專利名稱：一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅基薄膜太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料及其應(yīng)用。
技術(shù)背景在太陽電池領(lǐng)域中，硅基薄膜太陽電池是受到廣泛認可的低成本技術(shù)路線。傳統(tǒng)意義上講，硅基薄膜太陽電池是指以非晶硅、微晶硅、硅鍺合金、硅碳合金、硅氧合金等薄膜材料為本征吸收層的太陽電池，普遍具有原材料消耗量低、易于大面積制備，制造成本、能耗低，且制造過程無毒、無污染等優(yōu)勢，目前已逐步走向產(chǎn)業(yè)化。采用不同帶隙的吸收層材料制成多結(jié)疊層電池，是提高硅基薄膜太陽電池穩(wěn)定效率的有效途徑。目前，最為常見的疊層電池結(jié)構(gòu)為非晶硅-微晶硅雙結(jié)疊層、非晶硅-非晶硅鍺-非晶硅鍺和非晶硅-非晶硅鍺-微晶硅三結(jié)疊層結(jié)構(gòu)等。在上述結(jié)構(gòu)中，首層、第二層和后續(xù)層具有遞減的帶隙，每一層吸收的太陽光譜波長則不斷遞增。但是，無論哪種電池結(jié)構(gòu)，最底層電池的理論帶隙均不低于I. leV，從而將太陽電池的長波光譜吸收限制在llOOnm，僅能利用AMl. 5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜總輻射量的約80%，造成一定的光損失。因此，拓展光譜吸收范圍，成為進一步提高硅基薄膜太陽電池效率的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料及其應(yīng)用，該材料可吸收大于IlOOnm波長，應(yīng)用于基于IV族薄膜材料的四端疊層太陽電池，結(jié)構(gòu)新穎，能夠拓展近紅外區(qū)域的太陽電池光譜響應(yīng)，最大限度地利用太陽光譜。本發(fā)明的技術(shù)方案—種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，是采用層遞式循環(huán)沉積方法制備的由微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜交替生長的多層材料，微晶鍺薄膜的厚度為20-50nm，其內(nèi)部結(jié)晶成分占全部材料的體積百分比為40-80%，晶粒尺寸為15-40nm，之后沉積非晶鍺薄膜的厚度為Ι-lOnm，然后進行等離子體處理或化學(xué)退火處理，如此循環(huán)沉積微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜，直至形成總厚度為50-1500nm的微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)薄膜，即為窄帶隙微晶鍺_非晶鍺異質(zhì)吸收層材料。一種所述窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料的應(yīng)用，用于基于IV族薄膜材料的寬光譜四端疊層硅基薄膜太陽電池，該太陽電池由襯底、金屬電極、透明導(dǎo)電電極、底端電池的η型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層、底端電池的P型摻雜層、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、中間透明絕緣層、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極疊加構(gòu)成，其中金屬電極、透明導(dǎo)電電極、底端電池的η型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層、底端電池的P型摻雜層和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極構(gòu)成以微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)材料為吸收層的薄膜太陽電池的底端電池，用于吸收IlOO-ISOOnm波段的長波太陽光譜，透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極構(gòu)成傳統(tǒng)的硅基薄膜疊層頂端電池，用于吸收300-1100nm波段的太陽光譜，底端電池和頂端電池各有電池兩極并設(shè)有四個引出端，底端電池和頂端電池之間以透明絕緣層相連，其電阻率高于1010 Ω cm、IIOO-ISOOnm波段透過率高于60%、折射率為I. 5-3. O。本發(fā)明的工作原理采用層遞式沉積方法制備的新型微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換能力。這是因為，具有單一成分的微晶鍺材料，在生長過程中隨著厚度的增加而不斷累積晶界缺陷，缺陷態(tài)密度的大幅增加使載流子輸運特性變差，進而使材料失去吸收光子并將其轉(zhuǎn)換成電子的能力。采用層遞式沉積方法，在沉積一定厚度的微晶鍺材料后，沉積一層非晶鍺薄層，并結(jié)合一定的等離子體處理或者化學(xué)退火處理技術(shù)，可以有效減緩因晶粒長大、交聯(lián)而形成的晶界缺陷，達到鈍化晶界缺陷的目的。另外，周期性的微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種多量子阱材料，帶隙為I. IeV的非晶鍺材料構(gòu)成電子和空穴的勢壘，通過改變非晶鍺層的厚度，可以調(diào)節(jié)微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料的帶隙，使之在
O.70-1. IOeV之間變化，達到拓展電池近紅外區(qū)域光譜響應(yīng)的目的。為了充分發(fā)揮微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料的窄帶隙優(yōu)勢，提高電池轉(zhuǎn)換效率，我們提出一種新穎的四端疊層電池結(jié)構(gòu)設(shè)計。硅基薄膜疊層太陽電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是，帶隙由寬到窄的不同子電池分別吸收由短波到長波的太陽光譜，各個子電池之間以隧穿結(jié)的形式串聯(lián)結(jié)合，實現(xiàn)電流的輸運。然而，若將窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料直接用于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硅基薄膜疊層太陽電池中，由于受到疊層電池電流匹配原則的限制，在開路電壓相對較低的前提下無法真正提高疊層電池的轉(zhuǎn)換效率。采用新穎的四端疊層電池結(jié)構(gòu)，以絕緣性透明中間層材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的n/p隧穿結(jié)，實現(xiàn)頂端電池與底端電池的物理連接以及電學(xué)分隔，使頂端電池與底端電池可以分別吸收300-1 IOOnm和1100-1800nm波段的太陽光譜，在電學(xué)上互不影響，擺脫了疊層電池電流匹配原則的限制；另一方面，低折射率的透明氧化物絕緣層，具有光管理的功能，起到中間反射層的作用，對入射光進行選擇性再分配，將適合的短波長光反射回到頂端電池，同時保證適合底端電池利用的光能夠有效地透射，最終使微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料的窄帶隙優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是研發(fā)制備出一種用于薄膜太陽電池的新型吸收層材料，即基于晶界鈍化技術(shù)的周期性窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，該材料具有低缺陷態(tài)密度的特征，并且?guī)犊稍贠. 70-1. IOeV之間連續(xù)可調(diào)，可將薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)范圍拓展至1800nm，實現(xiàn)寬光譜吸收，可有效利用AMl. 5太陽光譜總輻射量的95% ;該材料用于基于IV族薄膜材料的寬光譜四端疊層電池，可充分發(fā)揮窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料在拓展光譜響應(yīng)范圍方面的優(yōu)勢，并且與傳統(tǒng)的硅基薄膜疊層電池技術(shù)相兼容，使兩者有機結(jié)合，在不增加設(shè)備成本的前提下便可獲得基于IV族薄膜材料的新型寬光譜太陽電池，更加充分地利用了太陽光譜，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖I為窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.微晶錯材料il 2.非晶錯材料i23.微晶鍺材料iI4.非晶鍺材料i2
5.微晶鍺材料il6.非晶鍺材料i2
7.微晶鍺材料il8.非晶鍺材料i2
9.微晶錯材料il10非晶鍺材料i2
11微晶錯材料il12非晶鍺材料i2
13微晶錯材料il14非晶鍺材料i2
15微晶錯材料il16非晶鍺材料i2
17微晶錯材料il18非晶鍺材料i2
19微晶錯材料il20非晶鍺材料i2
21微晶錯材料il22非晶鍺材料i2
23微晶錯材料il24非晶鍺材料i2
25微晶錯材料il26非晶鍺材料i2圖2是基于IV族薄膜材料的寬光譜四端疊層電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖中27.襯底28.金屬電極29.透明導(dǎo)電電極30.底端電池的η型摻雜層31.窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層32.底端電池的P型摻雜層33.透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極34.透明絕緣層35.透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極36.微晶硅電池37.非晶硅鍺電池38.非晶硅電池39.透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極
具體實施方式實施例一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，如圖I所示，是采用層遞式循環(huán)沉積方法制備的由微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜交替生長的多層材料，其中微晶鍺薄膜1、3、5、7、9、
11、13、15、17、19、21、23、25采用等離子輔助反應(yīng)熱CVD技術(shù)制備，即通過鍺烷和氫氣的化學(xué)反應(yīng)在沉積溫度為250-350°C下制備，氣體體積流量百分比是鍺烷占O. 1-2%、氫氣為余量，微晶鍺薄膜的厚度為45nm，其內(nèi)部結(jié)晶成分占全部材料的體積百分比為60%，晶粒尺寸為 30nm，帶隙為 O. 7-0. 8eV ;非晶鍺薄膜 2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26 采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，反應(yīng)氣體為純鍺烷，反應(yīng)溫度為250-30(TC，薄膜厚度為5nm ;微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)薄膜的總厚度為650nm。將該窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料用于基于IV族薄膜材料的寬光譜四端疊層娃基薄膜太陽電池，該太陽電池由襯底27、金屬電極28、透明導(dǎo)電電極29、底端電池的η型摻雜層30、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層31、底端電池的P型摻雜層32、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極33、透明絕緣層34、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極35、微晶硅電池36、非晶硅鍺電池37、非晶硅電池38和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極39疊加構(gòu)成，其中金屬電極28、透明導(dǎo)電電極29、底端電池的η型摻雜層30、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層31、底端電池的ρ型摻雜層32和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極33構(gòu)成以微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)材料為吸收層的薄膜太陽電池的底端電池，用于吸收1100-1800nm波段的長波太陽光譜，透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極35、微晶硅電池36、非晶硅鍺電池37、非晶硅電池38和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極39構(gòu)成傳統(tǒng)的硅基薄膜疊層頂端電池，用于吸收300-1100nm波段的太陽光譜，底端電池和頂端電池各有電池兩極并設(shè)有四個引出端28、33、35、39，底端電池和頂端電池之間以透明絕緣層34相連，其電阻率高于ΚΓΩαικΙΙΟΟ-ΙδΟΟηπι波段透過率高于60%、折射率為I. 5-3. O。
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該實施例中涉及的中間透明絕緣層材料為氫化非晶硅氧材料，采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，即通過硅烷、二氧化碳和氫氣的化學(xué)反應(yīng)在沉積溫度為200°C下制備，厚度為500nm，折射率為2. 0-2. 5。微晶硅電池37、非晶硅鍺電池38和非晶硅電池39采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備，其串聯(lián)得到的傳統(tǒng)疊層硅基薄膜太陽電池可以達到12-13%的轉(zhuǎn)換效率，與底端電池相結(jié)合，可以使基于IV族薄膜材料的四端疊層電池轉(zhuǎn)換效率達到13-14%。
權(quán)利要求
1.一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，其特征在于是采用層遞式循環(huán)沉積方法制備的由微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜交替生長的多層材料，微晶鍺薄膜的厚度為20-50nm，其內(nèi)部結(jié)晶成分占全部材料的體積百分比為40-80%，晶粒尺寸為15_40nm，之后沉積非晶鍺薄膜的厚度為Ι-lOnm，然后進行等離子體處理或化學(xué)退火處理，如此循環(huán)沉積微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜，直至形成總厚度為50-1500nm的微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)薄膜，即為窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料。
2.一種如權(quán)利要求I所述窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料的應(yīng)用，其特征在于用于基于IV族薄膜材料的寬光譜四端疊層硅基薄膜太陽電池，該太陽電池由襯底、金屬電極、透明導(dǎo)電電極、底端電池的η型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層、底端電池的P型摻雜層、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、中間透明絕緣層、透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極疊加構(gòu)成，其中金屬電極、透明導(dǎo)電電極、底端電池的η型摻雜層、微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層、底端電池的P型摻雜層和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極構(gòu)成以微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)材料為吸收層的薄膜太陽電池的底端電池，用于吸收1100-1800nm波段的長波太陽光譜，透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極、微晶硅電池、非晶硅鍺電池、非晶硅電池和透明導(dǎo)電與柵線復(fù)合電極構(gòu)成傳統(tǒng)的硅基薄膜疊層頂端電池，用于吸收300-1100nm波段的太陽光譜，底端電池和頂端電池各有電池兩極并設(shè)有四個引出端，底端電池和頂端電池之間以透明絕緣層相連，其電阻率高于101° Ω cm、IIOO-ISOOnm波段透過率高于60%、折射率為I. 5-3. O。
全文摘要
一種窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料，是采用層遞式循環(huán)沉積方法制備的由微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜交替生長的多層材料，微晶鍺薄膜的厚度為20-50nm，非晶鍺薄膜的厚度為1-10nm，然后進行等離子體處理或化學(xué)退火處理，如此循環(huán)沉積微晶鍺薄膜和非晶鍺薄膜，直至形成總厚度為50-1500nm的微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)薄膜；該窄帶隙微晶鍺-非晶鍺異質(zhì)吸收層材料可用于基于Ⅳ族薄膜材料的寬光譜四端疊層硅基薄膜太陽電池。本發(fā)明的優(yōu)點是可將薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)范圍拓展至1800nm，在不增加設(shè)備成本的前提下便可獲得基于Ⅳ族薄膜材料的新型寬光譜疊層太陽電池，更加充分地利用了太陽光譜，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0376GK102916061SQ20121043581
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者倪牮, 張建軍, 馬峻, 侯國付, 陳新亮, 張曉丹, 趙穎 申請人:南開大學(xué)