过15纳米，它导致随后生长的p-i-n型光伏单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：李沅民，马昕，
申请(专利权)人：北京行者多媒体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]