晶体硅薄膜的制备方法及晶体硅薄膜太阳电池.wps

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1、晶体硅薄膜的制备方法及晶体硅薄膜太阳电池晶体硅薄膜的制备方法及晶体硅薄膜太阳电池为了进一步降低晶体硅太阳电池的成本，近几年来，各国光伏学者发展了晶体硅薄膜太阳电池。 即将晶体硅薄膜生长在低成本的衬底材料上，用相对薄的晶体硅层作为太阳电他的激活层，不仅保持了晶体硅太阳电他的高性能和稳定性，而且使硅材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。 利用晶体硅薄膜制备太阳电池的基本要求为：（1）晶体硅薄膜厚度为5-150m；（2）增加光子吸收；（3）晶体硅薄膜的宽度至少是厚度的一倍；（4）少数载流子扩散长度至少是厚度的一倍；（5）衬底必须具有机械支撑能力；（6）良好的背电极；（7）背表面进行钝化；（8）

2、良好的晶粒间界。4 41 1 晶体硅薄膜的制音方法晶体硅薄膜的制音方法4 41 11 1 半导体液相外延生长法（半导体液相外延生长法（LPELPE 法）法）LPE法生长技术已广泛用于生长高质量的外延层和化合物半导体异质结构，如GaAs、 AIGaAs、 Si、 Ge、 siGe等。 LPE可以在平面和非平面衬底上生长，能获得结构十分完美的材料。 用 LPE技术生长晶体硅薄膜来制备高效薄膜太阳电池，近年来引起了广泛兴趣。LPE生长可以进行掺杂，形成 n-型和p-型层，LPE生长设备为通用外延生长设备，生长温度为300C-900C，生长速率为0.2m-2mmin，厚度为0.5m-100m。外延层的

3、形貌决定于结晶条件，并可直接获得具有绒面织构表面的外延层。4 41 12 2 区熔再结晶法（区熔再结晶法（ZMRZMR 法）法）在硅（或其它廉价衬底材料上）形成SiO，层，用 Lp-CVD法在其上沉积硅层（3m-5m，晶粒尺寸为0.01-0.m），将该层进行区熔再结晶（ZMR）形成多晶硅层。控制ZMR 条件，可使再结晶硅膜中的腐蚀坑密度由1I07cm-2下降到 1-2106cm-2，同时（100）晶相面积迅速增加到90以上。为了满足光伏电池对层厚的要求，在ZMR 层上用CVD法生长厚度为50m-60m的硅层作为激活层，用扫描加热使其晶粒增大至几毫米，从而形成绝缘层硅结构（SOI），激活层为p型

4、，电阻率为1cm-2cm。为获得高质量的激活层，在进行Lp-CVD前，对 ZMR 层表面进行HCI 腐蚀处理。为制备多晶硅薄膜太阳龟池，在激活层表面进行腐蚀形成绒面织构，并在其上进行n-型杂质扩散形成 p-n结，然后进行表面钝化处理和沉积减反射层，并制备上电极，进行背面腐蚀和氢化处理，制作背电极，即制成多晶硅薄膜太阳能电池。上述结构不但有效地降低串联电阻，还能增加背反射。在10cm10cm面积上获得转换效率为 14. 22的多晶硅薄膜太阳电池。4 41 13 3 等离子喷涂法（等离子喷涂法（PSMPSM）采用DC 一 RF 混合等离子系统。以纯度为 99.9999，粒度为50m 一 150m

5、的 p-型晶体硅粉作为原材料，用 Ar气作为携带气体，由 DC-RF 等离子体进行喷涂。原料贮存盒和携带气体管道涂覆Si-C-N-O 化合 物，防止金属杂质污染。硅粉在高温等离子体中加热熔化。 熔化的粒子沉积在衬底上，衬底由加热器加热，沉积前，用红外热偶测试衬底温度，使之保持在1200，沉积室由不锈钢制成，用无油泵抽真空，其真空度为1.3310-2pa。等离子体由 Ar和少量 H构成，沉积时压强为 810-8pa。 沉积的多晶硅膜厚度为200m-1000m。 多晶硅晶粒尺寸为20m-50m，沉积速率大于10ms。用等离子体喷涂沉积多晶硅薄膜太阳电池，全部采用低温等离子 CVD工艺。用碱或酸溶液

6、腐蚀沉积的多晶硅层，在其上于200用等离子CVD 形成厚度约 20010-8cm的微晶硅作为发射层，并制备ITO 减反射层和银浆电极构成太阳电池。面积为 lcm2，在AM1.5、100mWcm2条件下，电他转换效率为了 =4.3%。4 41 14 4叠层法叠层法在较低的温度300下，用叠层技术，在经预先氟化处理的玻璃衬底上沉积多晶硅薄膜，该方法类似于沉积a-Si：H 薄膜。 在低温下用等离子增强化学气相沉积法（PELVD）沉积大面积多晶硅薄膜。一般，p。型掺杂多晶硅薄膜用叠层技术沉积，其厚度为0.28mm5.78mm。典型的沉积条件为：SiF4流量为 60SCCm，氢流量为15SCCm，沉积温

7、度为300，微波功率为 200W，压强为53.3Pa。 进行卜型掺杂沉积时，在氢气中混合10ppmPH3，流量为18SCCm。每次沉积持续和原子氢处理时间为10s。由于沉积时，掺杂用的 PH3和源SiF4加入氢等离子体区域，这样可以较好地控制膜中的 P和 Si的比例。在100K-400K 温度范围内，用霍尔效应和电导测量确定其载流子输运特性。 实验表明，材料结构是膜厚的函数，霍尔迁移率随膜厚度增加而增加，样品的最高迁移率区是在薄膜表面附近。 载流子电导由晶粒问界势垒决定。4 41 15 5化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVDCVD）用化学气相沉积法（CVD），在铝陶瓷衬底上沉积3m-5m 的

8、硅薄膜。为了获得高质量的硅薄膜，铝陶瓷衬底上预先沉积Si3N4SiOx 双层膜。 在硅薄膜沉积时，引入硼掺杂。 用CW-Ar激光束溶化沉积的硅膜，在氮气氛中，400-500下再结晶。制备薄膜太阳电池时，用常规方法进行P 扩散和沉积ITO膜，用氢等离子处理来钝化晶体缺陷。 电池也可采用MgF2（11010-8cm）TiO2（650l0-8cm）双层减反射膜，MgF2层用电子束蒸发方法沉积，TiO2层用常压 CVD沉积。 该方法制备的太阳电池厚度为42m，短路电流为25.5mAcm2，开路电压为0.48V，FF 为053，=6.52。4 41 16 6固相结晶法（固相结晶法（SPCSPC）开始材料

9、a-Si 用 SiH，或Si2H，辉光放电沉积在平面或绒面衬底上，沉积时加A PH3，形成 p。 掺杂层，其作用起增强晶核和形成大晶核的作用。p-掺杂层典型的厚度为170nm，在其上沉积不掺杂的a-Si 层。通过改变沉积条件，如压力，RF 功率等来改变不掺杂的a-Si 层的结构。沉积后，在真空中 600下进行退火，使a-Si层进行固相结晶，形成多晶硅。用Raman 光谱研究未掺杂a-Si结构和多晶硅膜关系，经 Secco腐蚀显露出晶界，用扫描电镜测量晶粒尺寸和密度。用上述SPC 法制备的多晶硅薄膜电池，其结构为衬底采用钨，SPC 后n 型多晶硅层厚度为10m，在n 型多晶硅上沉积卜型a-Si和

10、 p型 a-Si，其厚度为10m，在p 型a-Si 上沉积70nm的ITO 膜，并沉积金属电极。 制作的多晶硅太阳电池，面积为1cm2，转换效率为63，当波长为900nin 时，电他的收集系数为51，电他少数载流子扩散长度为11m，最高短路电流为 28.4mAcm2。 p 型掺杂层的P掺杂大于1020cm-3。4 42 2 国内外发展现状与趋势国内外发展现状与趋势晶体硅薄膜太阳电池，近年来在国外发展比较迅速。 为了使晶体硅薄膜太阳电池达到商业化，努力将实验室结果推向市场，1988年制造出100cm2的薄膜太阳电池，其转换效率为8。 18个月后，其效率在同样面积下达到10.9，3 年半后12kw

11、薄膜太阳电池系统投入市场。1994年底美国加利福尼亚区成功建立了 17.1kW硅薄膜太阳电池方阵系统，这个系统电池是利用高温热分解喷涂法制备的。 在薄膜电池上覆盖了一层抗反射层，硅薄膜晶粒为毫米级，具有宏观结构特性，减少了兰色和远红外光的响应。1997年召开的 26 届 IEEE PVSC，14 届欧洲PVSEC 和世界太阳能大会报道了Uvited Solar Systemn 薄膜硅太阳电池，转换效率为 166，日本的 Kanebo为9.8，美国 NREL提供的测试结果,USSA的 SiSiGeSiGe薄膜电池，面积为903cm2，转换效率为10.2，功率为9.2W。我国晶体硅薄膜太阳电他的研

12、究仍处于实验室阶段。1982年长春应用化学研究所韩桂林等人用CVD 法，在系统中采用高频加热石墨，系统抽真空后通氖气以驱除残留气体，加热石墨至所需温度，随即通入混合气体，在1100-1250下，SiCl4被H2还原，硅沉积在衬底上。 研究了多晶硅薄膜的生长规律并对膜的基本物理特性进行研究。1998年北京市太阳能研究所赵玉文等报道了以 SiH2Cl2为原料气体，采用快速热化学气相沉积（RTCVD）工艺在石英反应器中沉积多晶硅薄膜。气源为H2和SiH2Cl2的混合物，石英管内配有石墨样品托架，采用程控光源将石墨样品托架加热到1200。试验所用衬底为重掺杂磷非活性单晶硅片或非硅质底材。在1030下薄

13、膜生长速率为 10nms，研究了薄膜生长特性，薄膜的微结构，并研制了多晶硅薄膜电池，电池结构为金属栅线p+多晶硅膜n多晶硅膜n+C-硅金属接触。采用扩硼形成p+层，结深约为1m，电池面积为1cm2，AM1.5、100mVcm2条件下，无减反射涂层，电池转换效率为4.54，Jsc14.3mAcm2，Voc=0.460V，FF=0.67。我国晶体硅薄膜太阳电池研究水平与国际水平相差较大，应加速发展。 在廉价衬底上形成高质量的多晶硅薄膜，研究衬底与硅膜之间夹层，用以阻挡杂质向硅膜扩散，并研制出具有较高转换效率的多晶硅薄膜电池，在近期内使其转换效率能达到10左右，为工业化生产作准备，以期成本能降低到1/w左右。