專(zhuān)利名稱(chēng)：用于形成雙面薄膜光伏電池的方法和薄膜太陽(yáng)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光伏裝置和制造方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供了一種用于雙面薄膜光伏電池的方法和裝置結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的實(shí)施方式包括一種用于形成雙面薄膜光伏裝置的方法，該方法利用費(fèi)米能級(jí)釘扎(Fermi level pinning)以及陽(yáng)極中的應(yīng)變場(chǎng)來(lái)改變內(nèi)電場(chǎng)以便提高電池效率。本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用是將應(yīng)變的AZO層用作PV吸收器與陽(yáng)極層之間的界面以用于增強(qiáng)空穴聚集。
背景技術(shù)：
人類(lèi)從最開(kāi)始就已嘗試尋找利用能量的方法。能量呈現(xiàn)的形式諸如石油化學(xué)、水力發(fā)電、核、風(fēng)、生物量(biomass，生物質(zhì))、太陽(yáng)能以及諸如木材和煤碳。在上世紀(jì)，現(xiàn)代文明已依靠石油化學(xué)能量作為重要能源。石油化學(xué)能量包括天然氣和石油。這包括通常用于為家庭供熱和用作用于烹飪的燃料的諸如丁烷和丙烷的較輕形式，也包括通常用于交通目的的汽油、柴油、和噴氣燃料。石油化學(xué)的較重形式還可以在一些地方用于對(duì)家庭供熱。不幸的是，石油化學(xué)燃料的供應(yīng)是有限的，并且基于地球上可獲得的量該供應(yīng)實(shí)質(zhì)上是固定·的。另外，隨著人們使用石油制品的量越來(lái)越多，所以其快速變?yōu)橄∪辟Y源。期望環(huán)境清潔的和可再生的能源。清潔能源的實(shí)例是水力發(fā)電的電力。水力發(fā)電電力源自于由水壩產(chǎn)生的水流驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。清潔的和可再生的能源還包括風(fēng)、波、生物量等。風(fēng)車(chē)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為更有用形式的能量，諸如電。清潔能源的其他形式包括太陽(yáng)能。太陽(yáng)能技術(shù)總體上將來(lái)自太陽(yáng)的電磁輻射轉(zhuǎn)換成其他有用形式的能量。這些其他形式的能量包括熱能和電力。對(duì)于電力應(yīng)用，經(jīng)常使用太陽(yáng)能電池。雖然太陽(yáng)能是環(huán)境清潔的，并且已在一程度上獲得成功，但在其在全世界廣泛應(yīng)用之前還留有許多需要解決的限制。作為實(shí)例，一種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池使用源自于半導(dǎo)體材料錠(ingot，棒)的晶體材料。這些晶體材料可以用于制造光伏裝置，該光伏裝置包括將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電力的光伏和光二極管裝置。但是，晶體材料通常較貴，并且難以大規(guī)模制造。其他類(lèi)型的太陽(yáng)能電池使用“薄膜”技術(shù)來(lái)形成光敏材料的薄膜以用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電力。對(duì)于在制造太陽(yáng)能電池過(guò)程中使用薄膜技術(shù)，存在有相似的限制。即，效率通常較低。另外，膜可靠性通常較低，并且在傳統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用中不能長(zhǎng)時(shí)間使用。通常，薄膜難以通過(guò)機(jī)械方式彼此整體形成。這些傳統(tǒng)技術(shù)的這些和其他限制能夠從整個(gè)說(shuō)明書(shū)中找到，并且將在下面更具體地描述。作為改進(jìn)薄膜太陽(yáng)能電池的效率的努力，用于在電池的異質(zhì)結(jié)處改進(jìn)相對(duì)能帶排列的過(guò)程在提高太陽(yáng)能電池的最終性能中起到重要的作用。在選擇用于形成具有適合的電場(chǎng)強(qiáng)度和方向的薄膜PV電池結(jié)(junction)界面的材料和結(jié)構(gòu)時(shí)存在多種制造難題。具體地說(shuō)，吸收器與陽(yáng)極之間或者窗層與陰極之間通過(guò)相應(yīng)界面的帶對(duì)直影響載流子的收集效率以及電池的內(nèi)置電壓。盡管在過(guò)去的傳統(tǒng)技術(shù)中已經(jīng)解決了這些問(wèn)題中的一些，但是在多種情形中傳統(tǒng)技術(shù)通常是不充分的。因此，期望具有改進(jìn)的方法和結(jié)構(gòu)以便設(shè)計(jì)用于薄膜光伏裝置的電池結(jié)界面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于形成雙面薄膜光伏電池的方法。該方法包括提供具有被中間層覆蓋的表面區(qū)域的玻璃基板、以及在表面區(qū)域上形成包膜光伏電池。薄膜光伏電池包括覆蓋所述中間層的陽(yáng)極、位于所述陽(yáng)極上方的吸收器。此外，電池包括位于所述吸收器上方窗層和陰極，窗層和陰極之間具有緩沖層。陽(yáng)極包括鋁摻雜的鋅氧化物(AZO)層，用于與中間層形成第一界面并且與吸收器形成第二界面。AZO構(gòu)造為引起第一界面處的費(fèi)米能級(jí)別釘扎和從第一界面到第二界面的應(yīng)變場(chǎng)。在本發(fā)明的可替換的實(shí)施方式中，提供了利用用于陽(yáng)極吸收器界面的應(yīng)變的AZO層的薄膜太陽(yáng)能裝置。該裝置包括光學(xué)透明的基板以及覆蓋透明基板的中間層。此外，該裝置包括陽(yáng)極層，陽(yáng)極層包括鋁摻雜的鋅氧化物(AZO)層以便與中間層形成第一界面。該裝置還包括吸收器，吸收器包括具有P-型摻雜劑的銅銦鎵聯(lián)硒化物以與AZO層形成第二界 面。此外，該裝置包括緩沖層，在緩沖層后跟隨有覆蓋吸收器的窗層。此外，該裝置包括覆蓋窗層的陰極。在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，該裝置所利用的AZO層引起陽(yáng)極層中的應(yīng)變場(chǎng)以及第一界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎以便改變第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)。本發(fā)明的一些實(shí)施方式提供了一種利用陽(yáng)極中的應(yīng)變和界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎的組合來(lái)改變陽(yáng)極-吸收器界面周?chē)膬?nèi)電場(chǎng)的方法，以減小電場(chǎng)強(qiáng)度或者甚至翻轉(zhuǎn)內(nèi)電場(chǎng)的方向。減小的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度使屏障下降以便更容易由載流子空穴從吸收器隧穿過(guò)到達(dá)陽(yáng)極。內(nèi)電場(chǎng)在吸收器與后電極之間的界面處的翻轉(zhuǎn)方向直接地幫助從P-型吸收器通過(guò)n+型陽(yáng)極的空穴聚集。中間層布置在AZO層與基板的表面區(qū)域之間。AZO層與中間層之間的晶格失配(lattice mismatch)使得陽(yáng)極中產(chǎn)生應(yīng)變,該應(yīng)變改變了陽(yáng)極與吸收器之間的界面處的電場(chǎng)。在AZO層與中間層之間或者AZO層與吸收器之間的界面處，電子帶通過(guò)表面狀態(tài)被改變并且橫跨界面經(jīng)由費(fèi)米能級(jí)釘扎而對(duì)準(zhǔn)。費(fèi)米能級(jí)釘扎和陽(yáng)極中的應(yīng)變均能在后電極處使得內(nèi)電場(chǎng)減小或者甚至翻轉(zhuǎn)方向，這幫助空穴在后接觸處的聚集并且由此提高了電池效率。


圖I是示出了在陽(yáng)極吸收器界面處利用鋁摻雜鋅氧化物層的薄膜光伏電池的圖；圖2是示出了橫跨吸收器及其典型雙面結(jié)構(gòu)的界面的內(nèi)電場(chǎng)的圖；圖3A是示出了雙面電池的異質(zhì)結(jié)能量帶結(jié)構(gòu)的圖；圖3B是在雙面電池的陽(yáng)極-吸收器界面處的能量帶結(jié)構(gòu)的更近的視圖；圖4是不出包括具有失配晶格間隔的兩種材料的界面的應(yīng)變I旲的圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式通過(guò)陽(yáng)極中的應(yīng)變和界面費(fèi)米能級(jí)釘扎的組合效應(yīng)在陽(yáng)極-吸收器界面處改變的內(nèi)電場(chǎng)的圖。圖6是示出具有圓柱形態(tài)的濺射AZO層的橫截面SEM的圖像；以及圖7是示出了具有纖維鋅礦結(jié)構(gòu)的濺射鋅氧化物層的X光衍射樣式的圖，其示出了處于自然狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的單元電池。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種用于雙面薄膜光伏電池的方法和裝置。本發(fā)明的實(shí)施方式包括用于在陽(yáng)極層中利用應(yīng)變場(chǎng)以及界面費(fèi)米能級(jí)釘扎形成雙面薄膜光伏裝置的方法，以改變?cè)陉?yáng)極吸收器界面處的內(nèi)電場(chǎng)從而提高電池效率。提供了一種將AZO層用作PV吸收器與陽(yáng)極層之間的界面的裝置，以便增強(qiáng)空穴聚集(hole collection)。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在陽(yáng)極吸收器界面處利用鋁摻雜鋅氧化物層的薄膜光伏電池的圖。如圖所示，薄膜光伏(PV)電池形成在基板101上。通常，對(duì)于雙面薄膜PV電池來(lái)說(shuō)，為基板選擇例如納鈣玻璃的透明材料。在實(shí)施方式中，中間層105形成為覆蓋基板101的表面區(qū)域。中間層105是用于后電極(典型地是陽(yáng)極)的基層。在一具體實(shí)施方式
中，中間層105可以用作屏障以防止鈉元素從納鈣玻璃擴(kuò)散到電極層中。在另一具體實(shí)施方式
中，中間層105對(duì)于太陽(yáng)光是光學(xué)透明的，以方便從電池的后側(cè)進(jìn)行吸收。中間層105優(yōu)選地是透明的氧化物層，該氧化物層從氟摻雜的錫氧化物 (TFO)、銦錫氧化物(ITO)、和二氧化硅或者氮化硅中選擇的材料制成。在另一具體實(shí)施方式
中，如果選擇可傳導(dǎo)材料，則中間層105能夠成為電池100的后電極的一部分，并且中間層構(gòu)造為形成用于電池陽(yáng)極的電接觸。例如，中間層105中可以包含透明傳導(dǎo)氧化物和/或金屬(諸如鑰)的薄膜。此外，中間層105可以用作結(jié)構(gòu)基層，以用于通過(guò)使界面的一側(cè)設(shè)有在預(yù)定范圍內(nèi)常數(shù)的晶格來(lái)控制覆蓋其自身生長(zhǎng)的層中的應(yīng)變場(chǎng)。形成在其頂部上的層可以基于晶格失配在應(yīng)變下以可控制的方式形成。如圖I所示，陽(yáng)極層110形成為覆蓋中間層105。在一具體實(shí)施方式
中，陽(yáng)極層110是鋁摻雜鋅氧化物(AZO)層，以便在AZO層110與中間層105之間至少形成第一界面107。鋁摻雜鋅氧化物的膜是透明的并且是導(dǎo)電的。AZO的光學(xué)特性的特征在于在可視區(qū)內(nèi)具有高透射率，并且對(duì) 12 y m長(zhǎng)的IR波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)具有有用的透射率。AZO層110可以通過(guò)從由結(jié)合在ZnO中的2-4%的Al金屬(或者以Al2O3的形式)組成的靶濺射而淀積。AZO層110可以通過(guò)RF或DC磁電管淀積，其中在約I-IOmtorr (毫托)的壓力范圍的真空室中靶能量密度為約3W/cm2或者更低，氧氣和氬氣混合氣在真空室中流動(dòng)?？商鎿Q地，AZO層可以通過(guò)使用MOCVD的方法形成。在中間層105上形成AZO層之后，用作n_型摻雜劑的鋁在n+陽(yáng)極中能夠具有從5X1019cm_3到lX1021cm_3變化的原子能級(jí)。的導(dǎo)電率(其作為體積電阻系數(shù)或作為片阻力測(cè)量)與沉積特性和層厚度相關(guān)。參照?qǐng)D1，吸收器115形成為覆蓋AZO層110，使得在陽(yáng)極110與吸收器115之間至少形成第二界面112。電池100的吸收器115是光伏材料的，典型地是P-型半導(dǎo)體膜。在一特定的實(shí)施方式中，通過(guò)在氣體環(huán)境中熱處理前體層而形成吸收器115。例如，包括銅元素、銦元素、和/或銦-鎵元素的前體層可以利用濺射形成在基板的表面上。在隨后的反應(yīng)熱處理過(guò)程中，前體層能在包含硒化物物質(zhì)(species)、硫物質(zhì)和氮物質(zhì)等的爐管內(nèi)在氣態(tài)環(huán)境中被反應(yīng)性地處理。當(dāng)爐管被加熱時(shí)，在前體層中氣態(tài)硒與銅-銦-鎵物質(zhì)相作用。由于反應(yīng)性熱處理，所以前體層轉(zhuǎn)化為包含銅銦(鎵)聯(lián)硒化物(CIS/CIGS)化合物的光伏膜疊層，該光伏膜疊層是P-型半導(dǎo)體并且用作用于形成光伏電池的吸收器層。關(guān)于用于形成薄膜太陽(yáng)能電池的CIGS光伏膜疊層的熱處理過(guò)程的更多詳細(xì)描述能夠在2009年5月14日由Robert Wieting提交的名稱(chēng)為“Method and System forSelenization in Fabricating CIGS/CIS Solar Cells(在制造CIGS/CIS太陽(yáng)能電池中用于硒化的方法和系統(tǒng))”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 61/178，459中找到，該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)被共同轉(zhuǎn)讓給圣何塞市的Stion Corporation,并且該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。在某些實(shí)施方式中，吸收器115可以由具有P-型摻雜劑的鎘碲化合物半導(dǎo)體制成。當(dāng)然，可以有其它變型、修改、和替換物。例如，此處吸收器示出為單個(gè)結(jié)的結(jié)構(gòu)，但是該吸收器可以可替換地形成在具有兩個(gè)或多個(gè)結(jié)的電池中或者在具有兩個(gè)或多個(gè)結(jié)的電池中可變地重復(fù)。在吸收器115上方，電池100包括窗層125。在一具體實(shí)施方式
中，窗層125與吸收器115之間可以插入有緩沖層120。緩沖層120的電特性是n-型的，而窗層125的電特性是n+型。在一實(shí)施方式中，緩沖層120可以使用化學(xué)浴沉積(CBD)方法由鎘硫化物化合物制成。在另一實(shí)施方式中，緩沖層可以使用MOCVD方法通過(guò)鋅氧化物制成。取代濺射方法，使用MOCVD方法來(lái)形成鋅氧化物緩沖層，從而可大大減小由濺射技術(shù)造成的對(duì)第二界面的可能的結(jié)構(gòu)性損壞。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，窗層125是具有比吸收器115更薄的厚度的AZO層。在某些實(shí)施方式中，窗層125可以被用于形成太陽(yáng)能電池的陰極接觸?？商鎿Q地，可以利用MOCVD方法增加由硼摻雜鋅氧化物制成的附加層，以形成具有n+電特性的前端電接觸。為了構(gòu)造薄膜太陽(yáng)能電池，已經(jīng)使用了雙面電池結(jié)構(gòu)，目的在于從吸收器的兩側(cè) 增強(qiáng)光子吸收。圖2是示出了橫跨吸收器及其典型雙面結(jié)構(gòu)的界面的的內(nèi)電場(chǎng)的簡(jiǎn)化圖。在該結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)極和陰極層均由具有n+電特性的AZO材料制成，并且P-型吸收器夾置在其間。因?yàn)樵谄胶鈼l件下的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和電特性，吸收器的兩個(gè)界面處的內(nèi)電場(chǎng)均可以具有從電接觸指向吸收器的方向。如圖2中所示，具體地說(shuō)，電場(chǎng)E3在后接觸點(diǎn)處指向P-型吸收器。這種構(gòu)造對(duì)于空穴的聚集是不傳導(dǎo)的。換句話(huà)說(shuō)，E3的信號(hào)是逆著空穴從吸收器到后接觸的傳輸?shù)?。在能量方面，?nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)度與堅(jiān)固的能障相關(guān)聯(lián)以便空穴穿隧通過(guò)。圖3A是示出了雙面電池的異質(zhì)結(jié)帶結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖。其示出了典型的雙面電池結(jié)構(gòu)的價(jià)帶EV和傳導(dǎo)帶Ec，其中n+透明氧化物作為后觸點(diǎn)，陽(yáng)極接觸在左側(cè)上并且陰極接觸在右側(cè)上。圖3B是在雙面電池的陽(yáng)極吸收器界面處的帶結(jié)構(gòu)的靠近的視圖。如圖所示，屏障存在于陽(yáng)極-吸收器界面處，使得電池必須依靠隧穿電流以便通過(guò)后觸點(diǎn)使載流子空穴聚集?？昭ㄍǔ２痪哂杏糜诎l(fā)射熱離子的足夠能量。此處內(nèi)電場(chǎng)通過(guò)指向吸收器而與空穴的隧穿相對(duì)。沒(méi)有有效的載流子空穴的聚集，太陽(yáng)能電池不能產(chǎn)生足夠高的PV電流作為用于具有高效率的太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。因此，需要使用機(jī)構(gòu)來(lái)通過(guò)改變陽(yáng)極中的內(nèi)電場(chǎng)來(lái)降低隧穿屏障或者甚至改變?cè)陉?yáng)極-吸收器界面處的內(nèi)電場(chǎng)的信號(hào)以幫助隧穿電流。本發(fā)明提供了一種利用后電極結(jié)構(gòu)改變內(nèi)電場(chǎng)的方法，后電極結(jié)構(gòu)包括AZO材料，該材料覆蓋被首先布置在(透明)基板的表面區(qū)域上的中間層。該方法包括利用晶格失配應(yīng)變來(lái)改變橫跨陽(yáng)極-吸收器界面的內(nèi)電場(chǎng)。圖4是示出包括具有失配晶格間隔的兩種材料的界面的應(yīng)變膜。如圖所示，當(dāng)處于各個(gè)自然狀態(tài)中的具有不同晶格間隔的兩種材料A和B被布置在一起時(shí)，諸如通過(guò)在A材料層上生長(zhǎng)B材料層來(lái)布置在一起，兩個(gè)層均符合以達(dá)到使A+B系統(tǒng)的自由能量減小的平衡熱力學(xué)狀態(tài)。材料B具有晶格常數(shù)Ci1，晶格常數(shù)a :大于材料A的晶格常數(shù)a(l。材料B將處于壓縮應(yīng)力下以適應(yīng)材料A的較小晶格，而后者同時(shí)將處于拉伸應(yīng)力下。在兩個(gè)層(其中一個(gè)處于壓縮并且一個(gè)處于拉伸)中的每一個(gè)的應(yīng)變可以直接地與U1-CiciVatl的值相關(guān)。處于應(yīng)力下的薄膜的特性相對(duì)于它們自然的不受力的狀態(tài)改變。例如，能量帶對(duì)準(zhǔn)、載流子遷移率、少數(shù)載流子的再結(jié)合速率、狀態(tài)密度、壓電場(chǎng)等由于膜內(nèi)的應(yīng)變而改變。通過(guò)適當(dāng)?shù)貥?gòu)造界面結(jié)構(gòu)，上述物理特性的交替可以根據(jù)界面結(jié)構(gòu)而被控制。這提供了用于構(gòu)建基于光伏結(jié)的多層薄膜的基礎(chǔ)，這滿(mǎn)足了期望的太陽(yáng)能裝置性能的要求。具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，基于薄膜的太陽(yáng)能電池的載流子聚集效率可以通過(guò)使用陽(yáng)極中的應(yīng)變而被提高，以減少用于從吸收器聚集空穴的隧穿屏障。如圖3中所示，由傳導(dǎo)帶偏移(帶階，band offset)確定的能障存在于陽(yáng)極與吸收器之間。期望的帶偏移可以在從0. IeV到0. 3eV的范圍內(nèi)。電池中的多種材料之間的相對(duì)帶對(duì)準(zhǔn)確定IV曲線(xiàn)的屬性以及進(jìn)而確定電池效率因素。帶的不連續(xù)性(特別是在傳導(dǎo)帶中的那些不連續(xù))導(dǎo)致電池IV曲線(xiàn)中的不規(guī)則或者“扭折”。在基于薄膜的太陽(yáng)能電池中在異質(zhì)結(jié)處的相對(duì)的帶對(duì)準(zhǔn)是在確定最終性能時(shí)的主要因素。在結(jié)處的場(chǎng)對(duì)于電子和空穴在空間電荷區(qū)域中的分離是合理的。在準(zhǔn)中性區(qū)域中產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散到空間電荷區(qū)域的邊緣，在該處載流子在內(nèi)電場(chǎng)的影響下漂移。當(dāng)陽(yáng)極層中的應(yīng)變被改變以及由此內(nèi)電場(chǎng)被改變時(shí)，在界面處的帶對(duì)準(zhǔn)可以被調(diào)整以有利于幫助載流子空穴的聚集。例如，可以減小內(nèi)電場(chǎng)，從而使得用于空穴隧穿的能障可被大大減小。或者，內(nèi)電場(chǎng)被朝向陽(yáng)極翻轉(zhuǎn)到相對(duì)的方向，直接地幫助載流子流。 影響陽(yáng)極-吸收器界面的材料和結(jié)構(gòu)的選擇的另一影響包括在界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎的現(xiàn)象。釘扎的表面可以使二極管(diode，整流子)降低并因而使電池的光伏響應(yīng)降低，以提改變電池的性能。大多數(shù)的半導(dǎo)體具有在化學(xué)活性的表面處具有斷裂的懸掛鍵。在晶體勢(shì)能中的非對(duì)稱(chēng)斷裂使得形成用作再結(jié)合中心的中間空隙缺陷狀的能量狀態(tài)。這些表面狀態(tài)可能是費(fèi)米能級(jí)(取代本征載流子級(jí))位置中的確定因素。費(fèi)米能級(jí)釘扎到達(dá)的范圍由所述表面狀態(tài)的密度、它們獲取的橫截面和它們?cè)谀芰繋е械奈恢脕?lái)確定。在膜疊層的順序形成過(guò)程中，由于上層覆蓋下層，因此表面狀態(tài)大致地保持在界面處。通過(guò)界面狀態(tài)的費(fèi)米能級(jí)的釘扎使得橫跨界面的空間電荷區(qū)域“冷凍”，即，它預(yù)先確定從吸收器到陽(yáng)極的帶對(duì)準(zhǔn)和彎曲，而不考慮橫跨界面任一層的摻雜級(jí)別。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在陽(yáng)極-吸收器界面處通過(guò)陽(yáng)極中的應(yīng)變以及界面費(fèi)米能級(jí)釘扎的結(jié)合作用的改變的內(nèi)電場(chǎng)的圖。如圖所示，在形成陽(yáng)極層110(及隨后形成吸收層115)之前將中間層105布置在基板101上。在某些實(shí)施方式中，中間層105通過(guò)改變其中的內(nèi)電場(chǎng)而對(duì)于改進(jìn)基于薄膜的雙面太陽(yáng)能電池起到至少兩個(gè)作用。中間層在n+半導(dǎo)體AZO層110與中間層105之間形成第一界面107。在第一界面處，兩個(gè)層中的任一層的斷裂的化學(xué)鍵以及界面原子再構(gòu)造使得形成界面狀態(tài)，這直接地導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。此外，第一界面107處的費(fèi)米能級(jí)釘扎108與第二界面112處(其位于AZO層110與之后形成的吸收器115之間)的費(fèi)米能級(jí)釘扎111耦接。由于在界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎108和111，用于空穴隧穿的能障可以被調(diào)整以有利于提高載流子聚集效率同時(shí)減小由光引起的電子-空穴的再結(jié)合。其次，形成在玻璃基板101上方的中間層105設(shè)定了用于形成AZO層110的基層，該基層可以被利用以便比將AZO層直接地布置在玻璃基板101上方更好地控制在隨后形成的AZO層110中的晶格失配應(yīng)變。在一實(shí)施方式中，中間層105的材料和厚度被用作工程參數(shù)，以便在AZO層110內(nèi)調(diào)整應(yīng)變場(chǎng)。例如，中間層可以包括具有一(平均)晶格常數(shù)(該晶格常數(shù)小于AZO層的晶格常數(shù))的材料，以使覆蓋AZO層被控制為處于壓縮狀態(tài)。中間層可以包括具有更大晶格常數(shù)的材料，以使覆蓋AZO層中的應(yīng)變場(chǎng)可以被轉(zhuǎn)換成拉伸特性。AZO層可以通過(guò)利用摻雜有鋁的鋅或鋅氧化物靶的濺射技術(shù)形成?？商鎿Q地，AZO層可以利用MOCVD方法形成。AZO層110可以包括從5xl019CnT3到IxIO21CnT3變化的重度摻雜Al物質(zhì)。圖6是具有定向的圓柱形態(tài)的濺射AZO層的橫截面SEM圖像，其示出了通過(guò)濺射形成的鋅氧化物膜的特征在于圓柱形態(tài)。圓柱結(jié)構(gòu)的定向大致地垂直于基板，貫穿約600nm的整個(gè)膜厚度。在原子結(jié)構(gòu)方面，鋅氧化物(ZnO)或者摻雜有鋁的鋅氧化物(ZnO:Al)是纖維鋅礦結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖7中的插圖)，其具有單元電池，該單元電池具有在(100)平面中垂直于鋅原子層和氧原子層的細(xì)長(zhǎng)C-軸線(xiàn)。圖7還示出了具有支配
頂點(diǎn)的X-光衍射圖，其清楚地指示圓柱形沿著C-軸線(xiàn)的定向。對(duì)于形成在中間層105上的ZnO或者AZO層110來(lái)說(shuō)，C-軸線(xiàn)垂直于第一界面107。定向的鋅氧化物薄膜顯示出最大的壓電效應(yīng)，這成為有利的特性，其能被用于控制膜中的內(nèi)電場(chǎng)的由應(yīng)變引起的改變。圖7的插圖還示出了處于壓力下的鋅氧化物的單元電池，一個(gè)處于壓縮狀態(tài)并且一個(gè)處于拉伸狀態(tài)。如圖所示，單元電池僅在(100)平面中收縮或者擴(kuò)張，并且由于C-軸線(xiàn)垂直于界面107而相應(yīng)地沿著C-軸線(xiàn)方向延伸或者收縮。因此在ZnO或者AZO層中的失配應(yīng)變?cè)趩卧姵刂兄苯拥卦賹?duì)準(zhǔn)其原子距離并且改變其本征壓電特性，隨后使得AZO層中的內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生交替并且通過(guò)第 二界面到達(dá)諸如覆蓋AZO層的吸收器層的上薄膜。參照?qǐng)D5，在特定的實(shí)施方式中，陽(yáng)極110中的應(yīng)變(其由陽(yáng)極層110與下方的中間層105之間的晶格失配引起)與陽(yáng)極層110和中間層105的第一界面107處的費(fèi)米能級(jí)釘扎的組合使得內(nèi)電場(chǎng)在陽(yáng)極110與吸收器115之間的第二界面112處減小。在一實(shí)施方式中，通過(guò)應(yīng)力和費(fèi)米能級(jí)釘扎的組合效應(yīng)，橫跨第二界面107的內(nèi)電場(chǎng)E3的強(qiáng)度減小。在另一實(shí)施方式中，橫跨第二界面107的內(nèi)電場(chǎng)E2被翻轉(zhuǎn)信號(hào)以朝向陽(yáng)極轉(zhuǎn)動(dòng)其方向，而不是指向吸收器。這些能夠大大改變隧穿屏障以便空穴從吸收器穿過(guò)到達(dá)AZO層和/或直接地幫助空穴流以通過(guò)后電極接觸提高空穴的聚集速率。作為組合效應(yīng)的結(jié)果，基于薄膜的光伏電池可以具有大大改進(jìn)的光子-電子轉(zhuǎn)換效率，該轉(zhuǎn)換提供了太陽(yáng)能模塊的效率。在可替換的實(shí)施方式中，陽(yáng)極層的內(nèi)電場(chǎng)可以通過(guò)改變AZO層內(nèi)的第二界面附近的相關(guān)Zn和氧組分而改變。例如，當(dāng)形成鋅氧化物或具體地說(shuō)形成AZO層時(shí)，可以減少或增加在濺射工作氣體中的氧氣含量，以使濺射形成的ZnO或者ZnO:Al可以是富鋅或者是富氧的。在原子能級(jí)中，Zn原子平面中的Zn原子可以被過(guò)多的氧或者其它方式所取代。這可以改變固有應(yīng)變、壓電特性、界面能量狀態(tài)和費(fèi)米能級(jí)釘扎、以及最后的內(nèi)電場(chǎng)。盡管使用特定的實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是，在不偏離限定在所附權(quán)利要求中的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明中使用的方法進(jìn)行多種改變、修改和變型。例如，將AZO層用于后電接觸層被作為例子示出。可使用其它透明傳導(dǎo)層來(lái)提高光伏轉(zhuǎn)換效率，所述其它透明傳導(dǎo)層可以以一種方式或者其它方式調(diào)整以改變陽(yáng)極-吸收器界面內(nèi)電場(chǎng)以及隨后改變?cè)诤箅娪|點(diǎn)處的載流子聚集。由于雙面光伏電池的本質(zhì)，重要的是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)材料或結(jié)構(gòu)參數(shù)控制界面內(nèi)電場(chǎng)，以提高電荷分離并且提高載流子在電池的前電極和后電極處的聚集效率。此外，盡管上述實(shí)施方式已經(jīng)應(yīng)用到由CdTe、或CIS和/或CIGS制成的且由AZO層覆蓋以用于膜疊層中的前和后電接觸的吸收器中，但是具有單個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)結(jié)的其它基于薄膜的雙面太陽(yáng)能電池也肯定能從該實(shí)施方式中受益，而不偏離本文權(quán)利要求所描述的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于形成雙面薄膜光伏電池的方法，所述方法包括 提供具有被中間層覆蓋的表面區(qū)域的玻璃基板； 在所述表面區(qū)域上形成薄膜光伏電池，所述薄膜光伏電池包括覆蓋所述中間層的陽(yáng)極、位于所述陽(yáng)極上方的吸收器、以及位于所述吸收器上方的窗層和陰極，所述窗層和陰極與所述吸收器之間具有緩沖層； 其中，所述陽(yáng)極包括鋁摻雜的鋅氧化物(AZO)層以與所述中間層形成第一界面并與所述吸收器形成第二界面，所述AZO層構(gòu)造為引起所述第一界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎以及從所述第一界面到所述第二界面的應(yīng)變場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述中間層包括膜，所述膜由從氟摻雜的錫氧化物(TFO)、銦錫氧化物(ITO)、Si3N4, SiO2、鑰、及它們的組合中選擇的材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述吸收器包括由CdTe材料或銅銦鎵聯(lián)硒化物CIGS材料制成的p_型半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述AZO層包括從5X1019cm_3到lX1021cm_3變化的重度摻雜的Al物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述第一界面處的所述費(fèi)米能級(jí)釘扎和從所述第一界面到所述第二界面的所述應(yīng)變場(chǎng)使得所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度減小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的減小減小了用于橫跨所述第二界面從所述吸收器到所述陽(yáng)極的空穴隧穿的屏障。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述第一界面處的所述費(fèi)米能級(jí)釘扎和從所述第一界面到所述第二界面的所述應(yīng)變場(chǎng)使得所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)方向翻轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)方向的翻轉(zhuǎn)直接有助于在所述第二界面處從所述吸收器到所述陽(yáng)極的空穴的聚集。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述基板包括納鈣玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述基板包括可選的透明材料。
11.一種利用用于陽(yáng)極-吸收器界面的應(yīng)變AZO層的薄膜太陽(yáng)能裝置，所述裝置包括 可選的透明基板； 覆蓋所述透明基板的中間層； 陽(yáng)極層，包括與所述中間層形成第一界面的鋁摻雜的鋅氧化物(AZO)層； 吸收器，包括與所述AZO層形成第二界面的具有P-型摻雜劑的銅銦鎵聯(lián)硒化物； 緩沖層，跟隨在所述緩沖層之后的是覆蓋所述吸收器的窗層；以及 陰極層，覆蓋所述窗層； 其中，所述AZO層引起所述陽(yáng)極層中的應(yīng)變場(chǎng)以及所述第一界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎，用于改變所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述可選的透明基板包括納鈣玻璃。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述中間層包括膜，所述膜由從氟摻雜的錫氧化物(TFO)、銦錫氧化物(ITO)、Si3N4, SiO2、鑰、及它們的組合中選擇的材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述AZO層包括從5X1019cm_3到lX1021cm_3變化的重度摻雜的Al物質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述陽(yáng)極層中的所述應(yīng)變場(chǎng)和所述第一界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎使得所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度減小，以用于促進(jìn)從所述吸收器通過(guò)所述陽(yáng)極層的空穴聚集。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述陽(yáng)極層中的所述應(yīng)變場(chǎng)和所述第一界面處的費(fèi)米能級(jí)釘扎使得所述第二界面處的內(nèi)電場(chǎng)方向翻轉(zhuǎn)，以用于促進(jìn)從所述吸收器通過(guò)所述陽(yáng)極層的空穴聚集。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述緩沖層包括具有n-型摻雜劑的鎘硫化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述窗層包括透明的傳導(dǎo)性氧化物，所述透明的傳導(dǎo)性氧化物包括鋁摻雜的鋅氧化物。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述陰極層包括重度鋁摻雜的鋅氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述吸收器包括具有P-型摻雜劑的鎘碲化物。
全文摘要
一種用于形成雙面薄膜光伏電池的方法和薄膜太陽(yáng)能裝置。用于形成雙面薄膜光伏電池的方法包括提供具有被中間層覆蓋的表面區(qū)域的玻璃基板，以及在表面區(qū)域上形成包膜光伏電池。此外，薄膜光伏電池包括覆蓋所述中間層的陽(yáng)極、位于所述陽(yáng)極上方的吸收器、以及位于所述吸收器上方窗層和陰極，窗層和陰極之間具有緩沖層。陽(yáng)極包括鋁摻雜鋅氧化物(AZO)層，用于與中間層形成第一界面并且與吸收器形成第二界面。AZO構(gòu)造為引起第一界面處的費(fèi)米能級(jí)別釘扎和從第一界面到第二界面的應(yīng)變場(chǎng)。
文檔編號(hào)H01L31/032GK102683482SQ20121007221
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者弗雷德·米庫(kù)勒克, 阿希什·坦登 申請(qǐng)人:思陽(yáng)公司