專利名稱：高效率非晶硅光伏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于硅的薄膜太陽能電池與模塊及其制造。本發(fā)明涉及針對薄膜、基于硅的太陽能電池或模塊的制造工藝的改善。更具體地，本發(fā)明涉及非晶薄膜太陽能電池及其制造。
背景技術(shù)：
光伏器件、光電轉(zhuǎn)換器件或太陽能電池是轉(zhuǎn)換光，特別是將太陽光轉(zhuǎn)換為直流(DC)電能的器件。對低成本大量生產(chǎn)而言，薄膜太陽能電池令人感興趣，這是因其允許使用玻璃、玻璃陶瓷或其它剛性或柔性基板作為基底材料(基板)，以代替晶硅或多晶硅。該太陽能電池結(jié)構(gòu)，即負(fù)責(zé)或能起光伏效應(yīng)的該層序列沉積在薄層中。這沉積可發(fā)生在大氣或真空條件下。在本領(lǐng)域沉積技術(shù)諸如PVD、CVD, PECVD, APCVD...為人熟知，這些全都用在半導(dǎo)體技術(shù)中。 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是對太陽能電池性能的常見量度，且其由輸出功率密度(=開路電壓V。。，填充因子FF及電流密度Js。的積)與輸入功率密度的比來確定。薄膜太陽能電池一般包含第一電極、一個或多個半導(dǎo)體薄膜p-i-n或n-i-p結(jié),及第二電極，它們順序堆疊在基板上。每個P-i-n結(jié)或薄膜光電轉(zhuǎn)換單元包含夾在正摻雜或p型層及負(fù)摻雜或n型層之間的本征或i_型層。該本征半導(dǎo)體層占該薄膜p-i-n結(jié)的絕大部分厚度。光電轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在該i型層中；因此其亦稱為有源或吸收體層。根據(jù)該i型層太陽能電池的結(jié)晶性，或光電(轉(zhuǎn)換)器件被表征為非晶(a-Si)或微晶(Uc-Si)太陽能電池，而不管相鄰p及n層的結(jié)晶性種類為何。如在本領(lǐng)域中常見的那樣，微晶層被認(rèn)為是在非晶基體中包含至少15%微晶結(jié)晶度的拉曼結(jié)晶性的層。p-i-n結(jié)中的摻雜層也經(jīng)常稱為窗層。由于該摻雜p/n層所吸收的光會因有源層而損耗，因此，高度透明的窗層期望獲得高電流密度(Js。)。而且，窗層有助于在構(gòu)成太陽能電池的半導(dǎo)體結(jié)中建立電場，該電場協(xié)助收集光產(chǎn)生的電荷載流子并獲得高V。。及FF值。除此的外，前透明導(dǎo)電氧化物(TCO)與窗層之間的接觸應(yīng)為歐姆的，其具有低電阻率，以便得到好FF值。在本領(lǐng)域中，由于微晶硅的窗層的較佳光學(xué)特性(吸收較少)，使得微晶硅的窗層已較非晶窗層更受青睞?，F(xiàn)有技術(shù)的圖9示出基本、簡單光伏電池40，該光伏電池40包含透明基板41，其例如為玻璃，在其上沉積有一層透明導(dǎo)電氧化物(TC0)42。該層亦稱為正面接觸，并且作為用于光伏元件的第一電極?；?1與正面接觸42的組合也被稱作蓋板(superstrate)。下一層43作為有源光伏層，并包含形成p-i-n結(jié)的三“子層”。該層43包含氫化微晶硅，納米晶體硅或非晶硅或其組合。子層44 (鄰近TCO正面接觸42)是正摻雜的，該鄰近子層45是本征的，及該最后子層46是負(fù)摻雜的。在替代實施例中，如所述的該層序列p-i-n可以反轉(zhuǎn)為n-i-p，那么，層44被識別為n層，層45再度為本征的，層46為p層。最后，該電池包含可由氧化鋅、氧化錫或銦錫氧化物(ITO)制成的背后接觸層47 (亦稱背接觸)，以及反射層48。替代地，可實現(xiàn)金屬背接觸，其能結(jié)合背反射體48及背接觸47的物理特性。為說明，箭頭指出入射光。通常了解，當(dāng)例如太陽輻射的光入射在光伏器件上時，在i層中產(chǎn)生電子空穴對。來自所產(chǎn)生的對的空穴被導(dǎo)向P區(qū)域，而該電子被導(dǎo)向n區(qū)域。一般該接觸直接或間接地接觸P或n區(qū)域。只要光繼續(xù)產(chǎn)生電子空穴對，電流將流經(jīng)連接這些接觸的外部電路。I. 一般工業(yè)用KAI-M R&D反應(yīng)器所制備的LPCVD-ZnO TCO上的高效率非晶硅器件本專利申請的此一般部分實質(zhì)上是取自2009年9月21日向美國專利商標(biāo)局提交的序號為No. 61/244，236的美國臨時申請。下文中提出對于沉積于摻雜的LPCVD-ZnO上的高效率非晶硅P-i-n太陽能電池的最優(yōu)i_層厚度的研究。此種最優(yōu)的動作已經(jīng)在明顯很薄的非晶i_層厚度的情況下達(dá)到優(yōu)異且穩(wěn)定的效率。具有10. 09%的創(chuàng)記錄的效率(record efficiency)(在Icm2上)的光浸透的單結(jié)a_Si :H電池是由NREL所獨(dú)立確認(rèn)的。 在表中，Oerlikon Solar-Lab Neuch&tel與NREL實驗室對于相同器件所作的測量結(jié)果在兩種特性之間顯現(xiàn)出極低的偏差。為了 a_Si:H電池所研發(fā)的工藝是應(yīng)用于制備迷你模塊(IOxlOcm2)。在JRC的ESTI實驗室，對這些光浸透迷你模塊的測量已經(jīng)確認(rèn)了 9. 2%的模塊孔徑效率。可從下文中的節(jié)II至IV進(jìn)一步了解本發(fā)明的某些方面的細(xì)節(jié)。I. I 介紹在朝向達(dá)成市電同價(grid parity)的方向上，以非晶硅與非晶/微晶堆疊(micromorph)串聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ)的薄膜太陽能模塊對于縮減制造成本具有很大的潛力。對于兩種技術(shù)而言，硅薄膜可沉積于單個腔室等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)反應(yīng)器(類似Oerlikon Solar KAI系統(tǒng))中。先前的研究已經(jīng)證明當(dāng)引進(jìn)特殊的p_i界面處理[1,2]時,該KAI反應(yīng)器可產(chǎn)生高質(zhì)量的非晶娃p-i-n電池。同時，通過適當(dāng)?shù)亟档驮揳_Si:H吸收體層厚度，能夠有益地影響這些模塊的制造成本與光浸透穩(wěn)定性。為此目的，采用粗糙的TCO以加強(qiáng)該器件內(nèi)的光捕捉。該TCO內(nèi)所增加的光散射造成該電池中數(shù)個-折迭的光路徑(several-fold path of light),并因此允許采用厚度較薄的吸收體層。此外，由于UC-Si = H的光學(xué)吸收較a_Si:H的光學(xué)吸收差，故對于非晶/微晶堆疊串聯(lián)器件而言，該正面TCO的光散射特性甚至更為重要。TCO薄膜特性(如高透射、高導(dǎo)電性、優(yōu)異的光散射能力(可見光與近紅外線范圍))、以及適合薄膜均勻生長的表面形態(tài)是高效率硅薄膜器件所必需的。通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)所制造的摻雜硼的氧化鋅經(jīng)證實由于其杰出的光散射能力，因此能夠產(chǎn)生優(yōu)異的薄膜硅太陽能電池[3]。當(dāng)以量產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)時，LPCVD-ZnO也為低成本的TC0?；谶@些原因，Oerlikon Solar已經(jīng)決定研發(fā)用于大面積沉積I. 4m2的LPCVD-ZnO層的工藝與生產(chǎn)設(shè)備[4]。本專利申請呈現(xiàn)在單結(jié)a_Si:H電池以及具有所有LPCVD-ZnO正面與背面電極的迷你模塊上所達(dá)到的結(jié)果。I. 2 實驗所提出的p-i-n a-Si :H太陽能電池沉積于R&D單個腔室KAI-M系統(tǒng)中(52x41cm2的基板尺寸)。在各個電池批次(run)之后，使用原位等離子體工藝以清理該KAI等離子體箱反應(yīng)器。
先前的研究證明能夠利用40. 68MHz的激發(fā)頻率來沉積質(zhì)量優(yōu)異的非晶硅i_層(以3.35 A/s) [5,6,7] 在此新的研究中，該i-層的沉積速率是1.75 A/s。各個電池與迷你模塊皆具有內(nèi)部制備的LPCVD-ZnO作為正面與背面接觸，后者結(jié)合白反射體(WR) [8]。ZnO層的沉積參數(shù)被優(yōu)化，以得到有效率的光散射、高透明度及導(dǎo)電性。我們采用厚度Imm的Schott Borofloat 33作為玻璃蓋板。LPCVD-ZnO層的光學(xué)特性利用裝配有積分球(integrating sphere)的Perkin Elmer lambda 950光譜儀進(jìn)行測量。為了仔細(xì)的特性化，所有的電池都是通過激光圖案化而構(gòu)建為被良好定義的I平方厘米的面積。尺寸為10x10平方厘米的迷你模塊通過對于各段的單片串聯(lián)連接(monolithic series connection)施加激光刻劃(laser scribing)而實現(xiàn)。電池的I (V)特性是在25°C以及AM I. 5輻照度(Wacom WXS-155S-L2雙源仿真器)下進(jìn)行測量的。創(chuàng)記錄的電池(record cell)與迷你模塊的I (V)特性是由該NationalRenewable Laboratory (NREL)、Golden (USA)以及 JRC 的 ESTI 實驗室、Ispra (意大利)分 別獨(dú)立地進(jìn)行測量的。光浸透試驗是在以下條件下進(jìn)行一個太陽光強(qiáng)度(功率達(dá)MW的硫燈)、50°C、在IOOOh期間以及在開路電壓下。為了將溫度維持于50°C，光浸透測試下的樣品置放于冷卻平臺上。先前由該JRC的ESTI實驗室所測量的非晶p-i-n迷你模塊(10X10平方厘米)的Is。值作為參考用于將該樣品平臺上的光強(qiáng)度設(shè)定至1000W/m2的值。再者，光均勻度被確定為優(yōu)于±5%。該冷卻平臺由熱傳導(dǎo)墊片所覆蓋，使得能夠確保與受測試的樣品的良好的熱接觸。為了確定該平臺上各個區(qū)域的溫度，采用在其頂部貼附有PtlOO傳感器的a_Si:H電池樣品(5x5平方厘米)。在該傳感器與該電池之間，采用熱傳導(dǎo)貼片以確保良好的熱接觸。在底部(背面?zhèn)?陰影側(cè)))上，一些樣品也包含傳感器。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，兩個傳感器(頂部與底部)之間的溫度差在1°C內(nèi)。最終，視所測量到的溫度而定，該冷卻平臺被分類于不同的區(qū)域中。具有50°C ±2°C的理想?yún)^(qū)域被識別，并用于本工作所描述的光浸透試驗。在將樣品(本工作所考慮的)置放于該光浸透平臺的理想?yún)^(qū)域上之后，PtlOO傳感器貼附于其上，且再度控制該溫度。接著開始進(jìn)行光浸透試驗。為了檢查在該試驗期間條件保持不變，在不同時間控制光強(qiáng)度與溫度。具體而言，在該光浸透的初始段、中間段以及末段仔細(xì)地驗證這些參數(shù)。在迷你模塊的光浸透試驗期間，使用用于檢查該溫度的類似的仔細(xì)程序。再者，發(fā)現(xiàn)在50°C的標(biāo)準(zhǔn)值附近有±2°C的變化。I. 3 結(jié)果I. 3. I LPCVD-ZnO 作為正面 TCO相較于先前于EU PVSEC所提出的工作[7]中所使用的層，本工作所提出的ZnO層(即，類型A與類型B)被修改。具體而言，對于類型A而言，在600納米的霧度因子(hazefactor)自20%降低至12%，但是對于ZnO類型B而言，霧度因子則猛然增加高達(dá)70%。然而，到目前為止，僅ZnO類型A用于制備迷你模塊。兩種類型的ZnO皆為由大型粒狀物所構(gòu)成的多晶膜，該大型粒狀物的末端如同角錐那樣出現(xiàn)于生長表面(見圖I)。此類隨著生長的粗糙表面紋理如圖2所示的漫射透射比那樣漫射該光。此效應(yīng)造成光有效地散射進(jìn)入該娃器件[9]。關(guān)于使用高霧度LPCVD-ZnO作為正面接觸的已知缺點(diǎn)在于薄膜硅器件的優(yōu)化是更為精細(xì)且困難的。但是，能夠提供這些類型的ZnO層、能夠證明該正面ZnO類型B的高Jsc值潛力也包含于我們的研究之中。I. 3. 2非晶硅電池圖3 與圖 4 分別示出先前由 Oerlikon Solar-Lab Neuchdtel在 2008 年[7]所得到的非晶i_層厚度系列以及在2009年所得到的新系列。重要的是，指出應(yīng)用于2009年電池制備中的一些改變該i_層的沉積速率是自3.35A/S降低至1.75人/S、采用增加該短路電流密度的新方法(無抗反射、AR、涂層)、以及輕微地降低該ZnO正面接觸霧度。以3.35A/S與1.75A/S所沉積且厚度為I微米的a-Si:H層的光學(xué)特性是在位于布拉格的捷克科學(xué)院的物理研究所測量的。注意到，降低該i-層的沉積速率并未如同通常單獨(dú)修改硅烷稀釋所期望的那樣伴隨有光學(xué)特性的修改。同時考慮到i-層具有I. 73電子伏特的光學(xué)帶隙(Tauc’s)[5]。對于達(dá)到具有高短路電流密度的a_Si:H電池而言，這是一個重要的特征，如同高效率(在光浸透之后)非晶/微晶堆疊器件的設(shè)計中所期望的。
通過比較圖3與圖4主要所觀察到的是該Js。值的明顯增加。這是對于400至800納米波長范圍中的光強(qiáng)度損耗的最小化的密集研究的結(jié)果。注意到，Js。值的增加是在不降低該電池FF值與Vre值的情況下得到的。另一個觀察到的是新研發(fā)的工藝的初始與穩(wěn)定開路電壓(^^值)的輕微增加。僅參照圖4，可推斷出作為該i-層厚度的函數(shù)的最大效率可能尚未達(dá)到；將進(jìn)一步研究更薄的層，如180納米。從這個研究中所學(xué)習(xí)到的基本原則是將LPCVD-ZnO正面與背面接觸用于a_Si :H單結(jié)太陽能電池，即使以薄i_層(180納米)也能夠提供非常高的穩(wěn)定Js。值(16mA/cm2)以及良好的Vre值與FF值。優(yōu)異的光捕捉、薄p-i-n層以及高質(zhì)量的i_層是達(dá)到高效率器件的關(guān)鍵因素。有了制備具有薄i_層的高性能電池的經(jīng)驗，下一步是研究具有空氣玻璃-基板界面的商業(yè)的抗反射(AR)涂層的器件。此外，我們已經(jīng)開發(fā)了內(nèi)部寬帶AR?？紤]到對于具有AR的電池進(jìn)行的試驗，也對新類型的LPCVD-ZnO進(jìn)行測試(ZnO類型B，在600納米具有70%的霧度)。然而,就類型A ZnO上所制備的電池而言，選擇厚度180納米的i-層，而就類型B ZnO上所制備的電池而言，選定250納米的吸收體層。如圖5所示，在類型B ZnO上，我們測量到10. 03%的創(chuàng)記錄的光浸透電池效率。圖5的創(chuàng)記錄的電池被送至NREL，Golden, CO(USA)，而其單獨(dú)特性的結(jié)果示出于圖6中。確認(rèn)有10. 09%的相當(dāng)高且穩(wěn)定的效率。非晶硅單結(jié)電池第一次達(dá)到超過10%阻擋的效率。就作者所知，圖6中所示的電池代表非晶硅p-i-n電池的新世界記錄。相較于先前的記錄(n = 9.47%，由MT，NeucMtel所得至丨J [9，10])，我們得到了 0.6%的絕對顯著的改善。這樣的冠軍電池證明了 OC Oerlikon LPCVD-ZnO(正面與背面接觸)結(jié)合沉積于單個腔室KAI 反應(yīng)器中的非晶硅是非常成熟且具有高效率的技術(shù)。在圖7中，如圖6所示的電池的絕對EQE是通過被標(biāo)準(zhǔn)化成17. 284mA/cm2(來自NREL的I (V)特性)的AM I. 5短路電流密度的NREL的QE測量所計算的。注意到，在非晶硅的吸收范圍內(nèi)，絕對EQE特性在各處皆很高。此結(jié)果是在對形成該電池的所有層與界面進(jìn)行密集優(yōu)化之后獲得的。尤其是，我們的LPCVD-ZnO的優(yōu)異光散射潛力、高質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)帶隙i_層(沉積于該KAI反應(yīng)器中)是用于獲得如此高的絕對EQE的重要因素。
在表I中，示出R&D Solar-Lab Neuchdtel中所制備的不同的創(chuàng)記錄的電池的回顧。具體而言，表I是首先在Oerlikon Solar-Lab NeuchStel進(jìn)行測量的以及稍后(9天內(nèi))在NREL進(jìn)行測量的I (V)電池參數(shù)之間的比較。值得注意的是，能夠以兩種類型的經(jīng)分析的ZnO(即，類型A與類型B)達(dá)到非常高的效率(超過10% ):見表I的電池3497、3473以及3470。如表I所示，我們自己的AMI. 5I-V特性與NREL的測量相當(dāng)一致。我們想要強(qiáng)調(diào)的是我們的AMl. 5校正基于ESTI (Ispra)，該ESTI (Ispra)似乎與NREL相當(dāng)匹配。我們所能注意到的最明顯偏差是在對于樣品3297與3470的電池面積的確定中。如表I所示，這
個最終事實會造成所確定的效率發(fā)生變化。
面積 樣品 AR IsJmA] V0JmV] FF[%]效率[%] ,_[cm ]
ZnO 類型-B, p-i(250nm)-n 電池_
3328 Oerlikon Com.18.07087865.689.931.05
3328 NREL_Com.18.110875.665.919.941.051
3497 Oerlikon Oerl.18.04087966.3910.031.05
3497 NREL_Perl.18.098876.766.5810.091.047
ZnO 類型-A, p-i(180nm)-n 電池
3473 Oerlikon Oerl.17.310 88568.6110.011.05
3473 NREL_Oerl.17.480883.868.3310.061.049
3297 Oerlikon 否16.680 88167.659.471.05
3297 NREL_否16.708878.267.579.551.038
3470 Oerlikon Com.17.290 88268.159.901.05
3470 NREL_Com.17.360885.667.8510.061.036表I :回顧由Oerlikon Solar-Lab Neuchdtel所制備并測量以及由NREL所獨(dú)立表征特性的創(chuàng)記錄的電池。所有的電池均是在R&DKAI-M PECVD系統(tǒng)中被沉積的，具有LPCVD-ZnO正面與背面接觸，并且在開路電壓條件、50°C、一倍太陽光強(qiáng)下光浸透達(dá)1000小時。而電池3328與3470具有商業(yè)的AR涂層的情況下，在電池3497與3473上施加我們的內(nèi)部 AR (Oerl.)。I. 3. 3非晶硅迷你模塊在尺寸為I平方厘米的電池上實驗所得到的發(fā)現(xiàn)被轉(zhuǎn)換以優(yōu)化LPCVD-ZnO上的迷你模塊。對于迷你模塊而言，選擇在ZnO類型A上更為成熟的技術(shù)?？紤]以下三種i_層厚度180、215、及250納米。在光浸透(如同第2節(jié)所描述的條件)之后，最有效率的迷你模塊被送至Ispra的JRC的ESTI實驗室以用于獨(dú)立特性表征(最佳結(jié)果示出于圖8中)。模塊孔徑面積(module aperture area)同樣是由ESTI所決定。9. 2%的穩(wěn)定模塊孔徑效率得到證實(如第2節(jié)所描述,在Oerlikon Solar-Lab完成光浸透)。當(dāng)創(chuàng)記錄的電池結(jié)果(表I :NREL)與創(chuàng)記錄的迷你模塊(圖8中ESTI)相比較時，計算0. 86%的效率損耗(絕對的)。此值是合理的，且我們的創(chuàng)記錄的電池結(jié)果因此進(jìn)一步得到確認(rèn)。I. 4概述與結(jié)論當(dāng)使用被適當(dāng)摻雜的LPCVD-ZnO電極時，對非晶硅p_i_n太陽能電池的i_層厚度進(jìn)行優(yōu)化的成果已經(jīng)示出可利用薄i_層(180納米)得到高Jsc值以及效率水平。在該KAI系統(tǒng)中沉積的高質(zhì)量硅層以及該內(nèi)部摻雜的LPCVD-ZnO的優(yōu)異特性已經(jīng)證實為在達(dá)到高效率水平方面非常重要。內(nèi)部ZnO顯現(xiàn)出高透射、高導(dǎo)電性、優(yōu)異的光散射能力、以及適合生長高質(zhì)量a-Si :H薄膜的表面形態(tài)。在I平方厘米上可達(dá)到10. 09%的創(chuàng)記錄的的穩(wěn)定電池效率(由NREL所獨(dú)立確認(rèn))。這種結(jié)果提供了我們所知對于a-Si :H單結(jié)太陽能電池經(jīng)確認(rèn)的最高穩(wěn)定電池效率。 相較于先前同樣由NREL所確認(rèn)的冠軍電池(n = 9. 47% J. Meier等人，IMT,Neuchatel[9,10])而言，我們在n上得到了 0.62%的明顯絕對改善。此外，另外兩個電池顯現(xiàn)出10. 06% 的效率(NREL)。為電池所開發(fā)的工藝經(jīng)轉(zhuǎn)換至迷你模塊的制備(10x10平方厘米)。Ispra的JRC的ESTI實驗室對這些光浸透迷你模塊的測量示出9. 2%的孔徑面積效率。這樣高穩(wěn)定的模塊效率與該NREL電池效率測量一致。我們指出迷你模塊的結(jié)果證明創(chuàng)記錄的電池可提升至高性能模塊。下一個階段，Oerlikon Solar將專注于提升至尺寸為I. 4平方米的工業(yè)用基板。結(jié)果示出Oerlikon Solar的技術(shù)用于制造高性能非晶硅與非晶/微晶堆疊串聯(lián)模塊的高度潛力。II.用于改善電特性的表面處理用于制造具有改善性能的光伏器件的方法本專利申請的這個部分實質(zhì)上取自2009年9月18日向美國專利商標(biāo)局提交的序號為No. 61/243，646的美國臨時申請，其涉及改善用于基于硅的薄膜太陽能電池或模塊的制造工藝。更詳而言，本專利申請涉及用于在薄膜硅太陽能電池及用于這樣的薄膜硅太陽能電池的層結(jié)構(gòu)中的所謂窗層的制造工藝。本專利申請更特別地涉及對在太陽能電池結(jié)構(gòu)中的電極層的表面處理，該電極層包含透明導(dǎo)電氧化物(TCO)。II. I現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)該窗(p/n型)層一般是由非晶或微晶硅(也叫納米晶體)或其任何混合物及其與氧、碳、鍺等的合金制成。因P/n型層是有很大缺陷的(混亂的)，該光產(chǎn)生的電子空穴以高概率復(fù)合；因此其無助于器件的光電流，而會造成吸收損耗。因此，該摻雜層的厚度應(yīng)最小化，以減少這些光學(xué)的損耗。然而，當(dāng)該摻雜層厚度過度減少時，填充因子的值及該開路電壓大幅降低。II. 2 概述在本說明書中建議，在用于薄膜硅層堆疊的窗層成長前，應(yīng)當(dāng)執(zhí)行短暫的表面處理，這分別造成非常薄，連續(xù)或不連續(xù)成核層或TCO表面制備。其示出此種處理改善了稍后的電池的電特性。II. 3詳細(xì)描述
一般，再參考圖9，薄膜光伏器件光伏電池40包含基板41，優(yōu)選為透明玻璃的基板，通常具有0. 4mm至5mm的厚度,優(yōu)選為2mm至4mm ;在基板41上作為接觸的導(dǎo)電氧化物42 ; 一個或多個半導(dǎo)體層43-46，在曝露于光時，該半導(dǎo)體層產(chǎn)生電荷分離；以及第二導(dǎo)電接觸47。本文提出的該表面處理包含提供在其上具有TCO接觸層42的基板41 ;提供SiH4、H2的等離子體以及任選地提供氣相濃度介于用于沉積后續(xù)子層44 = p摻雜窗層的濃度的0至80%之間，優(yōu)選地0至20%之間的摻雜氣體(例如，三甲基硼，乙硼烷...)。在以下例子中，在P層前，以如表2中的參數(shù)實施的該表面處理將該太陽能電池的效率增加了 2. 09% (表3)在電流密度方面(見

圖10的EQE)達(dá)到此增益的一半。表 權(quán)利要求
1.一種用于制造非晶硅p-i-n太陽能電池的方法，所述電池包括抗反射涂層以及摻雜的LPCVD ZnO正面與背面接觸，其中，所述摻雜的LPCVD ZnO正面與背面接觸是由大型粒狀物所構(gòu)成的多晶膜，所述大型粒狀物的末端在生長表面呈現(xiàn)為角錐，所述方法包括 一通過LPCVD沉積所述正面接觸； 一通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積來沉積所述P-i-n太陽能電池的硅層； 一通過LPCVD沉積所述背面接觸； 一提供所述抗反射涂層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，下述中的至少ー個適用 一所述方法包括使用Imm的Schott Borofloat 33玻璃作為蓋板，在所述SchottBorofloat 33玻璃上沉積在600納米具有70%的霧度因子的LPCVD-ZnO ； 一所述電池具有超過10%阻擋的穩(wěn)定電池效率，尤其是10. 09%的穩(wěn)定電池效率；一所述方法包括在單個腔室等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中沉積所述硅膜，尤其是在 Oerlikon Solar KAI 系統(tǒng)中； 一所述方法包括將所述背面接觸與白反射體組合； 一所述方法包括在1.75人/s的沉積速率下沉積所述i層； 一所述i層具有I. 73eV的光學(xué)帶隙； 一所述i層具有250納米的厚度； 一所述方法包括通過激光圖案化而構(gòu)建所述電池。
3.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的方法，所述非晶硅p-i-n電池包括具有玻璃/空氣界面的基板/P-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)，所述玻璃/空氣界面由于所述抗反射涂層而具有抗反射能力，所述方法包括提供具有玻璃/空氣界面的玻璃基板/P-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)，并且接著DART蝕刻所述空氣/玻璃界面的所述玻璃表面，以提供所述抗反射(AR)以及期望的光散射能力(D)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，在第一時間間隔期間執(zhí)行蝕刻以提供抗反射能力(AR)，并且在經(jīng)選定的第二時間間隔期間額外地執(zhí)行所述蝕刻以額外地(AR+D)提供増加的光散射量。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的方法，包括以下特征中的至少ー個 一所述玻璃基板/p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)包含第一電極、一個半導(dǎo)體薄膜p-i-n或n_i-p結(jié)、以及第ニ電極，其順序地堆疊于所述基板上，尤其是所述LPCVD ZnO正面接觸、所述硅層、以及所述LPCVD ZnO背面接觸順序地堆疊于所述基板上； 一所述玻璃基板/P-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)包含透明的玻璃基板，所述透明的玻璃基板具有沉積于其上的透明導(dǎo)電氧化物層，尤其是具有沉積于其上的所述LPCVD ZnO正面接觸層； 一在提供所述玻璃基板/p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)之后，通過蝕刻建立抗反射與散射能力。
6.如權(quán)利要求4及權(quán)利要求5之一所述的方法，進(jìn)ー步包括以下步驟僅在所述第二時間間隔期間執(zhí)行所述蝕刻之前，透過所述玻璃/空氣界面執(zhí)行激光圖案化的步驟。
7.如權(quán)利要求3至權(quán)利要求6之一所述的方法，其中，通過反應(yīng)離子蝕刻執(zhí)行所述蝕亥IJ。
8.如權(quán)利要求3至權(quán)利要求8之一所述的方法，包括通過下述來保護(hù)所述p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)，尤其是所述硅層，避免其受到所述蝕刻所述玻璃表面的影響的步驟 ー暫時的機(jī)械裝置，優(yōu)選地是具有夾固框架的載體裝設(shè)，其中，所述框架提供密封裝置，其允許僅暴露出需要被蝕刻的所述玻璃表面；或者通過 一可移除的粘性膜或可移除的涂料，優(yōu)選地是，白反射體涂料。
9.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述非晶硅p-i-n太陽能電池包括 一基板；以及 一第一電極，尤其是所述LPCVD ZnO正面接觸、一個半導(dǎo)體薄膜p-i-n或n-i-p結(jié),尤其是所述硅層、以及第ニ電極，尤其是所述LPCVD ZnO背面接觸，其順序地堆疊于所述基板上; 其中，所述方法包括 一提供所述基板以及堆疊于所述基板上的所述第一電極與所述至少一個結(jié)； 一使所述結(jié)的表面經(jīng)受被控制的氧化，以便透過所述至少ー個結(jié)去活泄漏邊界； 一將所述第二電極直接地或間接地施加于已經(jīng)受所述氧化的所述表面上方。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述非晶硅p-i-n太陽能電池具有以下特征中的至少ー個 一是薄膜太陽能電池； 一是薄膜娃太陽能電池； 一所述表面是最后被沉積的薄膜硅層的表面； 一所述基板是透明的，優(yōu)選為玻璃，尤其是Schott Borofloat 33玻璃； 一所述第一電極包括或是沉積于所述基板上的透明導(dǎo)電氧化物，尤其是所述摻雜的LPCVD ZnO正面接觸； 一所述至少ー個結(jié)包括氫化的微晶硅或非晶硅或兩者的組合； 一所述結(jié)的i層的厚度小于200納米，而所述p層的厚度小于10納米，且所述結(jié)優(yōu)選是p-i-n結(jié)； 一所述表面是n層的表面，優(yōu)選是經(jīng)PECVD沉積的； 一所述第二電極在大約200°C的溫度下進(jìn)行沉積； 一所述第一電極包括或是所述基板上所沉積的透明導(dǎo)電氧化物，且優(yōu)選地是其表面上具有紋理，所述至少一個結(jié)被施加于所述第一電極的表面上，所述導(dǎo)電氧化物優(yōu)選地是具有粗糙度大于100納米RMS的紋理的ZnO。
11.如權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述表面 一暴露于富含H2O及/或30 % H2O2的氣氛中，優(yōu)選地是，在100°C的溫度下I至2小吋；或者 一在室溫下暴露于臭氧中大約I小時；或者 一在大約100°c的溫度下暴露于臭氧中，優(yōu)選地是，5至15分鐘；或者 一在0. 5mbar的壓カ下暴露于臭氧中15分鐘；或者 一暴露于氧化等離子體下，優(yōu)選地是，暴露于含有C2F6、CO2> O2或SF6的氣氛中，優(yōu)選地是，在300mW/cm2電極面積的功率下，且優(yōu)選地是，在200°C的溫度下，優(yōu)選地是，超過10秒但不超過一分鐘， 所述表面優(yōu)選地是n層的表面。
12.如權(quán)利要求9至權(quán)利要求11之一所述的方法，其中，利用接受電子的氧化劑執(zhí)行所述氧化，所述氧化劑是氧、氟、硫、氯、氮中的至少ー個。
13.如權(quán)利要求9至權(quán)利要求12之一所述的方法，其中，所述暴露被執(zhí)行最多5分鐘。
14.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述非晶硅p-i-n太陽能電池包括 一基板； 一在所述基板上的第一電極層，包括透明導(dǎo)電氧化物，尤其是，所述LPCVD ZnO正面接觸； 一在所述第一電極層上的堆疊層，包括正摻雜的半導(dǎo)體層、本征的半導(dǎo)體層以及負(fù)摻雜的半導(dǎo)體層與第二電極層，尤其是，其中，這些堆疊半導(dǎo)體層是所述P-i-n太陽能電池的所述硅層，且所述第二電極層特別是所述LPCVD ZnO背面接觸， 所述方法包括以下步驟 一提供所述基板； 一在所述基板上沉積所述第一電極層，所述第一電極層包括所述透明導(dǎo)電氧化物并且具有表面； 一在第一時間間隔期間，通過第一真空處理工藝處理所述表面； 一通過在第二時間間隔期間，在包括氣態(tài)摻雜物的エ藝氣氛中執(zhí)行的第二真空エ藝，在經(jīng)所述第一真空處理工藝處理的所述表面上，沉積所述正摻雜層與所述負(fù)摻雜層中的一個； 一在包含氣態(tài)摻雜物的エ藝氣氛中執(zhí)行所述第一真空處理工藝，該氣態(tài)摻雜物與在所述第二真空エ藝的所述氣氛中包含的量不同，但是在其它方面執(zhí)行與所述第二真空エ藝相同的所述第一真空處理工藝，并選擇比所述第二時間間隔短的所述第一時間間隔。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其包含在包含SiH4及H2以及氣態(tài)摻雜物的氣氛中，作為真空等離子體處理工藝執(zhí)行所述第一真空處理工藝，該氣態(tài)摻雜物濃度介于存在于所述第二真空エ藝的氣氛中的氣態(tài)摻雜物濃度的0%到80%之間，優(yōu)選是介于0%到20%之間，由此，優(yōu)選地由所述第二真空エ藝沉積所述正摻雜半導(dǎo)體層。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第二真空エ藝是真空等離子體エ藝。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一時間間隔被選擇成介于該第一及第ニ時間間隔的和的5%到20%之間，并且其中優(yōu)選地所述第二真空エ藝是真空等離子體エ藝，并且下列至少之ー是有效的 一由所述第二真空エ藝所沉積的所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是所述正摻雜半導(dǎo)體層； 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是在包含SiHj^ H2的濃度為0. I %至10 %，優(yōu)選為I %至5 %的氣氛中沉積的； 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是在包含SiH4的氣氛中沉積的，并且在所述氣氛中該摻雜物對SiH4的濃度是0. I %到10 %，優(yōu)選為0. 05 %到0. 5 % ; 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是在功率密度為lOmW/cm2到lW/cm2，優(yōu)選地是介于50mW/cm2與300mW/cm2之間沉積的； 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是在0. 5mbar到12mbar的總壓カ下沉積的； 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是在介于1500°C到2800°C之間的エ藝溫度下沉積的； 一所述ー個摻雜半導(dǎo)體層是以頻率為13. 56MHz到82MHz的Rf功率沉積的。
18.—種非晶娃p-i-n太陽能電池,包括抗反射涂層、娃層的p-i-n結(jié)、及摻雜的LPCVDZnO正面與背面接觸，其中，所述摻雜的LPCVDZnO正面與背面接觸是由大型粒狀物所構(gòu)成的多晶膜，所述大型粒狀物的末端在生長表面呈現(xiàn)為角錐。
19.如權(quán)利要求18所述的非晶硅p-i-n太陽能電池，其中，下述中的至少ー個適用一所述非晶娃p-i-n太陽能電池包括Imm的Schott Borofloat 33玻璃作為蓋板,在所述Schott Borofloat 33玻璃上沉積在600納米具有70%的霧度因子的LPCVD-ZnO ;一所述電池具有超過10%阻擋的穩(wěn)定電池效率，尤其是10. 09%的穩(wěn)定電池效率；一所述硅膜被沉積于單個腔室等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中，尤其是在Oerlikon Solar KAI 系統(tǒng)中； 一所述背面接觸與白反射體組合； 一所述i層以1.75A/s的沉積速率進(jìn)行沉積； 一所述i層具有I. 73eV的光學(xué)帶隙； 一所述i層具有250納米的厚度； 一所述電池是通過激光圖案化進(jìn)行構(gòu)建的。
全文摘要
公開了一種用于制造非晶硅p-i-n太陽能電池的方法。所述電池包括抗反射涂層以及摻雜的LPCVD ZnO正面與背面接觸，其中，所述摻雜的LPCVD ZnO正面與背面接觸是由大型粒狀物所構(gòu)成的多晶膜，所述大型粒狀物的末端在生長表面呈現(xiàn)為角錐。所述方法包括通過LPCVD沉積所述正面接觸；通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積來沉積所述p-i-n太陽能電池的硅層；通過LPCVD沉積所述背面接觸；提供所述抗反射涂層。所述非晶硅p-i-n太陽能電池可達(dá)到10.09％的穩(wěn)定效率。
文檔編號H01L31/075GK102782881SQ201080041573
公開日2012年11月14日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者C·盧西, D·博雷洛, E·瓦拉特-紹瓦因, G·蒙特杜羅, J·拜拉特, J·施泰因豪澤, J·赫策爾, J·邁爾, M·馬梅洛, S·貝納格利, U·克羅爾 申請人:歐瑞康太陽能股份公司(特呂巴赫)