一種p型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，是采用層遞式沉積方法制備的由寬帶隙非晶硅碳薄膜和窄帶隙p型納米顆粒硅薄膜交替生長的多層材料，非晶硅碳薄膜的厚度為2-8nm，p型納米顆粒硅薄膜的厚度為2-8nm，如此循環沉積多次，直至形成總厚度為20-50nm的p型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱材料；該p型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料用于硅基薄膜太陽電池。本發明專利技術的優點是：該材料光學帶隙可達2.0~3.7eV，電導率可達0.1~5.0S/cm；該材料用于硅基薄膜太陽電池，可顯著提高電池的開路電壓，降低窗口層的光吸收損失，提高電池的短波響應和短路電流密度，提高光電轉換效率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于硅基薄膜太陽電池領域，特別是一種P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料。技術背景硅基薄膜太陽電池因其使用的半導體材料硅儲量豐富、無毒并且無污染，是人們研究最多、技術最成熟的。而其中硅基薄膜太陽電池由于產業鏈短、制造成本低、耗能低、制造過程無污染成為未來太陽電池發展的重要方向。P型摻雜層作為娃基薄膜電池的窗口層，與η型摻雜層共同形成娃基薄膜電池的內建電場。對P型窗口層的要求是高電導率、低激活能和寬帶隙，其中高電導率、低激活能 可以增強內建電場并降低P型窗口層和前電極的接觸電阻，寬帶隙可以減少P型窗口層的光吸收損失，提高電池在短波段的光電響應。目前，在硅基薄膜電池研究中廣泛使用P型非晶硅碳作為窗口層材料，通過碳與硅的合金效應使材料帶隙展寬。然而，隨著非晶硅碳薄膜中碳含量以及帶隙的增加，會導致摻雜效率降低、電導率下降；另一方面，通過增加氣相摻雜濃度可以提高P型非晶硅碳材料的電導率，而此時材料的結構有序度嚴重下降，引起帶隙降低。總之，傳統P型非晶硅碳材料的帶隙、碳含量、電導率、摻雜濃度等因素相互制約，使其寬帶隙、高電導率性能不易同時獲得，最終影響了太陽電池整體性能的提高。因此，開發出具有高電導率的寬帶隙P型窗口層材料，成為進一步提高硅基薄膜太陽電池效率的關鍵。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對上述存在問題，提供一種P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，該材料同時具有硅碳合金材料的寬帶隙特征和納米硅材料的高電導率特征，該新型窗口層能夠提高硅基薄膜太陽電池的開路電壓，并且可以拓展短波區域的太陽電池光譜響應，從而提高太陽電池的光電效率。本專利技術的技術方案—種P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，是采用層遞式沉積方法制備的由寬帶隙非晶硅碳薄膜和窄帶隙P型納米顆粒硅薄膜交替生長的多層材料，非晶硅碳薄膜的厚度為2-8nm，該薄膜中碳含量為30_100%，然后是一層p型納米顆粒硅薄膜，該薄膜厚度為2-8nm，薄膜內部硅結晶形態為顆粒狀，結晶成分占全部材料的體積百分比為70-100% ;如此循環沉積多次，直至形成總厚度為20-50nm的p型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子講材料。所述P型納米顆粒硅薄膜的制備工藝為反應溫度50-110°C，反應氣源為硅烷、硼烷和氫氣的混合氣體，其中氫氣占氣體體積流量的百分比不低于99%，輝光功率密度為O. 5-lW/cm2,等離子體處于Y-regime狀態。一種所述P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料的應用，用于硅基薄膜太陽電池，當采用玻璃或透明塑料為襯底時，該硅基薄膜太陽電池由玻璃或透明塑料襯底、前電極、P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層、本征吸收層、η型摻雜層和背電極依次疊加構成，當采用不銹鋼或不透明塑料為襯底時，該硅基薄膜太陽電池由背電極、η型摻雜層、本征吸收層、P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層和前電極依次疊加構成。所述本征吸收層材料為非晶硅、非晶硅鍺、非晶硅氧、非晶硅碳、微晶硅或微晶硅鍺；所述η型摻雜層材料為η型非晶硅、η型微晶硅、η型非晶硅氧或η型微晶硅氧。本專利技術的工作原理該P型非晶硅碳/納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，是一種由寬帶隙非晶硅碳材料和窄帶隙P型納米顆粒硅材料交替生長的多層材料，其中寬帶隙非晶硅碳材料構成電子和空穴的勢壘，而窄帶隙P型納米顆粒硅材料構成勢阱，通過調節非晶硅碳材料的厚度，使勢壘足夠寬，可以獲得此種新型多量子阱P型窗口層材料。該材料同時具有寬帶隙和高電導率特征，這是因為，首先，P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料的寬帶隙特征是由寬帶隙非晶硅碳材料決定的。對于傳統的P型摻雜非晶硅碳材料，具有10_7-10_6s/cm電 導率僅可以滿足太陽電池的最低要求，而此時材料帶隙最高只能達到2. 2eV。在不必獲得高電導率的前提下，未摻雜的非晶硅碳材料可以通過大幅度提高硅碳合金薄膜中的碳含量，將帶隙提高到3.7eV。另一方面，P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料的高電導率特征是由高電導率的P型納米顆粒硅材料決定的。納米顆粒硅材料的顯著優點是具有極高的摻雜效率，通過摻雜可以獲得O. 1-1. OS/cm的高電導率。P型納米顆粒硅材料是在低溫條件下制備，在高氫稀釋率、高功率的沉積條件下，控制實現等離子體狀態從a -regime到Y -regime的轉變,促進反應基團在等離子體空間內的二次反應(secondary reactions),而二次反應有利于插入反應以及硅氫高聚物(Si4H1(l、Si5H12, Si6H14)的形成，并且在大量原子氫的作用下，在等離子體空間內形成納米晶硅顆粒，其顆粒尺寸在幾個納米的范圍內。較低的襯底溫度，有利于在空間等離子體內形成的納米晶硅團簇順利附著在生長表面上，從而實現超薄納米晶硅材料的制備。本專利技術的優點和有益效果是該P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，由寬帶隙的非晶硅碳材料通過量子阱效應使其帶隙展寬至2. 0-3. 7eV,由交替鑲嵌其中的高電導率P型納米顆粒硅材料通過阱與阱間的滲流徑實現載流子沿多量子阱生長軸向的縱向輸運，使其電導率達到O. 1-5. OS/cm。相對于傳統P型窗口層，太陽電池所需的超寬帶隙和超高電導率特征同時獲得。將該材料用于硅基薄膜太陽電池的窗口層，和傳統P型窗口層材料相比，一方面可以使電池的內建電場大幅提高，進而顯著提高電池的開路電壓并有望使之突破傳統上限；另一方面可以顯著降低P型窗口層的光吸收損失，提高電池的短波響應和短路電流密度，最終在不增加設備成本的前提下提高了硅基薄膜太陽電池的光電轉換效率。附圖說明圖I是P型非晶硅碳/納米顆粒硅多量子阱材料的結構示意圖。圖中1.非晶硅碳pi2.P型納米顆粒硅p23.非晶硅碳pi4. P型納米顆粒硅p25.非晶娃碳pi6. P型納米顆粒娃p2圖2是以p型非晶硅碳/納米顆粒硅多量子阱材料為窗口層的n-i-p型非晶硅太陽電池結構示意圖。圖中7.不銹鋼襯底8.背電極9. η型摻雜層10.本征吸收層11. P型非晶硅碳/納米顆粒硅多量子阱 12.前電極圖3是P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱材料的透射電子顯微鏡照片。具體實施方式實施例一種P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，如圖I所示，是采用層遞式 沉積方法制備的由寬帶隙非晶硅碳薄膜和窄帶隙P型納米顆粒硅薄膜交替生長的多層材料，非晶硅碳薄膜1、3、5采用等離子體增強化學氣相沉積技術在襯底溫度為150°C條件下制備，反應氣體為硅烷、甲烷、氫氣混合氣體，其中體積流量百分比是硅烷占O. 5%，甲烷占4. 5%，氫氣為余量，非晶硅碳薄膜的厚度為5nm，薄膜中碳含量為70% ; 型納米顆粒硅薄膜2、4、6采用等離子體增強化學氣相沉積技術在襯底溫度為75°C條件下制備，輝光功率密度為O. 75W/cm2,等離子體處于Y-regime狀態,反應氣源為娃燒、硼燒和氫氣的混合氣體，其中體積流量百分比是硅烷占O. 5%，硼烷占O. 005%，氫氣為余量，P型納米顆粒硅薄膜厚度為5nm，薄膜內部硅結晶形態為顆粒狀，結晶成分占全部材料的體積百分比為85%;最后制得厚度為30nm的P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱材料，帶隙3. 4eV,電導率lS/cm。該P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料用于硅本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種p型非晶硅碳？納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，其特征在于：是采用層遞式沉積方法制備的由寬帶隙非晶硅碳薄膜和窄帶隙p型納米顆粒硅薄膜交替生長的多層材料，非晶硅碳薄膜的厚度為2？8nm，該薄膜中碳含量為30？100%，然后是一層p型納米顆粒硅薄膜，該薄膜厚度為2？8nm，薄膜內部硅結晶形態為顆粒狀，結晶成分占全部材料的體積百分比為70？100%；如此循環沉積多次，直至形成總厚度為20？50nm的p型非晶硅碳？納米顆粒硅多量子阱材料。
【技術特征摘要】
1.一種P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，其特征在于是采用層遞式沉積方法制備的由寬帶隙非晶硅碳薄膜和窄帶隙P型納米顆粒硅薄膜交替生長的多層材料，非晶硅碳薄膜的厚度為2-8nm，該薄膜中碳含量為30_100%，然后是一層p型納米顆粒硅薄膜，該薄膜厚度為2-8nm，薄膜內部硅結晶形態為顆粒狀，結晶成分占全部材料的體積百分比為70-100% ;如此循環沉積多次，直至形成總厚度為20-50nm的p型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱材料。2.根據權利要求I所述P型非晶硅碳-納米顆粒硅多量子阱窗口層材料，其特征在于所述P型納米顆粒硅薄膜的制備工藝為 反應溫度50-110°C，反應氣源為硅烷、硼烷和氫氣的混合氣體，其中氫氣占氣體體積流量的百分比不低于99%，輝光功率密度為O. 5-lf...
【專利技術屬性】
技術研發人員：倪牮，馬峻，張建軍，侯國付，陳新亮，張曉丹，趙穎，
申請(專利權)人：南開大學，
類型：發明
國別省市：
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