CN101853888A - 用于薄膜光伏器件的层和由其制成的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含层的光伏器件。所述层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。晶粒和晶粒间界可以为相同类型或相反类型。另外，在晶粒间界为n型时，晶粒间界的底部可以为p型。本发明还公开一种制备层的方法。

Description

用于薄膜光伏器件的层和由其制成的太阳能电池
技术领域
本发明一般涉及光伏器件领域。具体地讲，本发明涉及用于太阳能电池的层和由其制成的太阳能电池。
背景技术
在世界很多地区太阳能全年都很丰富。遗憾的是，可利用的太阳能一般不能有效地产生电。常规太阳能电池和由这些电池产生的电的成本一般很高。例如，一般太阳能电池达到小于20％转换效率。另外，太阳能电池一般包括在基片上形成的多个层，因此太阳能电池制造一般需要大量处理步骤。因此，大量处理步骤、层、界面和复杂性增加制造这些太阳能电池需要的时间和金钱量。
因此，仍需要低效和复杂太阳能转换器件和制造方法的长期问题的改善解决方法。
发明内容
在一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括层。所述层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括吸收层。吸收层包含碲化镉。吸收层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为p型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括窗层，其中窗层包含硫化镉。窗层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型，并且与晶粒中n型的有效掺杂剂浓度比较，晶粒间界具有更高n型活性掺杂剂浓度。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括层，其中层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒。晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂的量足以产生与层中晶粒类型相反类型的晶粒间界。同样，接近层底部区域的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域中的晶粒间界保持与晶粒类型相似的类型，同时与晶粒中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括吸收层，其中吸收层包含碲化镉。吸收层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒。晶粒为p型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型。同样，接近层底部区域的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域中的晶粒间界保持p型，同时与晶粒中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法。所述方法包括提供光伏器件中的层。所述层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒。晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
附图说明
通过阅读以下详述并参考附图，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中相似的数字代表相似的元件，其中：
图1显示光伏器件的示意图；
图2显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层；
图3显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层；
图4显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层；
图5显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层；
图6显示制造本发明的某些实施方案的图2所示光伏器件的层的方法的示意图；并且
图7显示制造本发明的某些实施方案的图5所示光伏器件的层的方法的示意图。
具体实施方式
在本领域已知的碲化镉(CdTe)基太阳能器件一般显示相对较低功率转换效率，这可归因于与物质带隙相关的较低开路电压(Voc)。这是由于CdTe中的有效载流子浓度太低。传统上，CdTe基器件的性能已由赋予CdTe体性质解释。然而，越来越有迹象表明，器件性能主要由晶粒间界的性质控制，因此，体性质只表现形成太阳能电池的整体薄膜的有效集合值。
本文所述本发明的实施方案解决目前发展水平的所提到缺点。本文所述器件利用掺杂方法满足上述需要，所述掺杂方法允许活性掺杂剂加到晶粒间界，晶粒间界产生具有控制晶粒间界掺杂的层，并因此得到更高Voc，从而提高器件效率。应理解，这些掺杂层实际在整个薄膜作为微型结(结形成于晶粒间界和晶粒之间)，并且改变如何能够改进这些器件的观念。
以下描述本发明的一个或多个具体实施方案。为了简明说明这些实施方案，实际实施方案的所有特征可能未全部在说明书中描述。应理解，在任何此类实际实施方案的研发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实施方案具体决定，以达到研发者的具体目标，如与系统相关和行业相关限制相符，这可从一个实施方案到另一个实施方案变化。另外，应理解，这种研发努力可能复杂而且耗时，但对本领域的技术人员而言仍为进行具有本公开益处的设计、装配和制造的例行程序。
在介绍本发明的不同实施方案的要素时，冠词“一”(a)、“一”(an)、“所述”(the)和“所述”(said)旨在意味有一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包含性，并且意味可有不同于所列要素的另外要素。另外，“顶部”、“底部”、“在...之上”、“在...之下”及这些术语的变型是为了方便使用的，除非另外说明，不需要任何具体元件定位。本文所用术语“布置于...上”或“沉积于...上”或“布置于...之间”是指直接与中间层接触和间接在其间具有中间层固定或布置。
如图1所示，在一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件100。器件100包括层，如一个或多个层110、112、114、116和118。所述层包括半导体物质，半导体物质包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
本文所用术语“活性掺杂剂”是指所用掺杂剂包含不同于含晶粒的物质的外来物质。可将外来物质认为是有意引入晶粒间界中的杂质。本领域的技术人员应理解，晶粒在晶粒间界包含内在制造缺陷，晶粒间界中的这些缺陷也可作为掺杂剂。然而，在本公开的情况下，不将这些缺陷认为是“活性掺杂剂”。如上提到，活性掺杂剂即为在晶粒间界中加入以活性掺杂晶粒间界的外来物质。层中的活性掺杂剂使晶粒间界为p型或n型。本文所用术语“活性掺杂剂浓度”是指由于层中存在的各种类型缺陷和有意引入杂质存在于层中的受体态和给体态两者为基础的层的所得掺杂浓度。在一个实施方案中，缺陷为基于制造方法的层所固有，而杂质可在本文讨论的制造过程中引入层中。另外，本文所用术语“有效掺杂剂浓度”是指由于层中存在的各种类型缺陷存在于层中的受体态和给体态两者为基础的层的所得掺杂浓度。
在一个实施方案中，晶粒间界中活性掺杂剂浓度足以使晶粒间界为与层中晶粒类型相反的类型。在一个实施方案中，晶粒为p型，晶粒间界为n型。在另一个实施方案中，晶粒为n型，晶粒间界为p型。或者，在一些实施方案中，晶粒和晶粒间界为相同类型(p或n)。
在一个实施方案中，层为吸收层116。一般在光照在太阳能电池100上时，吸收层116中的电子从较低能量“基态”(其中电子被约束到固体中的具体原子)激发到较高“激发态”(其中它们能够移动通过固体)。由于日光和人造光中的大部分能量在电磁辐射的可见范围，太阳能电池吸收剂应有效吸收那些波长的辐射。在一个实施方案中，吸收层116包含p型晶粒和n型晶粒间界。在另一个实施方案中，吸收层116包含n型晶粒和p型晶粒间界。在另一个实施方案中，吸收层116包含p型晶粒和p型晶粒间界。
在一个实施方案中，吸收层116包含碲化镉、碲化锌镉、碲化硫镉、碲化锰镉或碲化镁镉。CdTe是一种重要的多晶薄膜物质，这种物质具有约1.45电子伏特至约1.5电子伏特的近乎理想的带隙。CdTe也具有很高的吸收性。虽然CdTe最常在不成合金下用于光伏器件，但可与锌、镁、锰和几种其他元素形成合金，以改变其电子和光学性质。可用低成本技术制造CdTe的薄膜。在一个实施方案中，CdTe吸收层116一般可包含p型晶粒和n型晶粒间界。
在某些实施方案中，碲化镉可包含来自第II族和第VI族或第III族和第V族的可不产生大带隙位移的其他元素。在一个实施方案中，对于吸收层，带隙位移小于或等于约0.1电子伏特。在一个实施方案中，碲化镉中镉的％原子为约48％原子至约52％原子。在另一个实施方案中，碲化镉中碲的％原子为约45％原子至约55％原子。在一个实施方案中，所用碲化镉可包括富碲的碲化镉，如其中富碲的碲化镉中碲的％原子为约52％原子至约55％原子的物质。在一个实施方案中，碲化镉中锌或镁的％原子小于约10％原子。在另一个实施方案中，碲化镉中锌或镁的％原子为约8％原子。在另一个实施方案中，碲化镉中锌或镁的％原子为约6％原子。在一个实施方案中，CdTe吸收层116可包含p型晶粒和n型晶粒间界。
在一个实施方案中，层为窗层114。布置在吸收层116上的窗层114为器件100的成结层。吸收层116中的“自由”电子随机运动，因此一般不能有定向直流。然而，增加窗层114诱导内建电场，内建电场产生光伏效应。
适用于窗层114的物质包括例如硫化镉、碲化锌、硒化锌、硒化镉、氧化硫镉、氧化铜或其组合。在一些实施方案中，硫化镉中镉的％原子为约48％原子至约52％原子。在一个实施方案中，硫化镉中硫的％原子为约45％原子至约55％原子。
在某些实施方案中，窗层114包含n型晶粒和n型晶粒间界。窗层的n型掺杂晶粒间界可帮助电子传输到窗层顶上的触点上。
在具体实施方案中，吸收层116包含碲化镉，窗层114包含硫化镉，从而在这两层之间提供异质结界面。一般窗层114作为与p型吸收层形成pn结的n型窗层。
在一个实施方案中，层为后接触层118，该层根据总体系统结构将电流传入或传出器件110。一般后接触层118包括金属、半导体、其他适合导电物质或其组合。在一个实施方案中，后接触层118包括含p型晶粒和p型晶粒间界的半导体。p型晶粒间界帮助在后接触金属和p型半导体层之间传输载流子。在一些实施方案中，后接触层可包含一种或多种选自碲化锌(ZnTe)、碲化汞(HgTe)、碲化汞镉(CdHgTe)、碲化砷(As2Te3)、碲化锑(Sb2Te3)和碲化铜(CuxTe)的半导体。
在一个实施方案中，光伏器件100进一步包括基片110和在基片110上布置的前接触层112。在所示实施方案中，窗层114布置在前接触层112上。吸收层116布置在窗层114上。窗层114包含相对于吸收层半导体类型的相反半导体类型的物质。后接触层118布置在吸收层上，然后，为了改善电接触，可最后使金属层122布置在后接触层上。
由于光120从基片110进入，然后转入器件，因此，可将图1所示层的结构称为“顶片”(superstrate)结构。由于在此实施方案中基片层110与前接触层112接触，基片层110一般透明得足以使可见光通过基片层110，并与前接触层112接触。在所示结构中基片层110所用物质的适合实例包括玻璃或聚合物。在一个实施方案中，聚合物包括透明聚碳酸酯或聚酰亚胺。需要前接触层和后接触层将电流传出到外部负载并传回到器件中，因此完成电路。
在一个实施方案中，前接触层112包括透明导电氧化物，其实例包括氧化锡镉(Cd2SnO4)、氧化锡锌(ZnSnOx)、氧化锡铟(ITO)、铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)、氧化锌(ZnO)和/或氟掺杂的氧化锡(SnO:F)和这些的组合。在一些实施方案中，金属层可包括一种或多种第IB族金属或第IIIA族金属或其组合。第IB族金属的适合非限制实例包括铜(Cu)、银(Ag)和金(Au)。第IIIA族金属(例如低熔点金属)的适合非限制实例包括铟(In)、镓(Ga)和铝(Al)。可能适合的金属的其他实例包括钼和镍。在不同的实施方案中，窗层114、吸收层116和后接触层118分别包含一种或多种前面对这些元素所述的物质。在一个实施方案中，图1所示器件100为CdTe太阳能电池。在CdTe太阳能电池中，光在前侧进入通过基片110(例如，玻璃)，通过前接触层112(例如，透明导电氧化物(SnO:F))和窗层114(例如，CdS)，待由吸收层116(例如，CdTe)吸收，其中光产生电子-空穴对。如上讨论，一般窗层114作为与p型吸收层形成pn结的n型窗层。
在一个供选的实施方案中，“基片”结构构成一种光伏器件，其中在基片层上布置后接触层。另外，在后接触层上布置吸收层。然后在吸收层上布置窗层，在窗层上布置前接触层。在此基片结构中，基片层可包括玻璃、聚合物或金属箔。在一个实施方案中，可用于形成金属箔的金属包括不锈钢、钼、钛和铝。
如上提到，在一个实施方案中，层物质的晶粒间界为n型，如一个或多个层110、112、114、116和118。用于产生CdTe的n型晶粒间界的适合活性掺杂剂包括选自铝、镓、铟、碘、氯和溴的物质。如上提到，在一个实施方案中，层物质的晶粒间界为p型，例如，CdTe可形成为n型和p型半导体。用于产生p型晶粒间界的适合活性掺杂剂包括选自铜、金、银、钠、铋、硫、砷、磷和氮的物质。
如上提到，晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。在一个实施方案中，晶粒间界中活性掺杂剂浓度为约5x1016/立方厘米至约1019/立方厘米。在另一个实施方案中，晶粒间界中活性掺杂剂浓度为约5x1015/立方厘米至约1018/立方厘米。在另一个实施方案中，晶粒间界中活性掺杂剂浓度为约1015/立方厘米至约5x1017/立方厘米。在一个实施方案中，晶粒中有效掺杂剂浓度为约1016/立方厘米至约1018/立方厘米。在另一个实施方案中，晶粒中有效掺杂剂浓度为约1015/立方厘米至约1017/立方厘米。在另一个实施方案中，晶粒中有效掺杂剂浓度为约5x1014/立方厘米至约5x1016/立方厘米。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括吸收层。吸收层包含碲化镉。吸收层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为p型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型。参考图2，图2显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层200。在图2所述的实施方案中，层可包括用CdTe形成的吸收层210。吸收层包含p型晶粒212和n型晶粒间界214。在吸收层的一侧上布置n型窗层216。可用CdS形成n型层。
在另一个实施方案中，本发明提供一种光伏器件。所述器件包括窗层，其中窗层包含硫化镉。窗层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒，其中晶粒为n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型，并且与晶粒中n型的有效掺杂剂浓度比较，晶粒间界具有更高n型活性掺杂剂浓度。参考图3，图3显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层300。在图3所述的实施方案中，层可包括用CdS形成的窗层310。窗层包含n型晶粒312和n型晶粒间界314。在窗层的一侧上布置p型吸收层316。可用CdTe形成p型吸收层。参考图4，图4显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层400。在图4所述的实施方案中，层可包括用Cu形成的后接触层410。后接触层包含p型晶粒412和p型晶粒间界414。后接触层可布置在p型吸收层416上。可用CdTe形成p型吸收层。
本发明的另一个实施方案为一种光伏器件。所述器件包括层，其中层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒。晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂的量足以产生与层中晶粒类型相反类型的晶粒间界。同样，如以下图5中所述，接近层底部区域516的晶粒间界中的活性掺杂剂的量足以使底部区域中的晶粒间界保持与晶粒类型相似的类型，同时与晶粒中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。参考图5，图5显示根据本发明的某些实施方案的光伏器件的层500。在图5所述的实施方案中，层可包括用CdTe形成的吸收层510。吸收层包含p型晶粒512和n型晶粒间界514。接近层底部区域516的晶粒间界中的活性掺杂剂的量足以使底部区域516为p型，同时与晶粒512中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。在一个实施方案中，层的底部区域516更接近器件的后侧，其中后接触层520布置在器件的吸收层510上。后接触层520可以为用金属(例如铜)形成的p型。在吸收层的另一侧上布置n型窗层518。可用CdS形成n型窗层。
本发明的另一个实施方案为一种光伏器件。所述器件包括吸收层510，其中吸收层包含碲化镉。吸收层包含由晶粒间界514分隔的许多晶粒512。晶粒512为p型。晶粒间界514包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型。同样，接近层底部区域516的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域516中的晶粒间界514保持p型，同时与晶粒512中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。
本发明的另一个实施方案为一种光伏器件。所述器件包括吸收层510，其中吸收层包含碲化镉。吸收层包含由晶粒间界514分隔的许多晶粒512。晶粒512为n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为比晶粒512更小的n型或甚至p型，使得可沿着晶粒间界传输空穴。同样，接近层底部区域516的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域516中的晶粒间界保持n型，同时与晶粒512中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。
在某些实施方案中，沿着晶粒间界从顶部到底部的掺杂浓度从高浓度的一个类型(例如，在顶部n型)到高浓度的相反类型(例如，在顶部p型)分级。在另一个实施方案中，沿着晶粒间界的有效掺杂剂浓度在从层的一侧达到层的另一侧时从一个类型到另一个类型分级。在制造其中将活性掺杂剂从层的两侧驱入层的器件时，其中相反类型活性掺杂剂接触的区域可能产生有效分级区域。在沿着晶粒间界加入活性掺杂剂时，相反类型的活性掺杂剂可消除彼此的作用，这是一种自抵消，从而产生有效较低掺杂剂浓度。本领域的技术人员应理解，尽管在某个区域的活性掺杂剂浓度可能高于某另一个区域，但有效掺杂剂浓度可能更低。
本发明的另一个实施方案为制造上述器件的方法。所述方法包括提供光伏器件100中的层，如一个或多个层110、112、114、116和118。所述层包括半导体物质，半导体物质包含由晶粒间界分隔的许多晶粒。晶粒为p型或n型。晶粒间界包含活性掺杂剂。晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
在一个实施方案中，方法包括提供活性掺杂剂，并以使活性掺杂剂扩散进入晶粒间界并保持限制于其中的方式处理层。在不同的实施方案中，活性掺杂剂扩散进入晶粒间界可用本领域的技术人员已知的方法达到。
例如，可用多种方法制造CdTe器件，包括封闭空间升华、电化学沉积、化学浴沉积、蒸气传输沉积和其他物理或化学气相沉积。在一个实施方案中，掺杂剂从晶粒扩散进入晶粒间界可通过在要被掺杂的层的表面上施加活性掺杂剂的薄膜达到。薄膜可包含控制浓度的活性掺杂剂。然后，为了使掺杂物质结合到层中的晶格位置，可加热处理具有薄膜的层。例如，在一个实施方案中，可在CdTe沉积后，在CdTe器件的背侧沉积包含活性掺杂剂的金属薄膜。在将样品加热到约400℃温度时，活性掺杂剂沿着晶粒间界扩散，从而使晶粒间界内的缺陷钝化，并有效掺杂。
在另一个实施方案中，可在CdS层上沉积CdTe之前，使活性掺杂剂沉积在CdS层顶上的薄膜内。在沉积CdTe薄膜(一般在高温)期间，包含活性掺杂剂的薄膜完全溶解于CdTe薄膜内，从而活性掺杂CdTe薄膜的晶粒间界。在另一个实施方案中，活性掺杂剂可作为杂质加入CdS薄膜内。通过将活性掺杂剂物质加入化学浴溶液，从化学浴溶液沉积出CdS层，可实现在CdS薄膜中加入活性掺杂剂。沉积可通过化学浴沉积(CBD)或电化学沉积达到。在高温退火和沉积时，掺杂剂可从CdS薄膜渗出，并占据沿着CdTe器件晶粒间界的缺陷区域。
在一个实施方案中，通过在有助于活性掺杂剂在层中扩散的控制温度使要被掺杂的层暴露于含活性掺杂剂的反应介质，可达到扩散。在一个实施方案中，此反应介质可以为等离子介质。可使层暴露于等离子环境。可将含来自气态、液态或固态前体的活性掺杂剂的蒸气加入到等离子。然后可使前体离解形成各种基团，从而产生将与层表面作用的高“化学”反应介质，允许在表面上等离子化学作用，并导致活性掺杂剂沿着晶粒间界扩散。可使用低能或高能等离子两者，其中电子碰幢或离子-等离子化学作用将使前体离解。等离子为由携带足够用于送入等离子的前体离解的能量的电子和离子和激发原子或分子组成的高反应性介质。
如上讨论，在一个实施方案中，其中晶粒间界中活性掺杂剂浓度足以使晶粒间界为与层中晶粒类型相反类型的层为吸收层。同样，如上讨论，在其他实施方案中，晶粒间界中活性掺杂剂浓度足以产生与具有晶粒间界的层中晶粒相同类型的晶粒间界。
参考图6，图6显示制造本发明的某些实施方案的图2所示层的方法的示意图600。在一个实施方案中，在第一步骤，通过在吸收层614顶上布置活性掺杂剂层612，形成层610。吸收层包含晶粒616和晶粒间界618。晶粒为p型。然后使层退火620，以驱使活性掺杂剂进入晶粒间界，得到改性层622。改性层622包括具有消耗厚度的活性掺杂剂层和改性吸收层624。改性吸收层包含p型晶粒616和n型晶粒间界626。在一个实施方案中，吸收层包含CdTe。在一个实施方案中，活性掺杂剂层包括含活性掺杂剂的金属薄膜。
参考图7，图7显示制造本发明的某些实施方案的层的方法的示意图700。在一个实施方案中，在第一步骤，通过在吸收层714顶上布置活性掺杂剂层712，形成层710。在第二步骤，在吸收层的另一侧上布置p型层716。吸收层包含晶粒718和晶粒间界720。晶粒为p型。然后，使包括活性掺杂剂层、吸收层和p型层的所得层710退火722，以驱使活性掺杂剂进入晶粒间界，驱使p型进入晶粒间界的底部区域，得到改性层724。改性层包括活性掺杂剂层和具有消耗厚度的p型层及改性吸收层726。改性吸收层包含p型晶粒718和n型晶粒间界728，并且接近层底部区域的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使晶粒间界的底部区域为p型730，同时与吸收层晶粒中的有效掺杂剂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。在一个实施方案中，吸收层包含CdTe。在一个实施方案中，活性掺杂剂层包括含活性掺杂剂的金属薄膜。在一个实施方案中，p型层包含铜。在一个实施方案中，具有消耗厚度的p型层然后可作为后接触层。
一般将太阳能电池的效率定义为能够从模块提取的电功率除以入射在电池表面上太阳能的功率密度。用图1作为参照，入射光120在吸收层116中吸收前穿过基片110、前接触层112和窗层114，在此通过产生电子-空穴对使光能转化成电能。对于光伏器件有四个关键性能度量：(1)短路电流密度(JSC)是在零施加电压的电流密度，(2)开路电压(VOC)是在没有电流流动时阳极和阴极之间的电压。在VOC，所有电子和空穴在器件内复合。这确定能够从单电子-空穴对提取的功的上限。(3)填充因数(FF)等于能够在工作中提取的最大功率和在根据JSC和VOC评价下电池可能的最大功率的比率。能量转换效率(η)取决于器件的光传输效率和电转换效率，并且定义为：
η＝JSCVOCFF/RS
其中(4)PS为入射太阳能功率。公式所示关系为测定太阳能电池性能做了很好的工作。然而在分子中的三项不完全为独立因素，一般器件处理、物质或设计的具体改进可影响所有三个因素。
短路电流取决于反射损失、玻璃、TCO和CdS窗层的吸收损失以及电场进入CdTe吸收层的消耗深度。在p型CdTe电子情况下，在CdTe中的少数载流子寿命太短，以致于不能从器件的准中性区域大量贡献光电流，并且一般只有在消耗深度内产生的电子贡献光电流。进入CdTe层的一般消耗深度为约0.5微米至约2微米级，这取决于CdTe层的有效载流子浓度。在此区域外产生的电荷一般不贡献光电流。开路电压主要由CdTe层的有效载流子浓度决定。由于CdTe为重自补偿物质，该层的p型载流子浓度一般为约1x1014至约3x1014/立方厘米，使最大开路电压为约0.85伏，而对于具有1.45电子伏特范围带隙的物质的理论限度略高于1伏。本领域的技术人员应理解，此理论限度取决于载流子浓度。小面积CdTe器件的填充因数主要由电池中串联和并联电阻作用决定，归因于CdTe和金属物质功函数之间差异的这些类型电池背侧上的肖特基势垒可具有很大贡献。此肖特基势垒由这样的事实产生，据报告对于CdTe的电子亲和性为4.0和4.3电子伏特之间。由于CdTe在大多数电池设计中为p型物质，这导致功函数根据费米能级的精确位置为约5.0至约5.4电子伏特。由于不多金属具有高功函数，这可一般产生肖特基势垒。
如上讨论，CdTe层包含晶粒和晶粒间界。在常规器件中，晶粒一般为p型，晶粒间界薄且轻度掺杂，因此通常被晶粒中的p电荷消耗。由于在晶粒间界有产生的断路，因此，晶粒间界中的缺陷使从电池提取的电流减小。
在本领域已知的器件具有的层通常在性能模型中作为单晶层处理，尽管层为多晶。所述层包含由晶粒间界间隔的晶粒。然而，器件在晶粒间界中包含缺陷，这些缺陷抵消在晶粒中的掺杂浓度，从而产生1x1014至3x1014/立方厘米的较低有效掺杂浓度。(在此开始新的段落)
如上提到，晶粒间界薄且轻度掺杂，因此通常被晶粒中的p电荷消耗载流子。可如下解释消耗载流子。在两个半导体放在一起时，它们可相互作用，并且电场可扩展到彼此之中。此电场扩展在很大程度上取决于物质的掺杂浓度。扩展对于1015立方厘米电荷浓度可为约1微米，对1019立方厘米电荷浓度可为约5纳米。因此，如果不掺杂到很高水平，晶粒间界可能被完全耗尽电荷。如果晶粒间界在整个晶粒间界掺杂到不同水平，则晶粒间界中的电场强度可能随位置而不同。在晶粒间界不被活性掺杂，而只依赖通过缺陷掺杂时，晶粒间界在晶粒间界内的不同位置会有不同的掺杂浓度。这可导致一些区域为略微n型，一些区域为略微p型，因此使某些位置实际作为传输势垒。通过活性过度掺杂晶粒间界，可减小此势垒效应。例如，电子移动通过晶粒间界会经历显著阻抗。然而，如果晶粒间界适当用与晶粒中电荷类型相反类型的载流子掺杂，则可使电子较容易地通过。
如上讨论，一般CdTe薄膜倾向于具有由于p型晶粒和消耗的晶粒间界的较弱pn结。这导致较低Voc。通过活性掺杂晶粒间界，使得晶粒为p型，晶粒间界为n型，可使这种情况得到改善。因此，晶粒间界的活性掺杂可帮助在整个器件形成强pn结。引入活性掺杂剂不仅减少或钝化晶粒间界中的缺陷，而且帮助改善通过晶粒间界界面提取电流。因此，可对这些类型器件得到较高Voc。通过在器件中活性掺杂层的晶粒间界，可达到比目前达到更高的电压效率。例如，在考虑1017立方厘米范围的适当掺杂CdTe晶粒时，可赋予基于晶粒间界低有效掺杂水平的那些器件较低Voc。一般有两种类型内建电压，Voc一般由晶粒和晶粒间界之间的水平内建电压和例如CdS窗层和CdTe吸收层之间的产生于主p-n结的垂直内建电压决定。水平内建电压，取决于p型与n型物质中的费米能级差，有助于水平分离电子和空穴。垂直内建电压帮助载流子传输，这最终限定在Voc、Jsc和FF方面的器件性能。另外，也可有利使在CdTe层中的晶粒间界底部区域为p型。通过使底部区域为p型，可形成电子的势垒。在使晶粒间界为n型时，电子可移到晶粒间界。如果n型晶粒间界与后接触层直接接触，则电子可能漏到后触点，产生显著漏泄电流，漏泄电流降低Voc。通过在接近底部的晶粒间界加入p型掺杂剂，电子可不移到晶粒间界的底部区域。另外，使晶粒间界在底部比晶粒更为p型可帮助收集空穴。
对于CdTe器件，一般用CdS作为n型层。如果CdS层以1017/立方厘米掺杂，CdTe以2x1014/立方厘米p型掺杂，则此器件的理论VOC可计算为约850毫伏，而基于CdTe的带隙的理论限度为约1040毫伏。如上提到，本领域的技术人员应理解，此理论限度取决于载流子浓度。另一方面，如果现在结在CdTe层内的晶粒间界和晶粒之间，而不在CdS和CdTe之间，则观点可能不同。现在，较低Voc值可归因于1017/立方厘米p型晶粒与1015/立方厘米n型晶粒间界之间的差异。因此，如果晶粒间界的掺杂含量增加，则可增加Voc。
虽然本文已只说明和描述本发明的某些特征，但本领域的技术人员应想到很多修改和变化。因此，应了解，附加权利要求旨在覆盖落在本发明真实精神内的所有这些修改和变化。
要素清单
100 器件
110 基片
112 前接触层
114 窗层
116 吸收层
118 后接触层
120 光
200 光伏器件的层
210 吸收层
212 晶粒
214 晶粒间界
216 窗层
300 光伏器件的层
310 窗层
312 晶粒
314 晶粒间界
316 吸收层
400 光伏器件的层
410 后接触层
412 晶粒
414 晶粒间界
416 吸收层
500 光伏器件的层
510 吸收层
512 晶粒
514 晶粒间界
516 接近晶粒间界的底部区域
518 窗层
520 后接触层
600 方法
610 层
612 活性掺杂剂层
614 吸收层
616 晶粒
618 晶粒间界
620 退火
622 改性层
624 改性吸收层
626 晶粒间界
700 方法
710 层
712 活性掺杂剂层
714 吸收层
716 p型层
718 晶粒
720 晶粒间界
722 退火
724 改性层
726 改性吸收层
728 n型晶粒间界
730 晶粒间界的底部区域

Claims (10)

1.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
层，其中层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为p型或n型；
其中晶粒间界包含活性掺杂剂；并且
其中晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
2.权利要求1的光伏器件，其中晶粒间界中活性掺杂剂浓度足以使晶粒间界为与层中晶粒类型相反的类型。
3.权利要求2的光伏器件，其中层包括吸收层、窗层或后接触层。
4.权利要求1的光伏器件，其中晶粒间界中活性掺杂剂的量足以产生与具有晶粒间界的层中晶粒相同类型的晶粒间界。
5.权利要求5的光伏器件，其中层包括吸收层、窗层或后接触层。
6.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
吸收层，其中吸收层包含碲化镉；
其中吸收层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为p型；
其中晶粒间界包含活性掺杂剂；并且
其中活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型。
7.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
窗层，其中窗层包含硫化镉；
其中窗层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为n型；
其中晶粒间界包含活性掺杂剂；并且
其中活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型，并且与晶粒中n型的有效掺杂剂浓度比较，晶粒间界具有更高n型活性掺杂剂浓度。
8.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
层，其中层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为p型或n型；
其中晶粒间界包含活性掺杂剂；
其中晶粒间界中活性掺杂剂的量足以产生与层中晶粒类型相反类型的晶粒间界；并且
其中接近层底部区域的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域中的晶粒间界保持与晶粒类型相似的类型，同时与晶粒中的有效掺杂剂浓度比较，在晶粒间界中具有更高活性掺杂剂浓度。
9.一种光伏器件，所述光伏器件包括：
吸收层，其中吸收层包含碲化镉；
其中吸收层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为p型；
其中晶粒间界包含活性掺杂剂；
其中活性掺杂剂的量足以使晶粒间界为n型；并且
其中接近层底部区域的晶粒间界中活性掺杂剂的量足以使底部区域中的晶粒间界保持p型，同时与晶粒中的有效掺杂浓度比较，具有更高活性掺杂剂浓度。
10.一种方法，所述方法包括：
提供光伏器件中的层，其中层包含由晶粒间界分隔的许多晶粒；
其中晶粒为p型或n型，其中晶粒间界包含活性掺杂剂；并且
其中晶粒间界中活性掺杂剂浓度高于晶粒中的有效掺杂剂浓度。
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