CN101578709A - 单结太阳能电池装置所采用的薄膜式金属氧化物半导体材料 - Google Patents
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Abstract
一种单结太阳能电池结构，所述结构包括具有表面区域的基板构件；所述基板构件表面区域上覆盖的第一电极结构；第一电极结构上形成的P型吸收层。在具体的实施例中，所述P型吸收层具有P型杂质特征和第一光吸收系数，所述第一光吸收系数在400nm到800nm的波长范围内大于104cm－1。P型层及P型层与N+层的附近区域内形成的界面区之上，设置了一个N+层。所述结构还包括N+层上覆盖的高阻缓冲层；以及缓冲层上覆盖的第二电极结构。
Description
相关申请的相互参考
本申请在美国申请了优先权，临时专利申请号为No.60/976,391，归档日期为2007年9月28日；非临时专利申请号为No.12/237,369，归档日期2008年9月24日。本申请通常是指这两份申请，并为所有目的共同引用。联邦政府资助研究或开发下发明权的声明不适用参考“序列表”，表格，或光盘提交的计算机程序列表附件不适用
发明背景
本发明涉及太阳能电池材料，具体涉及一种采用薄膜工艺制作太阳能发电材料的方法和结构，其中薄膜由第四族材料(如硅和锗)以及氧化铜等金属氧化物制成。已通过单结配置实施了该方法和结构，这仅是一个例子，但本发明可能还有其他配置。
从开始以来，人类就一直面临着找到利用能源方法的挑战。能源可分为石化能源、水能、原子能、风能、生物能、太阳能，以及包括木材，煤等占多数的原始型能源。上个世纪，现代文明已依赖于作为重要能源的石化能源。石化能源包括天然气和石油。天然气包括丁烷和丙烷等较轻形式的气体，通常用于家庭取暖和烹饪的燃料。石油包括汽油、柴油、喷气燃料等，通常用于运输。较重形式的石化能源在一些地方也可用作家庭取暖。不幸的是，基于地球上可用总量，石化能源有限且本质上不能再生，另外，由于汽车和使用石化产品的增加，石化能源正成为相当稀缺的资源，随着时间的流逝其最终将耗尽。
最近，已迫切需要清洁能源。水力发电就是清洁能源的一个例子，通过修建大型水坝，阻挡水的流动，通过水力驱动发电机发电，如内华达州的胡佛水坝，其所发的电供加利福尼亚州洛杉矶市的大部分地区使用。其它形式的清洁能源包括太阳能。该发明背景以及下面更具体的叙述揭示了太阳能详细情况。
太阳能通常将来自太阳的电磁辐射转换为能源的其它有用形式，包括热能和电力。通常通过太阳能电池来应用太阳能。虽然太阳能清洁且在一定程度获得了成功，其在全世界广泛应用之前仍存在许多缺陷。例如，一种太阳能电池采用结晶材料，该结晶材料由半导体锭构成，这些结晶材料包括将电磁辐射转换为电流的光电二极体装置。结晶材料生产成本高，很难大量生产。另外，采用结晶材料制成的装置能源转换效率低。其它类型的太阳能电池采用薄膜技术，形成薄膜的感光材料，将电磁辐射转换为电流。在利用薄膜技术制作太阳能电池时也存在类似的缺陷，也就是说，效率通常也低。另外，膜的可靠性差，在常规应用环境中使用期限短。本专利说明书以及下面更具体的叙述揭示了这些常规技术的缺陷。
综上所述可以看出，迫切需要生产太阳能电池材料的改进技术及合成装置的技术。
发明概述
本发明提供了一种单结太阳能电池结构和方法的技术，更具体地说，根据本发明所述的实施提供了一种单结太阳能电池结构，该结构采用薄膜式金属氧化物半导体材料。本发明的广泛应用范围将获得认可。
在一个具体实施范例中，提供了一种单结太阳能电池结构。所述结构包括具有表面区域的基板构件；所述基板构件表面区域上覆盖的第一导体层；以及导体层上覆盖的一P型吸收层。在一个具体的实施例中，所述P型吸收层具有P型杂质特征和第一光吸收系数，所述第一光吸收系数在400nm到800nm的波长范围内大于104cm-1。在一个具体实施例中，所述P型吸收层含有金属氧化物半导体材料。所述结构还包括第一吸收层上覆盖的一N+层，所述N+层具有N型杂质特征。所述结构还包括所述第一吸收层和所述N+层形成的一个界面区。所述N+层上覆盖的具有适当阻力的缓冲层。所述结构还包括所述缓冲层上覆盖的的第二导体层。
在另一个实施范例中，提供了单结太阳能电池的制造方法。所述方法包括提供具有表面区域的一个基板构件。覆盖基板构件的表面区域，形成第一导电层，以及覆盖所述导电层，形成P型吸收层。在一个具体实施例中，所述P型吸收层具有P型杂质特征和第一光吸收系数，所述第一光吸收系数在400nm到800nm的波长范围内大于104cm-1。在一个具体的实施例中，覆盖所述P型层，形成N+层的方法，所述P型吸收层与所述N+层形成一界面区。所述方法包括覆盖所述N+层，形成高阻缓冲层以及覆盖所述缓冲层，形成第二导体层。
根据所述实施范例，包括一种或多种以上的特征。根据本发明，所述实施范例提供了一种采用金属氧化物半导体材料的单结太阳能电池结构。利用简单工艺和无需对传统设备进行进一步改装就可实现本发明。根据所述实施范例，所述金属氧化物半导体材料为纳米结构或块体结构。在一个具体实施范例中，该太阳能电池结构在将阳光转换为电能过程中具有较高转换效率。根据实施范例，其转换效率为15％到20％或高于合成单结太阳能电池。此外，单结太阳能电池结构可进行大规模生产，这样就减少了光电池设备的生产成本。根据所述实施例，可实现一种或多种以上有益效果。本说明书对这些有益效果进行了更加全面的描述，具体见下文。
附图说明
根据本发明的一个实施范例，图1为描述单结太阳能电池结构的简图。
根据本发明的一个实施范例，图2为描述单结太阳能电池结构的结区简图。
图3-8为在一个具体实施范例中，采用薄膜金属氧化物半导体材料制作单结太阳能电池的示意图。
发明详述
根据本发明所述的实施范例，提供一种专用于光电池结构的技术，具体涉及一种单结光电池结构和具有高转换效率的合成光电池结构。根据本发明所述的实施范例，具有更广泛的适用范围将获得认可。
图1为根据本发明的一个实施范例所述的单结太阳能电池结构(100)简图。如图所示，所述单结太阳能电池结构包括具有表面区域(104)的基板构件(102)。根据应用情况，所述基板构件可由绝缘体材料，导体材料或半导体材料制成。在一具体实施范例中，导体材料可为金属镍、钼、铝或不锈钢等的金属合金。在一个实施范例中，半导体材料包括硅、锗、III-V族与II-VI族材料等的硅锗化合物半导体材料以及其他材料。在一个具体实施范例中，绝缘体材料可为玻璃、石英、熔融石英等透明材料。此外，根据应用情况，绝缘体材料也可为高分子材料，陶瓷材料或单层或复合层材料。依据该实施范例，所述高分子材料可包括丙烯酸材料、聚碳酸酯材料及其他。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
如图1所示，所述单结太阳能电池结构包括覆盖第一电极结构的表面区域、形成了所述基板构件的第一导电层104。在一个具体实施范例中，所述第一电极结构可由合适的材料或组合材料制成。依据实施范例，所述第一电极结构可由透明导电电极或反光或挡光材料制成。光学透明材料可包括铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡及其他。
在一个具体实施范例中，所述第一电极可由金属材料制成。所述金属材料可包括金、银、镍、白金、铝、钨、钼，这些金属的一种组合，或一种合金等。在一个实施范例中，可采用溅射、电镀、电化学沉积及其他技术来沉积金属材料。此外，所述第一电极结构可由碳或石墨等碳基材料构成。但根据应用情况，所述第一电极结构也可由导电高分子材料构成。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
再次参考图1，所述单结太阳能电池包括第一电极层上覆盖的一吸收层。在一个具体实施范例中，所述吸收层具有P型特征。也就是说，所述吸收层吸收电磁辐射，在所述吸收层内形成带正电的载体。在一个具体实施范例中，所述吸收层包括第一金属氧化物半导体材料。可用不同形状和大小的各种空间形态，来提供所述第一金属氧化物半导体材料。例如，所述第一金属氧化物半导体材料可能为纳米结构，如纳米管、纳米柱、纳米晶体等。在其他实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料为块体材料。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料具有一光吸收系数，对于电磁辐射，在大约400纳米到800纳米的波长范围内所述光吸收系数大于104cm-1。在另一个实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料具有一光吸收系数，对于电磁辐射，在大约450纳米到700纳米的波长范围内所述光吸收系数大于104cm-1。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
所述第一金属氧化物半导体材料具有载体迁移率的特征。在一个具体实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料的载体迁移率为大约10-6cm2/V-s到106cm2/V-s。在另一实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料的载体迁移率为大约10-3cm2/V-s到大约103cm2/V-s。在某些实施范围例中，所述第一金属氧化物半导体材料的载体迁移率为大约10-3cm2/V-s到大约103cm2/V-s。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
所述第一金属氧化物半导体材料具有带隙特征。在一个具体实施范例中，所述第一吸收层具有一个大约1.0eV到大约2.2eV的带隙。在另一个实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料能够具有一个大约1.0eV到大约2.0eV的带隙。在一个首选实施范例中，所述第一金属氧化物半导体材料能够具有一个大约1.2eV到大约1.8eV的带隙。当然，根据应用情况，也可有其他的变化、修改及选择形式。
参考图1，一N+层(106)覆盖在吸收层上，具有P型特征。在一个具体实施范例中，所述N+层包括第二金属氧化物半导体材料。在另一个实施范例中，所述N+层可包括一金属硫化物材料。所述第二金属氧化物材料包括一种或多种铜的氧化物及锌氧化物等等。所述金属硫化物材料包括硫化锌、硫化铁及其他。可用不同形状和尺寸的不同空间形态来提供所述N+层。在一具体实施范例中，所述N+层可包括纳米结构的适当材料，如纳米柱、纳米管、纳米棒、纳米晶体及其他。在一个选择的实施范例中，根据应用情况，也可利用其他形态提供所述N+层，如块体材料。当然，根据应用情况，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，如图1所示，一界面区(108)由所述P吸收层与所述N+层形成。在一个首选实施范例中，界面层允许由带正电荷的载体与带负电荷的载体形成的pn结。在一个具体实施范例中，pn结特征在于pn+结和基本处于界面区附近吸收层内的转换区。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，所述单结太阳能电池包括所述第二吸收层上覆盖的一缓冲层(110)。该缓冲层由满足要求的适当材料制成。当然，可能也有其他的变化、修改及选择形式。
再次参考图1，覆盖在所述缓冲层上、形成一个第二电极结构的一个第二导体层(112)。在一个具体实施范例中，所述第二电极结构可由适当材料或组合材料制成。依据实施范例，所述第二电极结构可由透明导电电极或反光或挡光材料构成。首选的所述第二电极结构包括光学透明材料，如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物、氟锡氧化物及其他。在一个具体实施范例中，所述第二电极结构可由金属材料制成。所述金属材料可包括金、银、镍、白金、铝、钨、钼，这些金属的一种组合物，或一种合金等。在一个具体实施范例中，可采用如溅射、电镀、电化学沉积等技术进行金属材料的沉积。此外，根据应用情况，所述第二电板结构可由碳基材料构成，如碳或石墨。但第二电极结构也可由导电高分子材料构成。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
图2为根据本发明，实施范例所述的界面区详图。如图所示，覆盖在吸收层(204)上、形成一pn结的一个N+层(202)。在一个具体实施范例中，所述吸收层具有P型杂质特征以及具有光吸收系数，对于电磁辐射，在大约400纳米到750纳米的波长范围内大于该光吸收系数大约104cm-1。当暴露在电磁辐射中时，所述吸收层内形成电子空穴对，并且界面区附近吸收层区域内基本形成一转换区(206)。例如，所述吸收层可由具有大约1.0eV到大约2.0eV带隙的第一金属氧化物半导体材料形成。在一个具体实施范围中，所述第一金属氧化物半导体材料可包括铜的氧化物，如氧化铜或氧化亚铜，铁的氧化物，如氧化亚铁及氧化铁，氧化钨及其他适当材料。可利用不同空间配置提供所述第一金属氧化物半导体材料，例如纳米结构，如纳米柱、纳米管、纳米棒、纳米晶体及其他。在另一个实施范例中，根据应用情况，可利用块体材料形式提供所述第一金属氧化物半导体材料。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，所述N+层可包括第二金属氧化物材料、金属硫化物材料、一种组合或其他合适材料。在一个具体实施范例中，所述N+层具有所述第二带隙范围为2.8eV到4.5eV的特征。所述第二金属氧化物材料包括氧化锌等，可利用不同空间配置提供所述第二金属氧化物材料，例如，以纳米机构形式，如纳米柱、纳米管、纳米晶体及其他。根据应用情况，也可利用块体材料形式提供所述第二金属氧化物材料。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，所述P型层具有第一带隙范围为大约1.0eV到大约2.0eV的特征。所述N+层具有第二带隙范围为大约2.8eV到大约5.0eV的特征。在一个具体实施范例中，第二带隙大于第一带隙。例如，所述N+层可包括具有一个大约3.4eV带隙的氧化锌材料，所述吸收层可包括具有一个大约1.2eV带隙的氧化铜。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
图3-8为在一个具体实施范例中，采用薄膜金属氧化物半导体材料制作单结太阳能电池的示意图。这些示意图仅为制作方法的举例，并不过度限制该权利要求。精通该项技术的人可识别其他变化、修改和选择形式。如图3所示，提供一基板构件(302)。所述基板构件包括一表面区域(304)。根据应用情况，所述基板构件可由绝缘材料、导电材料或半导体材料制成。在一个具体实施范例中，半导体材料可为金属镍、钼、铝或不锈钢等金属合金。在一个实施范例中，所述半导体材料可包括硅、锗、硅锗化合物半导体材料，如III-V族，II-VI族材料及其他。在一个具体实施范例中，绝缘材料可为透明材料，如玻璃、石英与熔融石英。此外，根据应用情况，所述绝缘材料可为高分子材料，陶瓷材料或单层或层状复合材料。依据实施例，高分子材料可包括丙烯酸材料，聚碳酸酯材料及其他。
参考图4，所述方法包括在基板构件的表面区域上形成第一电极结构(402)。在一个具体实施范例中，所述第一电极结构可由合适的材料或组合材料制成。依据实施范例，所述第一电极结构也可由透明导电电极或反光或挡光材料制成。所述光学透明材料包括铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡及其他。所述透明导电材料可采用溅射或化学气相沉积等技术沉积。在一个具体实施范例中，所述第一电极可由金属材料制成。所述金属材料可包括金、银、镍、白金、铝、钨、钼，这些金属的一种组合，或一种合金等。在一个具体实施范例中，所述金属材料可采用溅射、电镀、电化学沉积及其他技术进行沉积。此外，所述第一电极结构可由碳或石墨等碳基材料制成。根据应用情况，第一电极结构也可由导电高分子材料制成。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
参考图5，该方法包括所述第一电极结构上形成一个吸收层(502)。在具体实施范例中，所述吸收层具有P型杂质特征。所述吸收层的特征在于一光吸收系数，在具体实施例中，其在400纳米到大约750纳米的波长范围内大于大约104cm-1。在一个具体实施范例中，所述吸收层可由带隙范围大约1.0eV到大约2.0eV的第一金属氧化物半导体材料制成。例如，所述金属氧化物半导体材料可为铜的氧化物(氧化铜，氧化亚铜或其组合物)，其通过电化学方法或化学气相沉积技术进行沉积。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
在一个具体实施范例中，该方法包括所述吸收层上形成的一个N+层(602)。所述吸收层具有一P型杂质特征，如图6所示。在具体实施范例中，所述N+层可包括第二金属氧化物半导体材料。或者，所述N+层可包括金属硫化物材料。所述第二金属氧化物可包括一种或多种铜的氧化物、氧化锌及其他。金属硫化物材料可包括硫化锌、硫化铁及其他。可利用不同形状和尺寸的不同空间形态来提供所述N+层。在一个具体实施范例中，所述N+层可包括纳米结构的合适材料，如纳米柱、纳米管、纳米棒、纳米晶体及其他。在另一个实施范例中，根据应用情况，也可利用其他形态提供所述N+层，如块体材料。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
参考图7，采用薄层金属氧化物半导体材料制作单结太阳能电池的方法，包括提供所述N+层的表面区域覆盖的一个缓冲层(702)。在一个具体实施范例中，所述缓冲层包括高电阻率材料。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
如图8所示，方法包括所述缓冲层上形成一个第二电极结构(802)，从而形成一个第二导电层的方法。在一个具体实施范例中，所述第二电极结构可由一种合适的材料或一种组合材料构成。依据实施范例，所述第二电极结构可由透明导电电极，或反光或挡光材料制成。所述光学透明导电材料可包括铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡及其他。所述光学透明导电材料可采用溅射或化学气相沉积等技术进行沉积。
在一个具体实施范围例中，第一电极可由一种金属材料制成。所述金属材料可包括金、银、镍、白金、铝、钨、钼，这些金属的一种组合，或一种合金等。在一个具体实施范例中，所述金属材料可采用溅射、电镀、电化学沉积及其他技术进行沉积。或者，第二电极结构可由碳或石墨等碳基材料构成。或者，根据应用情况，所述第二电极结构可由导电高分子材料构成。当然可能也有其他的变化、修改及选择形式。
此处描述的实例及实施例仅为说明目的，精通该技术的人员可进行各种细小的修改或变化，其将包含在申请范围与附加要求范围内。
Claims (23)
1.一种单结太阳能电池结构，所述结构包括：
具有一表面区域的基板构件；
所述基板构件表面区域上覆盖的第一导电层；
覆盖在所述导电层上的一个P型吸收层，所述P型吸收层具有P型杂质特征和在400nm到800nm的波长范围内大于104cm-1的第一光吸收系数；
覆盖在所述P型吸收层上的一个N+层；
所述P型吸收层的第一表面区与所述N+层的第二表面区的附近区域内，所形成的一个界面区。
覆盖在所述N+层上的一个高阻缓冲层；以及
覆盖在所述缓冲层上的第二导电层。
2.根据权利要求所述的结构，其中所述P型吸收层包括第一金属氧化物半导体材料。
3.根据权利要求所述的结构，其中所述P型吸收层包括纳米结构材料。
4.根据权利要求所述的结构，其中所述P型吸收层包括块体材料。
5.根据权利要求所述的结构，其中所述P型吸收层由铜的氧化物制成(如氧化铜，氧化亚铜)。
6.根据权利要求所述的结构，其中所述P型吸收层的带隙范围大约1.0-大约2.0eV。
7.根据权利要求所述的结构，其中所述N+层包括第二金属氧化物材料或金属硫化物材料。
8.根据权利要求所述的结构，其中所述N+层的带隙范围大约2.5-大约5.0eV。
9.根据权利要求所述的结构，其中所述第二金属氧化物材料为纳米结构。
10.根据权利要求所述的结构，其中所述第二金属氧化物材料为块体材料。
11.根据权利要求所述的结构，其中所述金属硫化物材料选自硫化锌、硫化铁或其它金属硫化物。
12.根据权利要求所述的结构，其中所述金属硫化物材料为纳米结构材料。
13根据权利要求所述的结构，其中所述金属硫化物材料为块体材料。
14.根据权利要求所述的结构，其中由所述P型吸收层和所述N+层形成的界面区包括一个PN结。
15.根据权利要求所述的结构，其中所述PN结是一个PN+结。
16.根据权利要求所述的结构，其中所述基板为金属基板如铝基板、不锈钢基板、镍基板等。
17.根据权利要求所述的结构，所述第一导电层包括透明导电材料例如铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡等。
18.根据权利要求所述的结构，所述第二导电层包括透明导电材料例如铟锡氧化物(ITO)、铝掺杂的氧化锌、氟掺杂的氧化锡等。
19.根据权利要求所述的结构，所述第一导电层包括金属材料、导电聚合物材料或碳基导体材料。
20.根据权利要求所述的结构，所述第二导电层包括金属材料、导电聚合物材料或碳基导体材料。
21.根据权利要求所述的结构，所述缓冲层包括高阻材料。
22.根据权利要求1所述的结构，所述单结太阳能电池的转换效率高于大约5％。
23.一种生产太阳能电池的方法，所述方法包括：
提供具有一表面区域的基板构件；
制作第一导电层，其覆盖在所述其板构件的表面区域上；
制作一P型吸收层，其覆盖在所述导电层上，所述P型吸收层具有P型杂质特征和第一光吸收系数，所述第一光吸收系数在400nm到800nm的波长范围内大于104cm-1；
制作覆盖在所述P型吸收层上的一个N+层；
制作由所述P型吸收层和所述N+层形成的一个界面区；
制作覆盖在所述N+层上的一个高阻缓冲层；以及
制作覆盖在所述缓冲层上的第二导电层。
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