專利名稱：獲得氫化硅薄膜粗糙表面的方法
技術領域：
本發明屬于太陽能光伏器材領域，特別涉及到基于薄膜硅的光伏器件的制造技術。
技術背景最近幾年，光伏電池和大面積光伏模塊的發展引起了世人的廣泛關注。尤其是氫化非晶 硅和納米晶硅，它們隨著光伏器件在商業和住宅設施中的廣泛應用，顯示出巨大的潛力。在 260'C以下這樣較低的溫度下生產薄膜硅光伏器件的一個顯著特點是，大面積沉積的與硅相關 的半導體膜層和電接觸膜層具有優良性能。同時，使用良好成熟的鍍膜設備和程序，可以工 業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劃線成型工藝，允許多 個太陽能電池元件在薄膜沉積過程中直接形成集成式的大面積光伏模塊，減少了加工歩驟也 改善了產品的可靠性。對于光伏器件，特別是薄膜光伏器件來講，使其性能優良的關鍵是優化半導體光電轉換 層對光能的吸收，并同時減少器件中的光損耗。在很薄的吸收層里能夠最大限度的吸收光能， 是高轉換效率的必備條件。在這里所指的氫化薄膜硅包括氫化非晶硅、氫化納米晶硅以及這 些硅材料與其它元素結合而成的合金薄膜，氫化薄膜硅所構成的太陽能電池通常具有p-i-n結 構，其中p層和n層是不活躍的"死層"，它們在非摻雜的i層中建立--個內置電場，從而使 得光致載流子被有效的收集。其吸收層的厚度一般只有幾百個微米，最多不超過大約2000微 米。而且氫化硅，特別是非晶硅薄膜的紅光和紅外光的吸收系數都比較低，所以有很大部分 的陽光不能被有效的利用起來。基于氫化硅薄膜的p-i-n結構被夾在前后兩個電極(電接觸層) 中，而形成完整的光伏元件。通常使用的前電極必須具有良好的透明度和導電性，它通常是 由透明導電氧化物(TCO)構成，譬如厚度為600-900納米的被摻雜的氧化錫或氧化鋅薄膜。 后電極通常由一個TCO和金屬薄膜共同組成，其一個重要作用就是將未被吸收的光反射回 p-i-n結構之中。人們已經嘗試過用各種各樣的辦法來改善對光的吸收，其中包括使用粗糙的 透明前電極。另外，也使用過反光率很高的背電極，使得未被吸收的光再一次被投回到電池 中。對于非晶硅電池來講吸收層i層也不能做得很厚，原因是該材料具有光質衰減的缺陷。所以卓越的光學設計對于像氫化硅這樣的薄膜太陽能電池的轉換效率起有決定性作用。通常，為了增加有限厚度的半導體薄膜對光的吸收，薄膜光伏器件的前透明導電層通常 被做得具有非平坦表面結構，使得入射光在前電極與半導體光伏材料的界面得到散射，從而3增加光子被半導體薄膜吸收的概率。但是，實際生產中所使用的TCO前電極，并不具有令人 滿意的對光具有折射作用的粗糙性，因為當前同時具有高導電率、高透明性和高度表面結構 (粗糙性)的TCO還僅僅只是存在于實驗室中。所以弱吸收光在被相對平坦的背電極反射時 不能產生良好的散射效應，從而削弱了 "光陷阱"的效應。為了使背電極反射界面具有足夠 的粗糙結構，也就是散射能力，很有必要尋求一種可以使與背電極相接觸的p-i-n型光伏單元 具有明顯粗糙性的方法。而這種粗糙性最好是在基于氫化硅的薄膜的生長過程中自然形成， 而不是依靠譬如我們所公開的沉積后對表面處理的方法。發明內容基于上述考慮，申請人擬訂了本發明的首要目的提高基于氫化硅的薄膜太陽能光伏器 件的轉換效率。本發明的進一步目的是，改善基于氫化硅的薄膜太陽能光伏器件的背電極的光散射性能， 從而增強光伏器件對弱吸收光的反應。為了達到上述目的，本發明采用一種增強薄膜硅光伏器件對長波光吸收的方法。具體做法是使得用PECVD (等離子體增強化學氣相沉積法)形成的氫化硅薄膜在生長過程中獲得隨 厚度而增長的表面粗糙性(非平坦結構)。首先在基板上沉積一個含有納米顆粒的超薄硅層， 譬如使用PECVD在較高的以硅烷為主的氣壓下，使用較低的襯底溫度，以較高的等離子體 激發功率而快速形成。這是一個使得其后生長的薄膜變得粗糙的誘發層，它具有很高的結構 和電子缺陷，所以為了保證光伏器件的性能，這個誘發層的厚度應當被限制在15納米之內， 最好不超過10納米。隨后在誘發層上使用通常的PECVD方法獲得基于氫化硅薄膜的一個或 數個p-i-n型光伏單元，這個多個光伏單元構成的是多結光伏器件。所指光伏單元的表面獲得 因誘發層的存在而導致的粗糙結構(霧狀非鏡狀表面)，且其粗糙度隨著光伏單元的平均厚度 而增加。在這種光伏單元表面上形成的高反射背電極也獲得相應的粗糙結構，從而使其對光 的反射發生明顯的大角度散射效應，進而使大部分長波光以高于全部內反射的角度回到光伏 單元中被吸收，從而提高光電流和光電轉換效率。


下面結合附圖和實施例對本發明做進一歩說明。圖1顯示了使基于氫化硅薄膜的表面粗糙化的過程示意圖。恩2顯示了依據本發明制造的薄膜太陽能電池的層狀結構。
具體實施方式
如圖1所示，本發明的第一步是在玻璃基板1上沉積的透明導電前電極(譬如氧化錫)2上形成一個含有納米顆粒的超薄硅層5，它的平均厚度不超過15納米，其表面57具有與透 明導電前電極2相似的結構。所述誘發層是使用PECVD在包括如下參數的條件下形成的 基板溫度不超過20(TC，直流或交流電激發的功率密度不小于10()mW/cm2，使用硅烷為主體 的源氣體混合物，反應室內氣壓不小于lmbar， il-:負平行電極的間距不小于1. 5厘米，沉積 時間不超過25秒。隨后，第二步是在誘發層上使用通常的PECVD方法獲得基于氫化硅薄膜 的一個或數個p-i-n型光伏單元8，該光伏單元8的表面87具有如圖1所示的顯著大于前電 極的粗糙結構。在這之后所完成的薄膜光伏器件結構如圖2所示，該結構包括-- 個玻璃基板1; 一個 透明導電前電極2; —個或多個由基于氫化硅的薄膜構成的p-i-n型光伏單元8;第二透明導 電氧化物22; —個或多個金屬薄膜45和封裝保護部分99。由于光伏疊層8具有本發明所提 供的粗糙結構87,且87遠遠大于前電極表面27的粗糙度，所以第二透明導電氧化物22與 光伏疊層的界面87和第二透明導電氧化物22與金屬膜的界面47也具有相同或很類似的粗糙 結構。使得界面87和47對反射光提供了顯著增強的散射性。使得長波光以大于全部內反射 的角度回到光伏疊層之中。
權利要求
1. 一個p-i-n型光伏器件，它的結構依次包括一個玻璃基板；一個透明導電前電極；一個或多個由基于氫化硅的薄膜構成的p-i-n型光伏單元；一個具有光反射性能的背電極，它可以包括第二透明導電氧化物和一個或多個金屬薄膜。其特征在于所述的至少一個p-i-n型光伏單元，是沉積在含有微小硅顆粒的超薄誘發層之上，而這個誘發層是由硼摻雜的非晶硅合金構成，其平均厚度不超過15納米，它導致隨后生長的p-i-n型光伏單元的表面起伏程度平均不小于30納米，且起伏程度隨基于氫化硅的薄膜的厚度而增加。使得背電極反射的光以散射的方式再次進入光伏單元中，從而提高光電流和光電轉換效率。
2、 根據權利要求1所述的p-i-n型光伏器件，其特征在于所述超薄誘發層是在基板溫 度不超過20(TC，使用功率密度不小于100mW/ciT^的直流或交流電激發，在不小于lmbar的 氣壓下，使用硅垸為主體的源氣體混合物，在不超過25秒的時間內形成。
全文摘要
本發明公開了一個增強薄膜硅光伏器件光吸收的方法。首先在基板上沉積一個含有納米顆粒的超薄硅層，從而使得使用等離子體增強化學氣相沉積法生成的基于氫化硅薄膜的光伏轉換層的表面具有明顯的粗糙性，從而使長波光以大角度的散射方式被背電極反射回光伏轉換層，從而提高光電流和光電轉換效率。
文檔編號H01L31/075GK101246919SQ20071000497
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者李沅民, 昕 馬 申請人:北京行者多媒體科技有限公司