技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光伏光伏器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導體結(jié)構(gòu)和包括該結(jié)構(gòu)的薄膜光伏器件。

背景技術(shù)

近年來，隨著能源的日益短缺，太陽能的開發(fā)和利用越來越引起人們的重視。光伏器件，特別是基于氫化非晶硅(a-Si:H)和納米晶硅(nano-crystalline?Si，nc-Si)的薄膜光伏器件，以其大面積、低成本、易于鋪設(shè)等優(yōu)勢受到世人的青睞。已知的基于氫化硅薄膜的光伏器件，通常具有被設(shè)計為p-i-n型結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換單元。圖1為基于氫化硅薄膜的光伏器件的典型結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，薄膜光伏器件通常包括玻璃基板10、透明導電前電極11(通常由氟摻雜的氧化錫(Sn0₂:F)組成)、背電極15(通常由鋁摻雜的透明導電氧化鋅(ZnO:Al)和金屬薄膜組成)和背保護板16，在透明導電前電極11和背電極15之間是由p層12、本征i層13和n層14組成的光電轉(zhuǎn)換單元17。其中p層12的材料通常是硼摻雜的寬帶隙非晶硅合金(如非晶硅碳)或納米晶硅；非摻雜的本征i層13一般是由非晶硅，納米晶硅或非晶硅鍺合金組成；n層14通常是由磷摻雜的非晶硅或納米晶硅組成。p層12和n層14在光電轉(zhuǎn)換單元17的i層13中建立內(nèi)部電場，當光線20穿過p層12進入本征i層13時，在其中就會生成電子-空穴對，在內(nèi)部電場的作用下，電子-空穴被分開，電子流向n層14，空穴流向p層12，形成光生電流和光生電壓，載流子由透明導電前電極11和背電極15收集。

非晶硅作為薄膜光伏器件較為理想的材料，能夠吸收大部分的入射輻射，而隨著光照時間的加長，非晶硅材料的光電轉(zhuǎn)換能力會逐漸衰退，即產(chǎn)生光致衰退效應。為了增加薄膜光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命，并提高輸出電壓，人們研制出了多結(jié)薄膜光伏器件，也就是兩個或兩個以上光電轉(zhuǎn)換單元疊加串聯(lián)在一起的薄膜光伏器件。多結(jié)薄膜光伏器件的首結(jié)、第二結(jié)和后續(xù)結(jié)的i層具有不同的帶隙寬度，這些帶隙呈梯度連續(xù)遞減，以吸收不同波長的光，最頂結(jié)的i層主要吸收藍光或綠光等短波光，第二結(jié)的i層或后續(xù)結(jié)的i層主要吸收紅光或紅外線等長波光。無論是雙結(jié)還是三結(jié)或更多結(jié)薄膜光伏器件，每個后續(xù)結(jié)的i層都比上一結(jié)的i層吸收波長更長的光。理論上，結(jié)層越多，光伏器件的性能越好。

通常，雙結(jié)薄膜光伏器件頂結(jié)的本征半導體膜層i層一般是由非晶硅制成，而底結(jié)的半導體膜層i層的材料通常是納米晶硅或鍺含量(濃度)可調(diào)節(jié)的非晶硅鍺(a-SiGe)合金。納米晶硅和非晶硅鍺的帶隙都小于非晶硅，通過調(diào)節(jié)底結(jié)i層的厚度或增加鍺的原子濃度，可以使底結(jié)電池吸收更多的紅光和紅外線。近幾年來，基于氫化薄膜硅的工業(yè)實驗顯示，三結(jié)薄膜光伏器件能夠最好地平衡性能和器件復雜程度之間的關(guān)系。目前較為常見的三結(jié)薄膜光伏器件包括非晶硅i層、非晶硅鍺i層和非晶硅鍺i層，即a-Si/a-SiGe/a-SiGe的結(jié)構(gòu)。

上述現(xiàn)有的多結(jié)光伏器件有兩個嚴重的缺點。首先，非晶硅/納米晶硅雙結(jié)光伏器件包含非晶硅i層和納米晶硅i層，為了使其效率更高，頂結(jié)的非晶硅i層厚度必須接近或大于200納米，這樣才能和較厚的納米晶硅i層產(chǎn)生的光電流相配合。但是如此厚的非晶硅本征i層會隨著光照時間的增長而衰退(這稱為S-W效應，沒有徹底的解決方法)，這削弱了器件的長期性能。這一現(xiàn)象在初始光電流更高的a-Si/nc-Si多結(jié)光伏器件中更為嚴重。此外，因為納米晶硅有間接的光能帶隙，為了產(chǎn)生大量的光電流，雙結(jié)中需要一個相當厚(約2000納米)的納米晶硅本征i層。但是符合器件性能要求的納米晶硅生長速度非常慢(如9納米/分鐘)，均勻地大面積沉積也需要非常大的復雜生產(chǎn)設(shè)備，這種設(shè)備價格昂貴，操作復雜，維修頻繁，致使生產(chǎn)成本極大增加。減少納米晶硅i層薄膜的厚度或縮短其沉積時間使a-Si/nc-Si雙結(jié)光伏器件和其它設(shè)計相比沒有優(yōu)勢。

對于a-Si/a-SiGe/a-SiGe三結(jié)光伏器件來說，主要的問題是沉積均勻的a-SiGe膜層。含鍺的原料氣體通常是鍺烷GeH₄，它比硅烷更易分解。因此，在大尺寸的等離子體化學氣相沉積(PECVD)反應器中，含硅分子的反應活性成分與含鍺分子的活性成分在空間上的分布是不同的，這使得大面積沉積的非晶硅鍺薄膜中鍺原子密度(成分)不均勻，從而導致包含本征非晶硅鍺合金吸收層的大面積光伏器件光電轉(zhuǎn)化率很低。此外，隨著非晶硅鍺合金的生長速率的提高，成份的不均勻問題逐漸惡化。這一問題對于鍺含量在40-55％范圍內(nèi)的三結(jié)光伏器件中第三結(jié)電池的非晶硅鍺本征層非晶硅鍺合金尤其嚴重。

發(fā)明內(nèi)容