CN101779290B - 包括界面层的光伏器件 - Google Patents

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Abstract

一种光伏电池可以包括与半导体层接触的界面层。

Description

包括界面层的光伏器件
本申请要求于2007年9月25日提交的第60/974,971号临时美国专利申请的优先权，该申请通过引用被包含于此。
技术领域
本发明涉及光伏器件。
背景技术
通常，光伏器件可以由这样的材料组成，所述材料在界面处的性质与所述材料在其它位置的性质不同。界面是指自由表面或晶界附近的区域以及两种不同材料之间的区域。具体地讲，材料在界面处的电学性质会受到捕获电荷、偶极层和相互扩散的影响。材料在界面处的性质也会受到定域能级(localized energy level)(即，存在于有限空间(limited space)(与能带相反)中的能级)的影响。定域能级通常与界面处的杂质、本征缺陷或者结晶缺陷有关。
发明内容
一种光伏器件可以包括：透明导电层，位于基底上；第一半导体层，包括宽带隙半导体；第二半导体层，具有表面；界面层，与第二半导体层接触，其中，所述界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级。
第二半导体层可以包括CdTe。第二半导体层可以包括CdTe的合金。第二半导体层可以包括CdTe合金，其中，Cd至少部分地被Zn、Hg、Mg或Mn代替。第二半导体层可以包括CdTe合金，其中，Te至少部分地被S、Se或O代替。
所述光伏器件可以具有保持Cd的化学势的界面层。所述器件可以具有在所述半导体的与第二半导体的界面接近的区域内受控的所述化学势。所述界面层可以位于第二半导体层和背面电极之间。所述界面层可以为第三半导体层。
所述光伏器件可以具有半导体材料，所述半导体材料包括ZnTe、CdZnTe、CuAlS2、CuAlSe2、CuAlO2、CuGaO2或CuInO2。界面材料可以包括GeTe、CdTe:P、CdTe:N、NiAs或NbP。
半导体层例如CdTe层可以具有表面。所述表面可以包括Cd与周期表第五主族的元素之间的化学键。所述表面可以包括Cd与N、P、As和Sb之间的化学键。所述界面层可以位于第二半导体层和第一半导体层之间。
第一半导体层可以包括SnO2、SnO2:Zn、SnO2:Cd、ZnO、ZnSe、GaN、In2O3、CdSnO3、ZnS或CdZnS。所述界面层可以是Cd与包含O、S或Se的硫族元素中的任何一种的化合物。所述界面层可以包括CdS。
所述器件可以包括具有表面的半导体，所述表面包括在Te与周期表第三主族中的任何元素之间的化学键。所述器件可以包括具有表面的半导体，所述表面包括Te与B、Al、Ga、In或Tl之间的化学键。
在一些情况下，所述界面层可以是具有化学式ABO2的材料或者它们的掺杂组合物中的一种，其中，A是Cu、Ag、Au、Pt或Pd，B是三价金属离子Al、In、Cr、Co、Fe、Ga、Ti、Co、Ni、Cs、Rh、Sn、Y、La、Pr、Nd、Sm或Eu。在其它情况下，第二半导体层可以小于2μm厚。在其它情况下，第二半导体层可以小于1μm厚。所述器件可以包括位于透明导电层和第一半导体层之间的另一界面层。
一种制造光伏器件的方法可以包括以下步骤：在基底上沉积第一半导体层，第一半导体层包括宽带隙半导体；在第一半导体层上方沉积第二半导体层；沉积界面层，以与第二半导体层接触，其中，界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级。
在一些情况下，可以通过溅射来沉积所述界面层。可以通过原子层沉积来沉积所述界面层。可以通过选择性离子层吸收和反应沉积来沉积所述界面层。
一种用于产生电能的系统可以包括：透明导电层，位于基底上；第一半导体层，包括宽带隙半导体；第二半导体层；界面层，与第二半导体层接触，其中，所述界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级；第一电连接，连接到所述透明导电层；第二电连接，连接到背面金属接触。
在一些情况下，可以用金属电极来代替所述透明导电层，可以用透明导电层电极来代替金属背面电极。在其它情况下，系统还可以包括连接到所述透明导电层的第一电极和连接到所述背面金属接触的第二电极。在其它情况下，可以用所述透明导电层来代替所述背面金属电极，所述器件可以与另一个光伏器件串联(tandem)使用。
在附图和后面的描述中提到了一个或多个实施例的细节。其它特征、目的和优点将通过说明书和附图以及权利要求而变得清楚。
附图说明
图1是具有多个层的光伏器件的示意图。
图2是用于产生电能的系统的示意图。
图3是具有多个层的光伏器件的示意图。
图4是具有多个层的光伏器件的示意图。
图5A是具有多个层的光伏器件的示意图。
图5B是具有多个层的光伏器件的示意图。
图5C是具有多个层的光伏器件的示意图。
具体实施方式
通常，光伏器件可以包括第一半导体层、第二半导体层和与第二半导体层接触的界面层，其中，第一半导体层包括宽带隙的半导体，界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级(controlled level)。受控级表示在照明和偏置条件下界面处和界面附近的区域内的稳态化学势，从而优化器件性能。通过单独钝化晶界并不能实现受控级的化学势。然而，本领域技术人员应该尽力清楚地预期到在界面附近的区域内改变的化学势对本征缺陷的影响。
采用CdTe光伏器件，例如，缺陷形成能和相关的定域能级(存在于有限空间内的能级)的特征为这些缺陷的化学势。缺陷的说明包括缺陷的电荷状态，即，两种缺陷通过化学反应而被联系起来。两种缺陷的原子结构和能级通常不同。在这个示例中，各种缺陷的相对浓度通过质量作用定律控制。VCd的浓度取决于Cd的化学势，电子的浓度取决于电子准费米能级。器件内的准费米能级相应地取决于光照的强度和光谱含量、施加到器件的电压偏置以及器件内的缺陷类型和浓度。与所有化学反应一样，缺陷化学反应的速率是温度的函数。在一些半导体材料中，在光伏阵列区域中存在的在各温度下的化学反应速率可足以产生缺陷浓度的变化，该缺陷浓度的变化相应地影响光伏器件的功率转换效率。因此，重要的是设计光伏器件中的材料和界面，使得在被优化的区域中找到存在于光照和偏置的稳态条件下的相关缺陷化学，从而在区域中产生最大功率转换效率。
采用CdTe光伏器件，认为大多数相关缺陷化学与Cd子晶格有关。例如，对于弗伦克尔缺陷，化学反应是
Figure GPA00001011402600041
镉原子位上的镉原子具有可逆反应，从而变成空的镉位加上处于间隙位的镉原子。
在表面(s)或者晶界(gb)附近，等效的反应变成或者
Figure GPA00001011402600043
镉间隙是施主，镉空位是受主。如果处于晶界或者表面的Cd原子也是施主，则晶界和表面的特征将趋于偶极层或者n型晶界或者与p型子表面层相邻的表面。
光伏器件由几个层构成。在一种结构中，半导体材料的多个层可以涂覆到基底，其中，一层作为窗口层，第二层作为吸收层。光伏器件的一个必要特征在于在两个层之间形成整流结(rectifying junction)。在单结光伏器件的传统结构中，一种半导体利用带正电的空穴导电，因此被称为p型材料，另一种半导体利用带负电的电子导电，因此称为n型材料，这两种半导体的结称为pn结。整流结可以形成在包括例如pn、pp+、p-p、nn+和n-n的各种半导体材料之间。主整流结位于两种半导体之间的光伏器件被称作“pn器件”或者“单结”器件。
当在半导体层中吸收能量大于半导体带隙的太阳光或者其它光学辐射时，光子转换为电子-空穴对。p型半导体中的电子和n型半导体中的空穴被分类为“少数载流子”。光产生的少数载流子在产生该少数载流子的半导体层内因扩散和漂移的驱动而运动，直到它们在产生该少数载流子的半导体内与相反类型的载流子复合或在产生该少数载流子的半导体的界面处复合，或者被另一半导体层收集。复合是降低光伏器件中的光伏功率转换效率的损耗机制。
在单结光伏器件的一种结构中，使用带隙相对宽的半导体作为半导体层中的一层。使用带隙宽的半导体层有几个潜在的优点，这些优点包括这种半导体作为“窗口”层。当使窗口层面对太阳时，窗口层可以允许太阳光辐射渗透到光子被转换为电子-空穴对的吸收层中。在光伏器件中，电子被n型材料收集，空穴被p型材料收集。通过整流结防止一旦载流子被收集则在相反方向上流动的电流，从而使电流通过外部电路。按照这种方式，光功率被转换为电功率。要求保护的器件涉及减少电子-空穴复合的方法，其中，电子-空穴复合降低光伏器件的最大功率时的电流。也会通过包括存在于光伏器件内的界面偶极子的空间电荷而降低最大功率的电压。要求保护的器件减少了使光伏器件中的最大功率电压下降的空间电荷。所以，要求保护的器件通过采用下面将更充分描述的各种界面层来提高光伏器件的功率转换效率。
一些光伏器件可以采用也是电荷的导体的透明薄膜。导电薄膜可以是包含透明导电氧化物(TCO)，例如，掺氟的氧化锡、掺铝的氧化锌或者氧化铟锡的透明导电层。TCO可以允许光穿过半导体窗口到达活性光吸收材料并且还作为欧姆电极，从而将光产生的带电载流子运送为远离光吸收材料。另外，可以在半导体层的背表面上形成背面电极。背面电极可以包含导电材料例如金属银、镍、铜、铝、钛、钯、铬、钼或者这些材料的任何实用的组合。
光伏器件的可选结构基本上由三种半导体材料构成，并且将被称作“p-i-n器件”。“i”代表“本征”并且表示这样的半导体材料，即，在平衡时，这种半导体材料具有相对低数量的任一带电类型的带电载流子，或者在这种半导体材料中的载流子的净数量小于大约5×10-14cm-3，其中，“净”为p型带电载流子的浓度减去n型载流子的浓度的差的绝对值。通常，“i”层的主要功能是吸收光量子并且将光量子转换为电子-空穴对。光产生的电子和空穴在“i”层内因漂移和扩散的驱动而运动，直到电子和空穴在i层内或者在p-i界面处或者在i-n界面处彼此“复合”，或者直到电子和空穴分别被n层和p层收集。
在pn和p-i-n两种结构中，光产生的带电载流子的复合可以为降低光伏器件的功率转换效率的损耗机制。界面处的复合会受到以下因素的影响，这些因素包括界面处的能级的类型和浓度、界面两侧上的电场以及界面处价带或导带中的任何不连续性。因此，半导体之间的界面以及金属与半导体之间的界面对器件性能有明显的影响。消除界面对器件性能的负面影响的方法包括：选择异质结配对(partner)，以将两种材料之间的晶格失配最小化；将材料组分分级为一种异质结材料和另一种异质结材料；以及用氧、硫、氢或者其它材料使界面“钝化”，从而缚牢中间隙能态的悬挂键。另外，研究人员已经在界面处使用两性分子，从而通过在表面上或者在界面处产生偶极层来改变电学性能。此外，在不存在晶格失配的情况下，由于在电学性质不同的两种材料之间存在界面而能够容易使晶格的对称性变形，从而由于在异质结配对的原子之间的化学键的本质上的差异而在界面处形成偶极层。尽管研究人员已经意识到界面对器件性能的影响，并且已经采用广泛的尝试以及具体的方案来减少界面对器件性能的影响，但是现有技术没有解决界面层对所采用的半导体材料的本征缺陷化学和非本征缺陷化学的稳态化学势的影响。因此，在光照和偏置条件下，在与界面邻近的半导体区域以及包括界面的半导体区域内缺少受控电化学势的情况下，在通过单独改变界面状态而实现减轻或者消除影响的区域内会产生本征缺陷和非本征缺陷。要求保护的器件不仅解决了界面对器件性能的影响，而且提供了具体的和创新的器件结构，所述器件结构表现出在光照和偏置的稳态条件下对化学势的控制，从而能够使光伏器件表现出改进的功率转换效率。
在CdTe基PV器件的一个示例中，采用CdTe的整流结和低电阻结可以包括被设计成改进器件的电学性能的薄膜界面层。例如，界面层包括位于MIS器件的CdTe和金属电极之间的氧化物，以及位于CdTe金属电极界面处的Te或者富含Te的化合物(例如，Cu2-xTe、Cu2-xO和Sb2Te3)。界面层可以是通常通过湿化学、溅射蚀刻和溅射沉积、电子束蒸镀然后热退火、化学浴沉积或者原子层沉积方法制造的缓冲层，例如，Marika Edoff at Uppsala Universitysee“CIGS Thin Film Solar Cells，Uppsala University Final Report，Project no.22213-1 Swedish Energy Agency，Project leader：Markia Edoff，Period2005-01-01-2006-06-30”中描述了以上方法。
最先进的CdTe PV器件采用CdS作为CdTe的宽带隙的n型异质结配对。CdS具有2.42eV的光学带隙，这种带隙小得能够使太阳光照的所有光谱进入CdTe，并且在CdS中产生的空穴不被CdTe收集。厚的CdS层吸收等于大约6mA/cm2的光子，该范围在能够被CdTe吸收的大约30mA/cm2的范围之外。因此，最先进的CdTe PV器件试图通过采用薄的CdS将这种电流损失最小化，其中，薄的CdS使能量在CdS带隙以上的光的大部分通过。CdS厚度的下限已经归因于异质结配对需要包含足够的电荷来平衡CdTe中的负的空间电荷。因此，CdTe的最先进的n型结包含位于CdS的与CdTe相对的一侧上的第二高电阻率的n型“缓冲层”。可以用可以包含掺杂的或未掺杂的透明氧化物例如SnO2、SiO2、SnO2:Cd、SnO2:Zn或CdZnO2的高电阻率的缓冲层来覆盖n型的CdS。高电阻率缓冲层被认为添加了正的空间电荷并且通过CdS膜消除了分流(shunt)的影响。大量工作已经针对向高电阻率的“缓冲”层。例如，在第5,279,678号美国专利中描述了这种缓冲层，该美国专利通过引用被包含于此。在任何情况下，以前的CdTe光伏器件考虑将CdS作为在pn结器件中与CdTe形成pn结的n型材料，或者作为在p-i-n器件例如CdS/CdTe/ZnTe结构中的n型材料，例如，CdTe作为本征层，ZnTe作为p型层。
大量工作已经被针对能够将来自CdTe的空穴进行低损耗传输的CdTe。理论上，低损耗空穴传输可以利用功函数与CdTe的功函数类似的金属或者利用功函数与CdTe的功函数类似的半导体来实现，另外，所述半导体的价带顶相对靠近CdTe的价带。CdTe的价带顶(VBM)是大约5.74eV，低于真空能级，然而，现在没有已知的金属具有这种高功函数。为了减小可用金属的相对低的功函数的影响，研究人员已经采用了半导体层和背面金属接触层之间的界面层，意图通过遂穿进入金属电极中使空穴能够传输。
以前通常意图通过用p型掺杂剂，例如，铜、锑、汞或砷或者采用各种化学方法或物理方法来重掺杂金属电极附近的区域来处理CdTe的表面，从而在界面附近产生富Te区域。可选地，研究人员已经采用高度掺杂的或者简并的p型半导体例如Cu2-xTe、Cu2-xO、HgTe或Sb2Te3来意图在CdTe和金属电极之间产生隧道结。可选地，研究人员已经采用ZnTe作为接触件CdTe的低损耗空穴传输。例如，参见第4,710,589号美国专利和第5,909,632号美国专利，这两项美国专利通过引用被包含于此。ZnTe可以为价带顶与CdTe的价带顶紧密匹配的相对宽带隙的半导体。理论上，ZnTe具有附加的优点，即，CdTe和ZnTe之间的导带中的正阶梯将作为趋于从CdTe运动到ZnTe中的电子的电子反射器。在一个示例中，未掺杂的ZnTe膜可以放置为邻近CdTe层，第二简并掺杂铜的ZnTe膜可以放置在未掺杂的ZnTe膜的相对侧。采用前面的方法，不清楚将CdTe膜和ZnTe膜的VBM进行匹配起到什么作用，以及铜掺杂剂起到什么作用。在任何情况下，使用ZnTe都不会提高采用如上所述其它接触的器件的光伏功率转换效率。
两性分子也可以用在界面处，从而通过在表面上或者在界面处产生偶极层来改变半导体器件的电学性能。例如，参见H.Haick、M.Avbrico、T.Ligonzo、R.Tung和D.Cahen于2006年第128期在美国化学会杂志的6854页-6869页的“Controlling Semioconductor/Metal Junction Barriers by Incomplete，NonidealMolecular Monolayers”(通过不完全的、非理想的分子单层来控制半导体/金属结势垒)以及David Cahen和共同作者G.Ashkenasy、D.Cahen、R.Cohen、A.Shanzer和A.Vilan于2002年第35期在化学研究评述的121页-128页的“Molecular Engineering of Semiconductor Surfaces and Devices”(半导体表面和器件的分子工程)。
应当注意，即使在不存在晶格失配的情况下，由于在电学性质不同的两种材料之间存在界面，所以可以使晶格的对称性变形，从而由于在异质结配对的原子之间的化学键的本质上差异而导致在界面处形成偶极层。
以前的方法不包括使用高功函数的p型TCO来处理半导体层，部分是由于难以生产具有足够高导电性和透光性以起到与n型TCO在其它半导体器件中所起的作用相当的作用的p型TCO。
因此，第一半导体层和第二半导体层之间、或者半导体层和金属层之间的界面对器件性能有明显的影响。此外，具有半导体层，例如包括CdTe的半导体层的整流结和低电阻率结可以包括被设计为改进器件的电学性能的薄膜界面层。可以通过湿化学、溅射蚀刻和溅射沉积、电子束蒸镀然后热退火、化学浴沉积或者原子层沉积方法来沉积界面层。
改进的光伏器件可以包括解决在半导体层(例如，CdTe层)与高功函数或宽带隙半导体之间的界面处的半导体(例如，Cd)的化学势的界面层。而以前的器件具体地意图通过重掺杂或者通过降低Cd的化学势来诱导p型电极附近的p+区域或者空穴收集体，改进的光伏器件可以具体地将半导体(例如，Cd)的高化学势保持为使得Cd空位的形成和它们的相关缺陷复杂性最小化。要求保护的器件通过采用界面改性以及将界面处和界面附近的稳态电化学势控制在适于实现高功率转换效率的光伏器件的能级来改进界面处的电学性质。
通常，pn光伏器件包括基底上的透明导电层、包括宽带隙半导体的第一半导体层、第二半导体层和与第二半导体层接触的界面层，其中，界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级。
界面层可以位于第二半导体层和背面金属接触之间。第一宽带隙半导体可以为CdS、SnO2、CdO、ZnO、ZnSe、GaN、In2O3、CdSnO4、ZnS或CdZnS，所述半导体可以为纯的或者用选择的元素掺杂以实现优化的电学性质或光学性质。界面层可以为包括宽带隙半导体的第三半导体层。界面层可以为ZnTe、CdZnTe、CuAlS2、CuAlSe2、CuAlTe2、CuAlO2、CuGaO2或CuInO2，这些半导体中的任何一种可以被掺杂或者未被掺杂。
关于CdTe光伏器件中的界面，例如，Te容易与大多数金属M键合形成M-Te键，M-Te键从而可以减少可用来形成Cd-Te键的电子。因此，在CdTe-金属界面附近的“弱键合的”Cd原子向着CdTe层的表面运动，并且作为将费米能级固定在位于价带顶以上大约1eV的施主。为了有助于CdTe键合地将M-Te键合最小化，本领域技术人员可以在空穴收集体界面附近p型重掺杂CdTe。按照这种方式，可以采用V族元素(例如，N、P、As或Sb)来形成Cd键，这些元素可以用作体(bulk)CdTe中的p型掺杂剂。用N或者其它V族元素掺杂CdTe界面是产生重掺杂(即，p+)的、与CdTe层邻近的界面层的物理极限，但是界面掺杂本身不足以确保稳定的高功率转换效率。如从本说明书中可知，考虑界面掺杂对界面附近的半导体材料的缺陷化学的影响也是必要的。作为功率转换器件，光伏器件在与平衡条件相反的光照和偏置的稳态条件下进行操作，因此用于产生稳定的、高功率转换效率的相关缺陷化学是在区域中发生光照和偏置的条件。因此，目标器件的界面层在CdTe层的界面处以及在CdTe界面附近的区域内控制稳态化学势，从而优化光照和偏置条件下的器件性能。
参照图1，光伏器件10可以包括位于基底130上的透明导电层140、包括宽带隙的半导体103的第一半导体层102、第二半导体层100和与第二半导体层接触的界面层160。界面层可以位于第二半导体层和背面金属接触150之间。界面层在厚度上可以为亚单层。
参照图2，用于产生电能的系统200可以包括光伏器件20，光伏器件20具有位于基底230上的透明导电层240、包括宽带隙半导体203的第一半导体层202、第二半导体层200以及与第二半导体层接触的界面层260。在第二半导体层的界面区域中，界面层可以将第二半导体层的化学势保持在受控级。界面层可以位于第二半导体层和背面金属接触250之间。系统还可以包括连接到透明导电层的第一电极280b和连接到背面金属接触的第二电极280a。
参照图3，光伏器件30可以包括位于基底330上的透明导电层340、包括宽带隙半导体303的第一半导体层302、第二半导体层300以及与第二半导体层接触的界面层360。在第二半导体层的界面区域中，界面层可以将第二半导体层的化学势保持在受控级。光伏器件还可以包括位于第二半导体层上的背面金属接触350。
参照图4，光伏器件40可以包括位于基底430上的透明导电层440、包括宽带隙半导体403的第一半导体层402、第二半导体层400、第一界面层460a、第二界面层406b以及背面金属接触450。第一界面层460a可以与第二半导体层接触，位于第二半导体层和背面金属接触之间。第二界面层460b可以与第二半导体层接触，位于第二半导体层和第一半导体层之间。在第二半导体层的界面区域中，第一界面层和第二界面层可以将第二半导体层的化学势保持在受控级。
参照图5A，光伏器件可以包括位于基底530上的透明导电层540、包括宽带隙半导体的第一半导体层501、包括宽带隙半导体的第二半导体层502、包括宽带隙半导体层的第三半导体层503。第一界面层560a可以与第二半导体层502接触，位于第二半导体层和第三半导体层503之间。
参照图5B，光伏器件可以包括位于基底530上的透明导电层540、包括宽带隙半导体的第一半导体层501、包括宽带隙半导体的第二半导体层502、包括宽带隙半导体层的第三半导体层503。第一界面层560a可以与第二半导体层502接触，位于第二半导体层和第一半导体层501之间。
参照图5C，光伏器件可以包括位于基底530上的透明导电层540、包括宽带隙半导体的第一半导体层501、包括宽带隙半导体的第二半导体层502以及包括宽带隙半导体层的第三半导体层503。第一界面层560a可以接触第二半导体层502，位于第二半导体层和第三半导体层503之间。另一界面层560b可以接触第二半导体层502，位于第二半导体层和第一半导体层501之间。
第一半导体层可以包括宽带隙半导体。宽带隙半导体具有大于2.4eV的带隙，并且例如可以为n型半导体，例如，CdS、SnO2、CdO、ZnO、ZnSe、GaN、In2O3、CdSnO4、ZnS或CdZnS。宽带隙半导体可以被选择为在CdTe的导带底和宽带隙半导体的导带底之间具有最小的或者轻微的正偏移。
界面层可以位于半导体层和背面金属接触之间。界面层可以包括GeTe、CdTe:P、CdTe:N、NiAs或NbP。界面层可以包含p型半导体例如ZnTe、CdZnTe、CuAlS2、CuAlSe2、CuAlTe2、CuAlO2、CuGaO2或CuInO2。更通常地，界面层可以为具有化学式ABO2的材料，其中，A是Cu、Ag、Au、Pt或Pd，B是三价金属离子Al、In、Cr、Co、Fe、Ga、Ti、Co、Ni、Cs、Rh、Sn、Y、La、Pr、Nd、Sm或Eu或者它们的掺杂组成物中的一种。可选地，界面层可以具有化学组成CuAlX2或者它们的掺杂组成物，其中，X是O、S、Se或Te。在界面处以及与界面邻近的区域中，界面层可以在光照和偏置的稳态条件下将镉的化学势保持在受控级。
第二半导体层可以包含镉。第二半导体层可以包含CdTe。第二半导体层的厚度可以为2微米或者更薄。第二半导体层的厚度可以为1微米或者更薄。
第一半导体层可以包括III-V族化合物或者它们的合金。III-V族化合物可以为具有化学式XY的材料，其中，X选自于包括硼、铝、镓、铟和铊的组，Y选自于包括氮、磷、砷、锑和铋的组。例如，III-V族化合物可以为镓氮化物。镓氮化物可以为氮化镓铝。
第二半导体层可以包含II-VI族化合物或者它们的合金。II-VI族化合物可以为具有化学式X’Y’的材料，其中，X’选自于包括锌、镉、镁、锰和汞的组，Y’选自于包括氧、硫、硒、碲和钋的组。例如，II-VI族化合物可以为镉碲化物。
异质结可以形成在II-VI族化合物与III-V族化合物之间。界面层可以形成整流结，例如，位于II-VI族化合物与III-V族化合物之间的整流异质结。
界面层可以包括氧化物或者它们的掺杂的组合物。例如，氧化物可以为氧化锌。氧化物可以为氧化汞。氧化物可以为氧化锡。氧化物可以为掺杂的氧化锡。掺杂的氧化锡可以为掺锌氧化锡。掺杂的氧化锡可以为掺镉氧化锡。氧化物可以为掺杂的氧化锌。例如，氧化物可以为氧化镉锌、氧化铜、氧化铁、氧化镁、氧化镍、氧化钯、氧化银、氧化锶、氧化钛、氧化钒。
光伏器件还可以包括连接到透明导电层的第一电极以及连接到背面金属接触的第二电极。对于能量在1eV和3eV之间的光，第一电极可以基本上透明，对于能量在第二半导体的带隙之下(例如，位于1eV和1.8eV之间)的光，第二电极可以在很大程度上透明。
制造光伏器件的方法可以包括：在基底上沉积第一半导体层，第一半导体层包括宽带隙半导体；在第一半导体层上方沉积第二半导体层；沉积与第二半导体层接触的界面层。在第二半导体层的界面区域中，界面层可以将第二半导体层的化学势保持在受控级。界面层可以位于第二半导体层和背面金属接触之间。界面层可以位于第二半导体层和第一半导体层之间。
一种方法可以包括沉积可以保持镉的化学势的界面层。可以通过溅射来沉积界面层。可以通过原子层沉积来沉积界面层。可以通过选择性的离子层吸收和反应沉积来沉积界面层。
一种用于产生电能的系统可以包括位于基底上的透明导电层、包括宽带隙半导体的第一半导体层、第二半导体层、与第二半导体层接触的界面层。在第二半导体层、连接到透明导电层的第一电连接件、连接到背面金属接触的第二电连接件的界面区域中，界面层可以将第二半导体层的化学势保持在受控级。界面层可以位于第二半导体层和背面金属接触之间。
一种用于产生电能的系统可以包括连接到透明导电层的第一电极和连接到背面金属接触的第二电极。对于能量在1eV和3eV之间的光来说，第一电极可以基本上透明；对于能量在第二半导体的带隙之下的光来说，第二电极可以在很大程度上透明。一种用于产生电能的系统可以包括串联定位的两个或者两个以上的光伏器件。
界面层可以位于半导体层的一侧上，或者位于半导体层的两侧上。例如，半导体层可以包括CdTe或者CdTe与Zn、Hg、Mn或Mg的合金。可以通过利用高功函数的材料或者通过本领域通用的其它已知方式来实现半导体层和金属接触之间或者半导体层和另一半导体之间的低电阻空穴传输。
在一个示例中，光伏器件可以具有下面的pn结构：
示例1
 金属电极   Cr
 界面层：包括p型半导体   CdxZn1-xTe或CdTe:N或CuAlO2
 第二半导体层   CdTe
 界面层：包括n型半导体   CdS
 第一半导体层：包括宽带隙的n型半导体   SnO2或SnO2:Zn或SnO2:Cd
 透明导电层   SnO2:F、ITO或Cd2SnO4
 基底   平面玻璃片
在第二示例中，光伏器件可以具有与第二半导体层接触的第三半导体层。
示例2
 金属电极   Cr
 第三半导体层：包括宽带隙的p型半导体   ZnTe或CdxZn1-xTe或CuAlO2
 界面层：包括p型半导体   CdTe:N
 第二半导体层   CdTe
 界面层：包括n型半导体   CdS
 第一半导体层：包括宽带隙的n型半导体   SnO2或SnO2:Zn、SnO2:Cd
 透明导电层   SnO2:F、ITO或Cd2SnO4
 基底   平面玻璃片
光伏电池可以具有多个层。多个层可以包括底层、覆盖层、窗口层、吸收层和顶层，其中，底层可以为透明导电层。可以根据需要在每个沉积位置用单独的沉积气体供应和真空密封的沉积室在生产线上的不同沉积位置来沉积每个层。可以通过滚动传送器将基底从一个沉积位置传送到另一个沉积位置，直到沉积完所有期望的层。可以采用其它技术例如溅射来添加其它的层。电导体可以分别连接到顶层和底层，以收集当太阳能入射到吸收层上时产生的电能。顶基底层可以放置在顶层的顶部上，从而形成夹心结构并且完成光伏电池。
底层可以为透明导电层，并且可以为例如透明导电氧化物，所述透明导电氧化物例如为氧化锡或者用氟掺杂的氧化锡。
光伏电池的底层可以为透明导电层。薄的覆盖层可以位于透明导电层的顶部上并且至少部分地覆盖透明导电层。沉积的下一层可以为第一导电层，第一导电层可以作为窗口层并且可以根据透明导电层和覆盖层的使用而较薄。沉积的下一层可以为第二半导体层，第二半导体层作为吸收层。可以沉积其它层，例如，包括掺杂剂的层，或者可以将其它层根据需要通过制造工艺放置在基底上。
透明导电层可以为透明导电氧化物，例如，氧化锡之类的金属氧化物，可以用例如Zn或Cd来掺杂这样的金属氧化物。这一层可以沉积在前接触和第一半导体层之间，并且可以具有足够高的电阻率以降低针孔在第一半导体层中的影响。第一半导体层中的针孔会导致在第二半导体层和第一接触之间形成分流，从而导致在针孔周围的局部区域上形成漏端。这种路径的电阻的轻微增加可以急剧地减少分流所影响的区域。
第一半导体层可以作为第二半导体层的窗口层。第一半导体层可以比第二半导体层薄。由于第一半导体层比第二半导体层薄，所以第一半导体层可以允许更短波长的入射光更大程度地透射到第二半导体层。
已经描述了几个实施例。然而，应该理解，在不脱离所要求保护的器件的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，半导体层可以包含各种其它材料，比如可以包含用于缓冲层和覆盖层的材料。因此，其它实施例也在权利要求的范围内。

Claims (28)

1.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
透明导电层，位于基底上方；
第一半导体层，包括宽带隙半导体；
第二半导体层，具有第一表面和第二表面；
第一界面层，与第二半导体层的第一表面接触，所述第一界面层包括与宽带隙半导体的类型相同类型的半导体；
第二界面层，与第二半导体层的第二表面接触，第二界面层包括与第一界面层的类型相反类型的半导体；
背面金属接触，
其中，第一界面层位于第一半导体层和第二半导体层之间，第二界面层位于第二半导体层和背面金属接触之间；
其中，第一界面层和第二界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，第二半导体层包含CdTe。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，第二半导体层包括CdTe的合金。
4.根据权利要求2所述的器件，其中，第二半导体层包括CdTe合金，其中，Cd至少部分地被Zn、Hg、Mg或Mn代替。
5.根据权利要求2所述的器件，其中，第二半导体层包括CdTe合金，其中，Te至少部分地被S、Se或O代替。
6.根据权利要求2所述的器件，其中，所述化学势为Cd的化学势。
7.根据权利要求1所述的器件，其中，第一界面层和第二界面层中的至少一个在第二半导体层的界面区域内将第二半导体层的化学势保持在受控级。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一界面层和第二界面层中的至少一个为第三半导体层。
9.根据权利要求1所述的器件，其中，用于形成光伏器件的材料包括ZnTe、CdZnTe、CuAlS2、CuAlSe2、CuAlO2、CuGaO2或CuInO2。
10.根据权利要求1所述的器件，其中，第一界面层和第二界面层中的至少一个的界面材料包括GeTe、CdTe:P、CdTe:N、NiAs或NbP。
11.根据权利要求2所述的器件，其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一个包括Cd与周期表第五主族的元素之间的化学键。
12.根据权利要求11所述的器件，其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一个包括Cd与N、P、As和Sb之间的化学键。
13.根据权利要求1所述的器件，其中，第一半导体层是SnO2、SnO2:Zn、SnO2:Cd、ZnO、ZnSe、GaN、In2O3、CdSnO3、ZnS或CdZnS。
14.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一界面层和所述第二界面层中的至少一个是Cd与包括O、S或Se的硫族元素中的任何一种的化合物。
15.根据权利要求1所述的器件，其中，所述第一界面层和所述第二界面层中的至少一个包括CdS。
16.根据权利要求2所述的器件，其中，所述表面包括Te与周期表第三主族中的任何元素之间的化学键。
17.根据权利要求16所述的器件，其中，所述表面包括Te与B、Al、Ga、In或Tl之间的化学键。
18.根据权利要求1所述的器件，其中，所述界面层是具有化学式ABO2的材料或者它们的掺杂组成物中的一种，其中，A是Cu、Ag、Au、Pt或Pd，B是三价金属离子Al、In、Cr、Co、Fe、Ga、Ti、Co、Ni、Cs、Rh、Sn、Y、La、Pr、Nd、Sm或Eu。
19.根据权利要求1所述的器件，其中，第二半导体层小于2μm厚。
20.根据权利要求1所述的器件，其中，第二半导体层小于1μm厚。
21.一种制造光伏器件的方法，所述方法包括以下步骤：
在基底上沉积第一半导体层，第一半导体层包括宽带隙半导体；
在第一半导体层上方沉积第二半导体层，第二半导体层具有第一表面和第二表面；
沉积第一界面层，以与第二半导体层的第一表面接触，所述第一界面层包括与宽带隙半导体的类型相同类型的半导体；
沉积第二界面层，以与第二半导体层的第二表面接触，第二界面层包括与第一界面层的类型相反类型的半导体；
沉积背面金属接触；
其中，第一界面层位于第一半导体层和第二半导体层之间，第二界面层位于第二半导体层和背面金属接触之间；
其中，第一界面层和第二界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过溅射来沉积所述界面层。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，通过原子层沉积来沉积所述界面层。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，通过选择性离子层吸收和反应沉积来沉积所述界面层。
25.一种用于产生电能的系统，所述系统包括：
透明导电层，位于基底上方；
第一半导体层，包括宽带隙半导体；
第二半导体层，具有第一表面和第二表面；
第一界面层，与第二半导体层的第一表面接触，所述第一界面层包括与宽带隙半导体的类型相同类型的半导体；
第二界面层，与第二半导体层的第二表面接触，第二界面层包括与第一界面层的类型相反类型的半导体；
背面金属接触，
其中，第一界面层位于第一半导体层和第二半导体层之间，第二界面层位于第二半导体层和背面金属接触之间；
其中，第一界面层和第二界面层将第二半导体层的化学势保持在受控级；
第一电连接，连接到所述透明导电层；
第二电连接，连接到背面金属接触。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，用金属电极来代替所述透明导电层，用透明导电层电极来代替背面金属接触。
27.根据权利要求25所述的系统，还包括连接到所述透明导电层的第一电极和连接到所述背面金属接触的第二电极。
28.根据权利要求25所述的系统，其中，用所述透明导电层来代替所述背面金属接触，光伏器件与另一个光伏器件串联使用。
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