[发明专利]微晶硅薄膜的形成方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备范围，特别涉及到薄膜太阳能电池材料的制备技术。

背景技术

太阳能光伏发电是获得有利于环境的可再生能源的重要途径之一，最近几年，薄膜光伏电池和大面积光伏模块越发引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶硅、纳米晶硅和微晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出了巨大潜力。在低于260℃这样的相对低的温度下生产薄膜硅光伏器件，一个显著的特点是，可以大面积沉积与硅相关的性能优良的半导体膜层和电接触膜层。同时，可以使用成熟先进的镀膜设备和程序而制成生产成本较低的基板。施加在同一基板上的不同薄膜的激光划线成型(laser patterning)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板。

光伏器件，也叫太阳能电池或光电转换器，用来把辐射，比如太阳光、白炽光或者荧光等转化成电能。这种转化是通过所谓的光电效应产生的。当光线照射到光伏器件时，被器件的活跃区域所吸收，形成电子和空穴对，然后这些电子和空穴被器件的内置电场隔开。根据已知的使用氢化非晶硅和纳米晶硅及微晶硅的太阳能电池的结构分析，内部电场是在含有由非晶硅和/或纳米晶硅及微晶硅制成的p型、本征(i)型和n型膜层(p-i-n)的结构中产生。在包含p-i-n型结构的光伏电池中，当适当波长的光线被吸收时，电池的非掺杂型本征i层中就会生成电子-空穴对。在内置电场的影响下，电子-空穴被分开，电子流向n型导电区，而空穴流向另外一个p型导电区。光伏电池吸收了光之后，这种电子-空穴流就会生成光电压。

制作光伏器件的半导体材料要有吸光能力，产生大量的电子和空穴，并且能够尽可能多地把入射的光能转化成有用的电能，进而提高转化效率。在这方面，微晶硅相对于纳米晶硅特别是非晶硅具有优势，因为它可以更强的吸收长波辐射，并且具有更好的光电转换能力，并且不存在光照下不稳定的问题。微晶硅是制作光伏器件的理想材料，因为和其它光伏电池中使用的材料，特别是多晶硅相比，它能够在不超过几微米的厚度下，吸收大部分的太阳能辐射，这远远小于晶硅太阳能电池的厚度。

正如当前技术中所知，在p-i-n型基于薄膜硅的光伏电池中，p层和n层之间的非掺杂型本征i层比p层和n层要厚得多。本征i层的作用是阻止电子和空穴在内置电场中被分离之前重新结合。通常情况下，如果辐射入射在p层上，这种结构被称为″p-i-n″结构；而如果入射在n层上，被称为″n-i-p″结构。当前市场上的所有基于薄膜硅的光伏模板，都是p-i-n型的。

虽然微晶硅是很有潜力的薄膜太阳能电池材料，但是它目前的明显缺点是其生长的冗长复杂过程，而且必须使用精密而且昂贵的等离子体沉积设备，生产率非常低，同时会消耗大量高纯度的源气体(主要是氢气)，特别是在大面积镀膜时，其均匀性十分难以保障，特别是在高速沉积时。另外一个明显的问题就是这种材料对于真空室中杂质非常敏感，所以通常必须使用具有多个真空室的镀膜系统来分别沉积p层、n层和i层。如上问题使得直接使用等离子体化学气相连续生长出的微晶硅太阳能电池不具有低成本的竞争力。所以很有必要寻求一种更简单、可靠，便于产业化的形成微晶硅的方法。

发明内容

基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的：提供了一种氢化微晶硅形成的方法。

本发明进一步目的，是提供一个便于产业化的微晶硅太阳能电池的形成方法。

为了达到上述发明目的，本发明提出了一个分成两步的获得高质量微晶硅的方法，第一步用等离子体增强化学气相沉积的方法，获得如图1所示的，在基板3上形成的一个其底部为引晶层17的氢化非晶硅薄膜18，该非晶硅薄膜的生长速率不低于1纳米/秒，厚度不超过3微米，使其原子结构并不十分紧凑，而有助于其后的晶化过程。第二步是在一个不小于500个大气压的高压氢气环境中，在不高于300℃的温度下，将该材料退火处理3-10小时，从而得到适合于用做光电转换的氢化微晶硅。非晶硅转换成微晶硅的机制是在中温退火时硅组织首先在引晶层的界面开始重新组合，使得仔晶不断扩大，而这个过程又得助于渗入其中的氢气的帮助，高压同时也加快了晶化的过程，氢气丰富的环境使得晶粒表面的缺陷及时得到钝化，从而避免通常直接生长出的微晶硅所具有的较高的电子缺陷密度。这个过程的另一个优点就是所镀的硅材料可以含有相对高的杂质，而不影响微晶硅的性能，因为这些杂质被排斥到钝化的界面区域，而不起到对晶硅的掺杂作用。为了提高生产效率，在一个大型的高压室内，很多个镀有硅薄膜的基板可以被同时处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。