專利名稱：光伏裝置及制造方法
光伏裝置及制造方法
背景技術：
本發(fā)明通常涉及光伏裝置。更具體地，本發(fā)明涉及包含吸收器層的光伏裝置。薄膜太陽能電池或者光伏裝置典型地包含設置在透明襯底上的多個半導體層，其中一層用作窗口層，第二層用作吸收器層。窗口層允許太陽輻射穿透到吸收器層，在那里光能轉(zhuǎn)化為可用的電能?；陧诨k/硫化鎘(CdTe/CdS)異質(zhì)結的光伏池是一個這樣的薄膜太陽能電池的示例?；陧诨k(CdTe)的光伏裝置通常展示了相對低的能量轉(zhuǎn)換效率，這可能歸因于與材料的帶隙有關的相對低的開路電壓(VtJ，這部分由于CdTe中低的有效載流子濃度和短的少數(shù)載流子壽命?？梢酝ㄟ^摻雜P型摻雜劑改善CdTe的有效載流子濃度。然而，在光伏裝置中載流子壽命與載流子濃度典型地是耦合的，這意思是載流子密度的增加可導致載流子壽命的減小，尤其是在CdS與CdTe之間的前界面(front interface)處。可期望去 耦這種相互作用。因此，可期望改善CdS和CdTe之間的界面以在前緣界面處產(chǎn)生高的少數(shù)載流子壽命。進一步，需要提供改善的具有經(jīng)摻雜CdTe層的光伏裝置以及在背界面(backinterface)處更高的載流子密度結構以產(chǎn)生更高的效率。

發(fā)明內(nèi)容
提供本發(fā)明的實施例以滿足這些及其它需要。一個實施例是一種光伏裝置。該光伏裝置包括窗口層和設置在窗口層上的吸收器層，其中吸收器層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，該第一區(qū)域鄰近該窗口層設置。該吸收器層進一步包括第一添加劑和第二添加劑，其中第一區(qū)域中的第一添加劑的濃度高于第二區(qū)域中第一添加劑的濃度，以及其中第二區(qū)域中第二添加劑的濃度高于第一區(qū)域中第二添加劑的濃度。一個實施例是一種光伏裝置。該光伏裝置包括窗口層和設置在窗口層上的吸收器層，其中吸收器層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，該第一區(qū)域鄰近該窗口層設置。該吸收器層進一步包括第一添加劑和第二添加劑，第一添加劑包括氧并且第二添加劑包括氮、砷、磷、銻、鋅，或其組合。第一添加劑的濃度從第一區(qū)域向第二區(qū)域連續(xù)減小，以及第二添加劑的濃度從第一區(qū)域向第二區(qū)域連續(xù)增加。—個實施例是一種光伏裝置。該光伏裝置包括窗口層和設置在窗口層上的吸收器層，其中吸收器層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，該第一區(qū)域鄰近該窗口層設置。該吸收器層進一步包括第一添加劑和第二添加劑，第一添加劑包括氧并且第二添加劑包括氮、砷、磷、銻、鋅，或其組合。進一步，第一區(qū)域包括第一添加劑并且是基本上沒有第二添加劑，以及第二區(qū)域包括第二添加劑并且是基本上沒有第一添加劑。一個實施例是一種方法。該方法包括在窗口層上設置吸收器層，其中該吸收器層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域。設置該吸收器層包括在第一環(huán)境中在該窗口層上設置第一區(qū)域，該第一環(huán)境包括第一添加劑的前體(precursor);以及在第二環(huán)境中在第一區(qū)域上設置第二區(qū)域，該第二環(huán)境包括第二添加劑的前體。


當參考附圖閱讀下面詳細的描述時，本發(fā)明的這些以及其它的特征、方面、及優(yōu)點將變得更好理解，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏裝置的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏裝置的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏裝置的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏裝置的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一示例性實施例的吸收器層中第一添加劑的濃度分布曲線的例圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的一示例性實施例的吸收器層中第二添加劑的濃度分布曲線的例圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的一示例性實施例的吸收器層中第一添加劑的濃度分布曲線的例圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的一示例性實施例的吸收器層中第二添加劑的濃度分布曲線的例圖。附圖標記說明10太陽輻射；100光伏裝置；110支撐件；120透明層；122導電層；124緩沖層；130窗口層；140第一區(qū)域；141第一區(qū)域的第一表面；143第一區(qū)域的第二表面；150第二區(qū)域；151第二區(qū)域的第一表面；153第二區(qū)域的第二表面；160吸收器層；161吸收器層的第一表面；162吸收器層的第二表面；170p+型半導體層；180金屬層。
具體實施例方式如以下的詳細討論，本發(fā)明的一些實施例包括光伏裝置，該光伏裝置包括吸收器層。進一步地，本發(fā)明的一些實施例包括光伏裝置，該光伏裝置包括吸收器層，該吸收器層具有包括第一添加劑(例如，氧)的第一區(qū)域以及包括第二添加劑(例如，氮或鋅)的第二區(qū)域。進一步地，在本發(fā)明的某些實施例中，第二添加劑在第二區(qū)域上在成分上梯度變化。在第二區(qū)域中的第二添加劑的濃度方面的梯度在吸收器層(例如，CdTe)內(nèi)產(chǎn)生場，這可有助于電荷載流子的收集。進一步地，在窗口和吸收器層(例如，CdS/CdTe)之間界面處的氧提供了改善的界面特性，允許在與窗口層接觸的界面處高的少數(shù)載流子壽命。在一個實施例中，提供一種光伏裝置，包括具有兩種添加劑的梯度變化成分分布的吸收器層。在一備選的實施例中，提供一種光伏裝置，包括具有兩個明顯的成分體系(regime)的吸收器層。如整篇說明書和權利要求書中本文使用的近似語言可應用于修飾任何數(shù)量的表示，在不產(chǎn)生與其有關的基本功能方面改變的情況下，該任何數(shù)量的表示可以允許變化。因此，通過諸如“大約”的術語修飾的值不限于規(guī)定的精確值。在一些情況下，近似語言可與用于測量值的工具的精度對應。在以下說明書和權利要求書中，單數(shù)形式“一 (a/an) ”和“該”包括多個對象，除非上下文另外清楚地指示。
如本文使用的術語“透明區(qū)域”和“透明層”指允許具有從大約300mn到大約850nm范圍內(nèi)的波長的入射電磁輻射的至少80%的平均透射的區(qū)域或者層。如本文使用的，術語
“在......上設置”指彼此接觸直接設置或者通過在其間具有插入層而間接設置的層，除非
另外明確指不。如下面詳細討論，本發(fā)明的一些實施例針對包括吸收器層的光伏裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖1-3中示出光伏裝置100。如圖1-3中所示，光伏裝置100包括窗口層130和設置在窗口層130上的吸收器層160。在一個實施例中，吸收器層160包括第一區(qū)域140和第二區(qū)域150，其中第一區(qū)域140鄰近窗口層130來設置，如圖1_3中所示。如本文使用的術語“鄰近”意思是第一區(qū)域140與窗口層130直接接觸。在一個實施例中，吸收器層160包括第一添加劑和第二添加劑。在某些實施例中，第一區(qū)域140中第一添加劑的濃度高于第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度。進一步地，在某些實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度高于第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度。 在一些實施例中，吸收器層160中的第一區(qū)域140為了載流子壽命而最優(yōu)化并且吸收器層160中第二區(qū)域150為了載流子密度而最優(yōu)化。如本文使用的術語“窗口層”指基本上透明并且與吸收器層形成異質(zhì)結的半導體層。在一些實施例中，窗口層130包含η型半導體材料。在這樣的實施例中，吸收器層160可以被摻雜為P型并且窗口層130和吸收器層160可以形成“η-ρ”異質(zhì)結。用于窗口層130的非限制示例性材料包括硫化鎘(CdS)、硫化銦III (In2S3)、硫化鋅(ZnS)、碲化鋅(ZnTe)、硒化鋅(ZnSe)、硒化鎘(CdSe)、氧化硫化鎘(CdS 0)、氧化銅(Cu2O)、氫氧化鋅(ΖηΟ，H)，或其組合。在一特定的實施例中，窗口層130包括CdS。如本文使用的術語“吸收器層”指在其中吸收太陽輻射的半導體層。典型地，當太陽輻射10入射在光伏裝置100上時，吸收器層160中的電子從低能量“基態(tài)”(在其中它們被束縛在固體中的特定原子)被激發(fā)至更高的“激發(fā)態(tài)”，在其中它們能穿過該固體。在一個實施例中，吸收器層160包括P型半導體材料。在一個實施例中，吸收器層160具有范圍從大約I X IO13每立方厘米至大約I X IO16每立方厘米的有效載流子密度。如本文使用的，術語“有效載流子密度”指材料中空穴和電子的平均濃度。在這樣的情況下，窗口層130可以摻雜為η型，并且吸收器層160和窗口層130可以形成“ρ-η”或“η-ρ”結，如上所述。在一個實施例中，感光材料用于形成吸收器層160。合適的感光材料包括締化鎘(CdTe)、碲化鎘鋅(CdZnTe)、碲化鎘鎂(CdMgTe)、碲化鎘錳(CdMnTe)、碲化鎘硫(CdSTe)、碲化鋅(ZnTe)、硫化銅銦(CIS)、硒化銅銦鎵(CIGS)、硫化銅鋅錫(CZTS)，或其組合。上述感光半導體材料可以單獨或組合使用。進一步地，這些材料可以在多于一層中出現(xiàn)，每層具有不同類型的感光材料或者在不同的層中具有這些材料的組合。在一個特定的實施例中，吸收器層160包含碲化鎘(CdTe)。在一個特定的實施例中，吸收器層160包含p型碲化鎘(CdTe)。在一些實施例中，窗口層130和吸收器層160可以用P型摻雜劑或η型摻雜劑來摻雜以形成異質(zhì)結。如該上下文中使用的，異質(zhì)結是由相異的半導體材料層組成的半導體結。這些材料通常具有不相等的帶隙。作為一示例，異質(zhì)結能通過一種導電型的層或者區(qū)域與相反導電的層或者區(qū)域之間的接觸來形成，例如，“Ρ-η”結。
如較早指出的，吸收器層160包括第一區(qū)域140和第二區(qū)域150。在一些實施例中，第一區(qū)域140可以起窗口層130與第二區(qū)域150之間的界面區(qū)域的作用。第一區(qū)域140的成分可以在窗口層130和吸收器層160之間提供理想的界面特性。進一步地，在一些實施例中，吸收器層160的第二區(qū)域150可以起吸收器層160的體區(qū)域(bulk region)的作用。如本文描述的，術語“第一區(qū)域”和“界面區(qū)域”可以相互交換使用。進一步地，本文使用的術語“體區(qū)域”和“第二區(qū)域”可以相互交換。因此，在一些實施例中，第一 區(qū)域140具有的厚度小于第二區(qū)域150的厚度。在一些實施例中，第一區(qū)域140具有范圍從大約10納米到大約500納米的厚度。在一些實施例中，第一區(qū)域140具有范圍從大約20納米到大約200納米的厚度。在特定的實施例中，第一區(qū)域140具有范圍從大約50納米到大約100納米的厚度。在一些實施例中，第二區(qū)域150具有范圍從大約500納米到大約5000納米的厚度。在一些實施例中，第二區(qū)域150具有范圍從大約750納米到大約4000納米的厚度。在特定的實施例中，第二區(qū)域150具有范圍從大約1000納米到大約3000納米的厚度。如較早指出的，窗口和吸收器層之間改善的界面，例如，CdS/CdTe層之間的界面，可以是理想的。進一步地，P型摻雜劑與吸收器層的摻雜可以是理想的，其不會不利地影響窗口層和吸收器層之間的界面。因此，在一些實施例中，提供具有兩種添加劑(也就是，第一添加劑和第二添加劑)的吸收器層160。在一個實施例，第一添加劑包括在窗口層130和吸收器層160之間提供改善的界面的材料。在一個實施例中，第一添加劑包括在CdS和CdTe之間提供改善的界面的材料。在一特定的實施例中，第一添加劑包括氧。在一特定的實施例中，第一添加劑只是氧(除附帶的雜質(zhì)以外)。在一個實施例中，第二添加劑包括用于吸收器層160的P型摻雜劑。在一個實施例中，第二添加劑包括用于CdTe中的P型摻雜劑。在一個實施例中，第二添加劑包括氮、砷、磷、鋅、銻，或其組合。在一個實施例中，第二添加劑包括氮。在一特定的實施例中，第二添加劑只是氮(除附帶的雜質(zhì)以外)。在一個實施例中，第二添加劑包括鋅。在一個實施例中，第二添加劑只是鋅(除附帶的雜質(zhì)以外)。不受任何理論約束，相信的是，鋅可以減小吸收器層160中的深缺陷狀態(tài)(deep defect state)。進一步地,在一些實施例中，鋅可以增加吸收器層材料中的載流子密度，并且提供帶隙的增加，產(chǎn)生梯度變化的帶隙吸收器材料。在一些實施例中，第二添加劑包括添加劑材料的組合。在一些實施例中，第二添加劑包括P型摻雜劑和鋅的組合。在特定的實施例中，第二添加劑包括氮和鋅的組合。進一步地，在一個實施例中，提供一種具有兩種添加劑的兩個不同的濃度分布曲線的吸收器層160。參考圖1-4，在某些實施例中，第一區(qū)域140中的第一添加劑的濃度高于第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度。進一步地，在某些實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度高于第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度。如本文使用的術語“濃度”指出現(xiàn)在吸收器層中的第一添加劑或第二添加劑的每單位體積的原子數(shù)量或者原子濃度。進一步地，應注意的是，術語“濃度”指第一區(qū)域和第二區(qū)域中每單位體積原子的平均數(shù)量。如較早指出的，在一些實施例中，第二添加劑包括添加劑材料的組合。在這樣的實施例中，術語“第二添加劑的濃度”指添加劑材料的組合的平均濃度，例如，氮和鋅的平均濃度。
在一些實施例中，鄰近窗口層130設置的第一區(qū)域140包括第一添加劑，其中第一區(qū)域140基本上沒有第二添加劑。如本文使用的術語“基本上沒有第二添加劑”意思是第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度低于大約1017cm_3。在一個實施例中，第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度低于大約1016cnT3。在一個實施例中，第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度低于大約1015cm_3。在某些實施例中，鄰近窗口層130設置的第一區(qū)域140包括作為第一添加劑的氧并且基本上沒有第二添加劑，例如，氮。類似的，在一些其它的實施例中，第二區(qū)域150包括第二添加劑，其中第二區(qū)域150基本上沒有第一添加劑。如本文使用的術語“基本上沒有第一添加劑”意思是第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度低于大約1017cm_3。在一個實施例中，第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度低于大約1016cnT3。在一個實施例中，第二區(qū)域中第一添加劑的濃度低于大約1015cnT3。在某些實施例中，第二區(qū)域150基本上沒有氧。在某些實施例中，第二區(qū)域150包括作為第二添加劑的氮并且基本上沒有氧。在某些實施例中，第二區(qū)域150包括作為第二添加劑的鋅并且基本上沒有氧。在某些實施例中，第二區(qū)域150包括作為第二添加劑的氮和鋅的組合并且基本上沒有氧。
在一些實施例中，第一區(qū)域140包括第一添加劑并且基本上沒有第二添加劑。進一步地，第二區(qū)域150包括第二添加劑并且基本上沒有第一添加劑。在這樣的實施例中，在第一區(qū)域140和第二區(qū)域150之間的過渡處可能存在第一添加劑和第二添加劑的濃度分布曲線的階躍變化，如圖5和6中所示。在這樣的實施例中，吸收器層160可以包括兩個明顯的成分體系并且可以配置為雙層。參考圖4和5，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出吸收器層160中第一添加劑的濃度分布曲線200。如圖5中所示，第一添加劑的濃度在第一區(qū)域140中具有值201，其在第二區(qū)域150中下降為值202。在一個實施例中，從201至202的階躍變化發(fā)生在第一區(qū)域140和第二區(qū)域150之間的界面151/143處。如較早指出的，在某些實施例中，第二區(qū)域150基本上沒有第一添加劑。類似的，參考圖4和6，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出吸收器層160中第二添加劑的濃度分布曲線300。如圖6中所示，第二添加劑的濃度在第一區(qū)域140中具有值301，其在第二區(qū)域150中增加到值302。在一個實施例中，從301至302的階躍變化發(fā)生在第一區(qū)域140和第二區(qū)域150之間的界面151/143處。如較早指出的，在某些實施例中，第一區(qū)域140基本上沒有第二添加劑。進一步應該注意的是，在圖5和6中，第一添加劑和第二添加劑的濃度分布曲線已示出為在第一區(qū)域140和第二區(qū)域150中具有常數(shù)值，僅為一示例性實施例。在一些實施例中，第一區(qū)域140中的第一添加劑的濃度分布曲線可在第一區(qū)域140的厚度上變化。例如，在一個實施例中，第一添加劑的濃度從與窗口層130接觸的界面141向與第二區(qū)域150接觸的界面143而減小。在這樣的實施例中，值201可表示第一添加劑的平均濃度。在一備選的實施例中，第一區(qū)域中第一添加劑的濃度可在第一區(qū)域140的厚度上基本為常數(shù)，如圖5中所示。類似的，在一個實施例中，第二區(qū)域150中的第二添加劑的濃度分布曲線可在第二區(qū)域150的厚度上變化。例如，在一個實施例中，第二添加劑的濃度可從與第一區(qū)域140接觸的界面151向與背接觸層180或p+型半導體層170接觸的界面153而增加。在這樣的實施例中，值302可表示第二添加劑的平均濃度。在一備選的實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度可在第二區(qū)域150的厚度上基本為常數(shù)，如圖6中所示。在特定的實施例中，例如氧的第一添加劑的濃度在第一區(qū)域140的厚度上基本為常數(shù)并且進一步例如氮的第二添加劑的濃度在第二區(qū)域150的厚度上梯度變化。在一個實施例中，例如氮的第二添加劑的濃度從與第一區(qū)域140接觸的界面151向與背接觸層180或P+型半導體層170接觸的界面153而增加。如本文使用的術語“基本上為常數(shù)”意思是濃度的變化在第一區(qū)域或第二區(qū)域的厚度上小于百分之5。不受任何理論約束，相信的是，第 二區(qū)域150中的第二添加劑的濃度方面的梯度可以在吸收器層(例如，CdTe)中產(chǎn)生場，這可有助于電荷載流子的收集。進一步地，在窗口和吸收器層(例如，CdS/CdTe)之間界面處的氧可以改善界面特性，允許在吸收器層的前緣界面或者與窗口層接觸的界面處高的少數(shù)載流子壽命。在一備選的實施例中，提供一種具有兩種添加劑的梯度變化成分分布的吸收器層160。參考圖7，在一個實施例中，第一添加劑在吸收器層160的厚度上在成分上梯度變化。進一步地，參考圖8，在一個實施例中，第二添加劑在吸收器層160的厚度上在成分上梯度變化。如本文使用的術語“在成分上梯度變化”意思是第一添加劑或第二添加劑的濃度在吸收器層160的厚度上連續(xù)地改變。在一個實施例中，第一添加劑的濃度從與窗口層150接觸的表面141/161向與金屬層190或p+型半導體層170接觸的表面153/163連續(xù)減小，如圖4和7中所示。在一個實施例中，第二添加劑的濃度從與窗口層150接觸的表面141/161向與背接觸層180或p+型半導體層170接觸的表面153/163連續(xù)增加，如圖4和8所示。應該注意的是，第一和第二添加劑的濃度分布曲線200和300是示例性分布曲線并且濃度分布曲線可以變化。在特定的實施例中，例如氧的第一添加劑的濃度從與窗口層150接觸的表面141/161向與背接觸層180或p+型半導體層170接觸的表面153/163連續(xù)減小，如圖7中所示。進一步地，在一個特定的實施例中，例如氮的第二添加劑的濃度從與窗口層150接觸的表面141/161向與背接觸層180或p+型半導體層170接觸的表面153/163連續(xù)增加，如圖8中所示。在一些實施例中，例如氧的第一添加劑的濃度在第一區(qū)域140的厚度上基本為常數(shù)并且進一步第一添加劑的濃度在第二區(qū)域150的厚度上梯度變化。在一些實施例中，第一添加劑的濃度從與第一區(qū)域140接觸的界面151向與背接觸層180或p+型半導體層170接觸的界面153減小。在一些實施例中，例如氮的第二添加劑的濃度在第二區(qū)域150的厚度上基本為常數(shù)并且進一步第二添加劑的濃度在第一區(qū)域140的厚度上梯度變化。在一個實施例中，第二添加劑的濃度從與第一區(qū)域140接觸的界面151向與窗口層130接觸的界面141減小。在一些實施例中，第一區(qū)域140中第一添加劑的濃度范圍從大約IO16CnT3到大約102°cm_3。在一些實施例中，第一區(qū)域140中第一添加劑的濃度范圍從大約IO17CnT3到大約1019cm_3。在特定的實施例中，第一區(qū)域140中第一添加劑的濃度范圍從大約IO18CnT3到大約 IO20Cm'在一些實施例中，第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約1019cm_3。在一些實施例中，第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約1018cm_3。在特定的實施例中，第二區(qū)域150中第一添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約 IO1W30在一些實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度范圍從大約IO16CnT3到大約102°cm_3。在一些實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度范圍從大約IO17CnT3到大約1019cm_3。在一些實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度范圍從大約IO18CnT3到大約1022cm_3。在特定的實施例中，第二區(qū)域150中第二添加劑的濃度范圍從大約IO18CnT3到大約 IO20Cm'在一些實施例中，第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約1019cm_3。在一些實施例中，第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約1018cm_3。在特定的實施例中，第一區(qū)域140中第二添加劑的濃度范圍從大約IO14CnT3到大約 IO1W30在一些實施例中，如較早指出的，吸收器層包括具有不同有效載流子密度值的兩 個區(qū)域。在一些實施例中，第一區(qū)域140具有范圍低于大約I X IO14CnT3的有效載流子密度。在一些實施例中，第一區(qū)域140具有范圍低于大約5X IO13CnT3的有效載流子密度。在一些實施例中，第二區(qū)域150具有范圍大于大約IXlO14cnT3的有效載流子密度。在一些實施例中，第二區(qū)域150具有范圍大于大約3X IO14CnT3的有效載流子密度。不受任何理論約束，相信的是，和第一區(qū)域140對比第二區(qū)域150中第二添加劑的更高的濃度在第二區(qū)域150中產(chǎn)生更高的有效載流子密度。在一些實施例中，如圖1-3中所示，窗口層進一步設置在透明層120上并且該透明層120設置在支撐件110上。在一個實施例中，透明層120包括沒置在支撐件110上的導電層(在本領域中有時指前接觸層)122，如圖2中所示。在一些實施例中，窗口層130直接設置在導電層122上。在一備選的實施例中，透明層120包括設置在支撐件110上的導電層122并且另外的緩沖層124插入在導電層122和窗口層130之間，如圖2中所示。在一個實施例中，透明層120具有范圍從大約100納米至大約600納米的厚度。在一個實施例中，導電層122包括透明導電氧化物(TCO)。透明導電氧化物的非限制性示例包括氧化鎘錫(CTO)、氧化銦錫(ITO)、氟摻雜的氧化錫(SnO :F或FT0)、銦摻雜的氧化鎘、錫酸鎘(Cd2SnO4或CT0)、摻雜的氧化鋅(ZnO)(諸如鋁摻雜的氧化鋅(ZnO A1或ΑΖ0)、氧化銦-鋅(IZO)和氧化鋅錫(ZnSnOx)),或其組合。在一個實施例中，依賴所采用的特定的TCO和其表面電阻，導電層122的厚度范圍可以從大約50納米至大約600納米。在一些實施例中，光伏裝置100進一步包括緩沖層(可選的)，也稱為更高電阻透明(HRT)層124，插入在窗口層130和導電層122之間，如圖2中所示。在一個實施例中，緩沖層124的厚度范圍從大約50納米至大約200納米。用于緩沖層124的合適的材料的非限制性示例包括二氧化錫(SnO2)、氧化鋅錫(ZTO)、鋅摻雜的氧化錫(SnO2: :Zn)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In2O3),或其組合。如圖1-3中所示，透明層120進一步設置在支撐件110上。如圖3中所示，在這樣的實施例中，太陽輻射10從支撐件110進入，并且在經(jīng)過透明層120和窗口層130后，進入吸收器層160，在那里發(fā)生入射光(例如太陽光)的電磁能向電子-空穴對(即向自由電荷)的轉(zhuǎn)換。在一個實施例中，支撐件110在對于期望透射穿過支撐件110的波長范圍上是透明的。在一個實施例中，支撐件Iio對于具有范圍從大約400nm至大約IOOOnm的波長的可見光是透明的。在一些實施例中，支撐件110包括能夠經(jīng)受住高于大約600°C的熱處理溫度的材料，諸如，例如，娃或硼娃玻璃。在一些其它的實施例中，支撐件110包括具有低于6000C的軟化溫度的材料，諸如，例如，鈉鈣玻璃或者聚酰亞胺。在一些實施例中可以在透明層120和支撐件110之間設置某些其它層，諸如，例如，抗反射層或者阻擋層(未示出)。在一個實施例中，光伏裝置100進一步包括設置在吸收器層160上的p+型半導體層170，如圖3中所示。如本文使用的術語“p+型半導體層”指和吸收器層160中的P型電荷載流子或空穴密度對比具有過量的移動P型載流子或空穴密度的半導體層。在一些實施例中，P+型半導體層具有范圍大于大約IX IO16每立方厘米的P型載流子密度。在一些實施例中，P+型半導體層具有范圍大于大約5X IO17每立方厘米的P型載流子密度。在一些實施例中，P+型半導體層具有范圍大于大約IX IO18每立方厘米的P型載流子密度。在特定的實施例中，P+型半導體層具有范圍從大約IX IO17每立方厘米至大約IX IO20每立方厘米的P型載流子密度。
在一些實施例中，p+型半導體層170可以用作吸收器層160和背接觸層180之間的界面。與裝置內(nèi)的其它電阻比較起來，P+型半導體層170的更高的載流子密度可以最小化背接觸層的串聯(lián)電阻。在一個實施例中，P+型半導體層170具有范圍從大約50nm至大約200nm的厚度。在一個實施例中，p+型半導體層170包括選自由非晶體的Si :H、非晶體的SiC :H、結晶的Si、微晶的Si :H、微晶的SiGe :H、非晶體的SiGe :H、非晶體的Ge、微晶的Ge、GaAs,BaCuSFλ BaCuSeFΛ BaCuTeFΛ LaCuOSΛ LaCuOSeΛ LaCuOTeΛ LaSrCuOSΛ LaCuOSe0 6Te。4、BiCuOSe、BiCaCuOSe, PrCuOSe, NdCuOS, Sr2Cu2ZnO2S2, Sr2CuGaO3S, (Zn, Co, Ni) Ox，及其組合構成的組中的大量摻雜的P型材料。在另一實施例中，ρ+型半導體層170包括選自由碲化鋅、碲化鎂、碲化錳、碲化鈹、碲化汞、碲化砷、碲化銻、碲化銅，及其組合構成的組中的大量摻雜的P+摻雜材料。在一些實施例中，P+摻雜材料進一步包括選自由銅、金、氮、磷、鋪、砷、銀、秘、硫、鈉，及其組合構成的組中的摻雜劑。在一個實施例中，光伏裝置100進一步包括金屬層，也稱作背接觸層180，如圖3中所不。在一些實施例中，金屬層180直接設置在吸收器層160上(未不出)。在一些其它的實施例中，金屬層180設置在ρ+型半導體層170上，ρ+型半導體層170設置在吸收器層160上，如圖3中所示。在一些實施例中，P+型半導體層170可在金屬層180和吸收器層160之間提供改善的擴散特性。因此，在一些實施例中，具有期望的導電率和反射率的任何適合的金屬可以選作背接觸層180。在一個實施例中，金屬層180包括金、鉬、鑰、鎢、鉭、鈀、鋁、鉻、鑷或銀。在某些實施例中，可以在金屬層180上設置另外的金屬層(未示出)，例如招，以向外部電路提供橫向傳導(lateral conduction)。如較早指出的，在一個實施例中，提供一種具有梯度變化的吸收器層160的光伏裝置100。參考圖1-4，在一個實施例中，光伏裝置100包括窗口層130和設置在窗口層130上的吸收器層160，其中吸收器層160包括第一區(qū)域140和第二區(qū)域150，第一區(qū)域140鄰近窗口層130設置。在一個實施例中，吸收器層160進一步包括第一添加劑和第二添加劑，第一添加劑包括氧，以及第二添加劑包括氮、鋅、砷、磷、銻，或其組合。在一個實施例中，第一添加劑的濃度從第一區(qū)域140向第二區(qū)域150連續(xù)減小，以及第二添加劑的濃度從第一區(qū)域140向第二區(qū)域150連續(xù)增加。在一備選的實施例中，提供一種具有吸收器層的光伏裝置，該吸收器層具有兩個明顯的成分體系。參考圖1-4，在一個實施例中，光伏裝置100包括窗口層130和設置在窗口層130上的吸收器層160，其中吸收器層160包括第一區(qū)域140和第二區(qū)域150，第一區(qū)域140鄰近窗口層130設置。在一個實施例中，吸收器層160進一步包括第一添加劑和第二添加劑，第一添加劑包括氧，以及第二添加劑包括氮、鋅、砷、磷、銻，或其組合。進一步地，在一個實施例中，第一區(qū)域140包括第一添加劑并且基本上沒有第二添加劑，以及第二區(qū)域150包括第二添加劑并且基本上沒有第一添加劑。
在一個實施例中，提供一種制造光伏裝置的方法。參考圖1-3，在一些實施例中，該方法包括通過任何合適的技術，諸如濺射，化學氣相沉積，旋涂，噴涂，或浸潰涂布，在支撐件110上設置包括導電層122的透明層120。參考圖3，在一些實施例中，可使用濺射在導電層122上沉積可選的緩沖層124以形成透明層120。然后可在透明層120上沉積η型半導體層或窗口層130。用于η型半導體層130的沉積方法的非限制性示例包括近空間升華(CSS)，氣相輸運法(VTM)，濺射，電化學浴沉積(CBD)中的一個或更多。在一些實施例中，該方法進一步包括在窗口層130上設置吸收器層160。在一個實施例中，吸收器層160可以通過采用選自近空間升華(CSS)、氣相輸運法(VTM)、離子輔助物理氣相沉積(IAPVD)、射頻或脈沖磁控濺射(RFS或PMS)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)及電化學沉積(ECD)的一個或更多的方法來沉積。在一些實施例中，該方法包括以步進式的方式來設置吸收器層160，其中設置吸收器層160包括在包括第一添加劑的前體的第一環(huán)境中在該窗口層130上設置第一區(qū)域140，以及在包括第二添加劑的前體的第二環(huán)境中在第一區(qū)域140上設置第二區(qū)域150。在一些實施例中，設置吸收器層160的方法是連續(xù)的過程，其中第一區(qū)域140設置在包括第一添加劑的環(huán)境中并且第二區(qū)域設置在包括第二添加劑的環(huán)境中。在一些實施例中，設置吸收器層160的方法包括在有第一添加劑的連續(xù)流的情況下在窗口層130上設置第一區(qū)域140。在一些實施例中，通過關閉第一添加劑的流(flow)并打開第二添加劑的流，在第一區(qū)域140上設置第二區(qū)域150。在一個實施例中，第一環(huán)境包括第一添加劑的源和第二添加劑的源，其中在第一環(huán)境中第一添加劑的濃度高于第二添加劑的濃度。在一些實施例中，第一添加劑包括氧并且第二添加劑包括氮，以及第一環(huán)境是基本上富氧的。在一備選的實施例中，第一環(huán)境基本上沒有第二添加劑。在這樣的實施例中，第一環(huán)境包括第一添加劑或者第一添加劑的源。在一個特定的實施例中，第一環(huán)境包括氧或者氧源。在一個實施例中，第二環(huán)境包括第一添加劑的源和第二添加劑的源，其中在第二環(huán)境中第二添加劑的濃度高于第一添加劑的濃度。在一些實施例中，第一添加劑包括氧，以及第二添加劑包括氮，并且第二環(huán)境是基本上富氮的。在一備選的實施例中，第二環(huán)境基本上沒有第一添加劑。在這樣的實施例中，第二環(huán)境包括第二添加劑或者第二添加劑的源。在一個特定的實施例中，第二環(huán)境包括氮或者氮源。
不受任何理論約束，相信的是，第一區(qū)域140和第二區(qū)域150的兩個分離的生長體系允許富氧的CdS/CdTe界面，并且進一步減少可能發(fā)生在第二添加劑和CdS/CdTe界面處氧之間的氣相相互作用。在一些實施例中，該方法包括以梯度變化方式在窗口層130上設置第一區(qū)域140，這樣的以致于第一添加劑的濃度在第一區(qū)域140的厚度上在成分上梯度變化。在一些實施例中，該方法包括以梯度變化方式在窗口層130上設置吸收器層160，這樣的以致于第一添加劑的濃度在吸收器層160的厚度上梯度變化。在一些實施例中，該方法包括以梯度變化方式在第一區(qū)域140上設置第二區(qū)域150，這樣的以致于第二添加劑的濃度在第二區(qū)域150的厚度上在成分上梯度變化。在一些實施例中，該方法包括以梯度變化方式在窗口層130上設置吸收器層160，這樣的以致于第二添加劑的濃度在吸收器層160的厚度上梯度變化。在一個實施例中，在設置第二區(qū)域150以形成吸收器層160的步驟后，可以用氯化鎘(CdCl2)進一步處理吸收器層160。在一個實施例中，可以用CdCl2溶液處理吸收器層 160。在另一個實施例中，可以用CdCl2蒸汽處理吸收器層160。已知用CdCl2處理以增加吸收器層160的載流子壽命。用氯化鎘處理后可以跟隨著腐蝕或沖洗步驟。在一個實施例中，可以使用合適的酸來執(zhí)行腐蝕。在其它實施例中，可從表面沖洗掉CdCl2,在界面處產(chǎn)生化學計量的碲化鎘，從表面主要地去除氧化鎘和CdCl2殘留物，在表面處留下大約I的鎘比碲的比率。腐蝕通過去除處理期間形成在表面處的非化學計量的材料來起作用。也可以采用可以在背界面處產(chǎn)生化學計量的碲化鎘的本領域已知的其它腐蝕技術。參考圖3，在一個實施例中，可以通過使用例如PECVD的任何合適的技術來沉積P+型材料，在吸收器層160上進一步設置ρ+型半導體層170。在一備選的實施例中，可以通過化學處理吸收器層160，在吸收器層160上設置ρ+型半導體材料層170，以增加吸收器層160的背面(與金屬層接觸并且與窗口層相對的面)的載流子密度。在一個實施例中，可以通過在P+型半導體層170上沉積例如金屬層180的背接觸層來完成光伏裝置100。示例示例I :具有使用氧梯度沉積的CdTe層的碲化鎘光伏裝置的制備通過在沉積在SnO2 =F(FTO)透明導電氧化物(TCO)涂布的襯底上的硫化鎘(CdS)層上沉積碲化鎘(CdTe)，制備碲化鎘光伏裝置。該襯底是3毫米厚的鈉鈣玻璃，涂有FTO透明導電層(450nm)和薄的高電阻透明ZnSnOx(ZTO)層(IOOnm)。在有氧(CdS 0(5% O))的情況下以大約80nm的厚度在ZTO層上沉積硫化鎘(CdS)層。以大約550攝氏度的襯底溫度和大約625攝氏度的源溫度，使用近空間升華過程來沉積CdTe層。在襯底和源溫度的斜線上升(ramp)期間，襯底溫度斜線上升率大于源溫度斜線上升率。當襯底溫度達到其設定值并且源溫度超過襯底溫度時，CdTe沉積開始。對于氧使用不同沉積條件來制備兩個樣品，樣品I和2。對于樣品I的制備，在沉積步驟開始時，允許氧流動100秒。該步驟在吸收器層上產(chǎn)生含氧的第一區(qū)域的沉積。100秒后關閉氧并且在維持相同的背景壓力時，在無氧的情況下沉積CdTe層的剩余部分。100秒是源溫度達到其625攝氏度的設定值所需要的大約的時間長度。該步驟在吸收器層上產(chǎn)生第二區(qū)域的沉積。如較早指出的，在第二步驟期間，例如氮的第二添加劑可以被打開以在第一區(qū)域上形成第二區(qū)域。
對于樣品2的制備，在CdTe沉積步驟開始時，允許氧流動130秒。該步驟在吸收器層上產(chǎn)生含氧的第一區(qū)域的沉積。130秒后關閉氧并且在維持相同的背景壓力時，在無氧的情況下沉積CdTe層的剩余部分。在該樣品中，在源溫度達到其設定值后，氧流繼續(xù)另外的30秒。該步驟在吸收器層上產(chǎn)生第二區(qū)域的沉積。如較早指出的，在第二步驟期間，例如氮的第二添加劑可以被打開以在第一區(qū)域上形成第二區(qū)域。在空氣中以400攝氏度的溫度，用氯化鎘進一步處理沉積的碲化鎘層大約20分鐘。在規(guī)定的時間結束時，用銅溶液處理CdTe層，并以200攝氏度的溫度，經(jīng)受退火18分鐘的持續(xù)時間。然后通過蒸發(fā)過程在作為背接觸的銅處理后的層上沉積金以完成裝置制作過程。比較示例I :具有用連續(xù)氧流沉積的CdTe層的碲化鎘光伏裝置的制備制備光伏裝置，類似于樣品I和2中光伏裝置，除了用連續(xù)地流動貫穿CdTe生長過程的氧來沉積CdTe層。 比較示例2 :具有在沒有氧流的情況下沉積的CdTe層的碲化鎘光伏裝置的制備制備光伏裝置，類似于樣品I和2中的光伏裝置，除了在沒有流過生長過程的氧的情況下，沉積CdTe層。表I示出和比較樣品I和2對比樣品I和2的平均(Avg)效率，開路電壓(Vqc)，短路電流密度(Jsc)，和填充因素(FF)值，以及與這些值關聯(lián)的標準偏差(StDev)。表ICdTe光伏裝置的性能參數(shù)
權利要求
1.一種光伏裝置(100)，包含 窗口層(130);以及 設置在所述窗口層(130)上的吸收器層(160)，其中所述吸收器層(160)包含第一區(qū)域(140)和第二區(qū)域(150)，所述第一區(qū)域(140)鄰近所述窗口層(130)而設置； 其中所述吸收器層(160)包含第一添加劑和第二添加劑， 其中所述第一區(qū)域(140)中所述第一添加劑的濃度高于所述第二區(qū)域(150)中所述第一添加劑的濃度，以及 其中所述第二區(qū)域(150)中所述第二添加劑的濃度高于所述第一區(qū)域(140)中所述第二添加劑的濃度。
2.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第一添加劑包含氧。
3.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第二添加劑包含氮、砷、磷、銻、鋅，或其組合。
4.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第一區(qū)域(140)是基本上沒有所述第二添加劑。
5.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第二區(qū)域(150)是基本上沒有所述第一添加劑。
6.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第一添加劑在所述吸收器層(160)的厚度上在成分上梯度變化。
7.根據(jù)權利要求I所述的光伏裝置，其中所述第二添加劑在所述吸收器層(160)的厚度上在成分上梯度變化。
8.一種方法，包含 在窗口層(130)上設置吸收器層(160)，其中吸收器層(160)包含第一區(qū)域(140)和第二區(qū)域(150)； 其中設置吸收器層(160)包含 在包含第一添加劑的前體的第一環(huán)境中在窗口層(130)上設置所述第一區(qū)域(140)，以及 在包含第二添加劑的前體的第二環(huán)境中在所述第一區(qū)域(140)上設置所述第二區(qū)域(150)。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其中所述第一添加劑包含氧。
10.根據(jù)權利要求8的方法，其中所述第二添加劑包括氮、鋅、砷、磷、銻，或其組合。
全文摘要
在本發(fā)明的一個方面，提供一種光伏裝置。該光伏裝置包括窗口層和設置在窗口層上的吸收器層，其中吸收器層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域鄰近窗口層設置。吸收器層進一步包括第一添加劑和第二添加劑，其中第一區(qū)域中第一添加劑的濃度高于第二區(qū)域中第一添加劑的濃度，以及其中第二區(qū)域中第二添加劑的濃度高于第一區(qū)域中第二添加劑的濃度。還提供一種制造光伏裝置的方法。
文檔編號H01L31/18GK102881735SQ201210325699
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權日2011年6月1日
發(fā)明者J·N·約翰遜, B·A·科雷瓦爾, T·J·索默雷爾 申請人:通用電氣公司