[发明专利]优质氧化锡的形成方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光伏材料领域，特别涉及到薄膜太阳能电池的材料技术。

背景技术

近年来，光伏电池和大面积光伏模块的发展引起了世人的广泛关注。尤其是氢化非晶硅和纳米晶硅，它们随着光伏器件在商业和住宅设施中的广泛应用，显示出巨大的潜力。在260℃以下这样较低的温度下生产薄膜硅光伏器件一个显著特点是，大面积沉积的与硅相关的半导体膜层和电接触膜层具有优良性能。同时，使用良好成熟的镀膜设备和程序，可以工业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划线成型工艺(laserpatterning)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块，减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。

对于光伏器件，特别是薄膜光伏器件来讲，使其性能优良的关键之一是优化半导体光电转换层对光能的吸收，并同时减少器件中的光损耗。在很薄的吸收层里能够最大限度的吸收光能，是高转换效率的必备条件。氢化薄膜硅所构成的太阳能电池通常具有p-i-n结构，其中p层和n层是不活跃的“死层”，它们在非掺杂的i层中建立一个内置电场，从而使得光致载流子被有效的收集。基于氢化硅的p-i-n结构被夹在前后两个电极(电接触层)中，而形成完整的光伏元件。所使用的前电极必须具有良好的透明度和导电性，它通常是由透明导电氧化物(TCO)构成，譬如厚度为600-900纳米的被掺杂的氧化锡或氧化锌薄膜。后电极通常由一个TCO和金属薄膜共同组成，其一个重要作用就是将未被吸收的光反射回p-i-n结构之中。已经尝试过各种各样的办法来改善对光的吸收，其中包括使用粗糙的透明前电极。另外，也使用过反光率很高的背电极，使得未被吸收的光再一次被投回到电池中。

通常所使用的前电极由一个透明导电金属氧化物(TCO)构成，迄今最常见且广泛用于氢化硅薄膜光伏模板生产的TCO是镀在玻璃基板上的氧化锡。它是在较高的温度下，用APCVD设备在移动的玻璃基板上形成。APCVD(大气压化学气相沉积法)是一个在实验中被证明很成功的且已经在工业上广泛应用的生长氧化锡透明导电膜的方法，而且有很成熟的设备可供使用。为了使太阳能电池有良好的光电转换效率，氧化锡薄膜必须同时具有高于80％的光透明度，不低于6-8％的光散射系数(haze ratio)，也就是具有相当程度的表面纹理和粗糙性，同时具有较高的导电率，譬如膜层电阻不高于20Ω/□。实验室中获得的最佳非晶硅和纳米晶硅太阳能电池(最高效率超过14％)，就是在散射系数介于10-20％之间的氧化锡前电极上制成的。这类电池的层状结构如图1所示：一个玻璃基板1；一个由纹理性的氧化锡构成的透明前电极2；一个或多个由基于氢化硅的薄膜构成的p-i-n型光伏单元8；一个第二透明导电氧化物7和一个或多个金属薄膜45。由于氧化锡2具有良好的表面结构，其后生长的氢化硅薄膜8及其后的透明导电氧化物7，大体上保持了这种表面结构。也就是说，入射光在进入p-i-n光伏单元时，在氧化锡与薄膜硅的界面27受到散射，使光以较大的角度进入半导体光电转换区域8。未被p-i-n光伏单元吸收的长波光也在薄膜硅与第二透明导电氧化物的界面87和第二透明导电氧化物与金属膜的界面77两次受到散射性反射。从而使大部分的弱吸收光以超过全部内反射的临界角度的方向再次进入p-i-n光伏单元，从而极大的提高了它们被吸收的机率。所以氧化锡表面的粗糙性对于这类电池的长波感应有不可低估的重要性。

但是在其厚度不超过1000纳米时氧化锡很难被做得具有高度的表面纹理结构或粗糙度，也就是说，它对光的散射能力往往不令人满意。具有粗糙表面的氧化锡经常具有较差的导电性能和较高的光损耗，这个缺陷限制了薄膜光伏器件光电效率进一步的提高。曾经有各种尝试，使得TCO的表面结构(texture)变得更明显，譬如对沉积好的TCO薄膜进行化学或机械处理，使其表面变得更粗糙，但这种做法所得到的粗糙性没有很好的控制性和重复性，从而经常导致薄膜光伏器件的缺陷。另外一种做法就是将基板的表面做得粗糙，但是这种方法生长的氧化锡的表面纹理过于尖锐而导致薄膜太阳能电池的结构缺陷。