CN102956651B - 覆板太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
制造太阳能电池的方法包括：在衬底上方形成前接触层，前接触层在特定波长下是光学透明的且是导电的；穿过前接触层划割第一划片区以暴露一部分衬底；在前接触层和第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；在缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层；以及在吸收层上方形成导电的后接触层。本发明提供一种覆板太阳能电池。
Description
技术领域
一般而言，本发明涉及太阳能电池，更具体而言，涉及覆板(superstrate)太阳能电池。
背景技术
太阳能电池包括p型掺杂的吸收层和n型掺杂的缓冲层。对于一些覆板太阳能电池，在形成缓冲层(例如，CdS)之后在高温下沉积吸收层。然而，在高温下沉积吸收层期间在缓冲层和吸收层之间存在元素的交叉扩散。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种制造太阳能电池的方法，包括：在衬底上方形成前接触层，其中所述前接触层在特定波长下是光学透明的且是导电的；穿过所述前接触层划割第一划片区以暴露一部分所述衬底；在所述前接触层和所述第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；在所述缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层；以及在所述吸收层上方形成导电的后接触层。
在上述方法中，其中，通过机械划片或者激光划片形成所述第一划片区。
在上述方法中，进一步包括：穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层。
在上述方法中，进一步包括穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层，其中，用所述后接触层填充所述第二划片区。
在上述方法中，进一步包括穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层，其中，用所述后接触层填充所述第二划片区，且所述方法进一步包括：穿过所述后接触层、所述吸收层、和所述缓冲层划割第三划片区以暴露一部分所述前接触层。
在上述方法中，其中，形成所述吸收层包括：沉积前体金属层；以及应用快速热处理。
在上述方法中，其中，形成所述吸收层包括：沉积前体金属层；以及应用快速热处理，且所述方法进一步包括蒸发化学元素Se。
在上述方法中，其中，形成所述吸收层包括沉积前体金属层，以及应用快速热处理，其中，在约400～600℃的温度下实施所述快速热处理，持续约30分钟以下的时间。
在上述方法中，其中，形成所述吸收层包括沉积前体金属层，以及应用快速热处理，其中，所述前体金属层包含Cu、In、Ga、Se、或者其任意组合。
根据本发明的另一方面，还提供了一种太阳能电池，包括：衬底；前接触层，被设置在所述衬底上方；缓冲层，掺杂有n型掺杂剂，被设置在所述前接触层上方；吸收层，掺杂有p型掺杂剂，被设置在所述缓冲层上方；后接触层，是导电的并被设置在所述吸收层上方；第一划片区，垂直分开所述前接触层，所述第一划片区被所述缓冲层和所述吸收层填充，其中，所述前接触层在特定波长下是光学透明的，且是导电的。
在上述太阳能电池中，进一步包括第二划片区，所述第二划片区垂直分开所述缓冲层和所述吸收层。
在上述太阳能电池中，进一步包括第二划片区，所述第二划片区垂直分开所述缓冲层和所述吸收层，其中，所述第二划片区被所述后接触层填充。
在上述太阳能电池中，进一步包括第二划片区，所述第二划片区垂直分开所述缓冲层和所述吸收层，其中，所述第二划片区被所述后接触层填充，所述太阳能电池进一步包括第三划片区，所述第三划片区垂直分开所述缓冲层、所述吸收层、和所述后接触层。
在上述太阳能电池中，其中，衬底包含玻璃或者聚酰亚胺。
在上述太阳能电池中，其中，所述前接触层包括透明导电氧化物(TCO)。
在上述太阳能电池中，其中，所述缓冲层包含CdS、InxSey、In(OH)xSy、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnS(O，OH)、ZnIn2Se4、ZnMgO、或者其任意组合。
在上述太阳能电池中，其中，所述吸收层包含CuInSe2、CuGaTe2、Cu2Ga4Te7、CuInTe2、CuInGaSe2、CuInGaSeS2、CuInAlSe2、CuInAlSeS2、CuGaSe2、CuAlSnSe4、ZnIn2Te4、CdGeP2、ZnSnP2、或者其任意组合。
在上述太阳能电池中，其中所述后接触层包含Mo、Pt、Au、Cu、Cr、Al、Ca、Ag、或者其任意组合。
根据本发明的又一方面，还提供了一种制造太阳能电池的方法，包括：在衬底上方形成前接触层，其中所述前接触层在特定波长下是光学透明的，且是导电的；穿过所述前接触层划割第一划片区以暴露一部分所述衬底；在所述前接触层和所述第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；在所述缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层；穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层；在所述吸收层和所述第二划片区的上方形成导电的后接触层；以及穿过所述后接触层、所述吸收层、和所述缓冲层划割第三划片区以暴露一部分所述前接触层。
在上述方法中，其中形成所述吸收层包括：沉积前体金属层，所述前体金属层包括Cu、In、Ga、Se、或者其任意组合；蒸发Se；以及应用快速热处理。
附图说明
现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1是根据一些实施例的示例性覆板太阳能电池模块的示意图；
图2A至图2H是根据一些实施例的图1的示例性覆板太阳能电池在各个制造阶段时的示意图；以及
图3是根据一些实施例的制造图1中的示例性覆板太阳能电池的方法的流程图。
具体实施方式
在下面详细讨论实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用的示例性具体方式，而不用于限制本发明的范围。
另外，本发明可能在各个实例中重复参考数字和/或字母。这种重复只是为了简明和清楚的目的，且其本身并不指定各个实施例和/或所讨论的结构之间的关系。而且，在下面的本发明中一个部件在另一个部件上、连接于和/或联接于另一个部件的形成可以包括其中部件以直接接触形成的实施例，并且也可以包括其中介入部件之间可以形成额外的部件，使得部件不直接接触的实施例。另外，空间相对位置的术语，例如“下方”、“上方”、“水平”、“垂直”、“在...之上”、“在...之下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)是用于简化本发明中一个部件和另一个部件的关系。这些空间相对位置术语意在涵盖包括这些部件的器件的不同方位。
图1是根据一些实施例的示例性覆板太阳能电池的示意图。覆板太阳能电池模块100包括衬底102(例如，玻璃)、前接触层104(例如，透明导电氧化物，TCO)、缓冲层106(例如，CdS)、吸收层108(例如，铜铟镓硒，CIGS)、以及后接触层110(例如，Mo)。将正节点120连接于前接触层104，而将负节点122连接于后接触层110进行电连接。
衬底102容许特定波长下的光穿过，从而由太阳能电池100生成电力。在一些实施例中，衬底102包含玻璃(例如，钠钙玻璃)、挠性聚酰亚胺、或者任何其他合适的材料，并且在一些实施例中具有约0.1～3mm的厚度。
第一划片区112垂直分开前接触层104。采用划片工艺(例如，机械划片或者激光划片)形成第一划片区112，以限定有源区118和互连区119。第一划片区112被缓冲层106和吸收层108填充。第二划片区114垂直分开缓冲层106和吸收层108。采用划片工艺(例如，机械划片或者激光划片)形成第二划片区114以限定用于在前接触层104和后接触层110之间互连的电通路。第二划片区114被后接触层110填充。
第三划片区116垂直分开缓冲层106、吸收层108和后接触层110。采用划片工艺(例如，机械划片或者激光划片)形成第三划片区116，以在相邻的电池之间提供隔离。在一些实施例中，第一划片区112和第二划片区114具有的宽度为约45～85μm，而第三划片区116具有的宽度为约48～68μm。划片工艺推进了覆板太阳能电池的制造流程。
前接触层104是在特定(目标)波长下为光学透明的且导电的薄膜。在一些实施例中，前接触层104包含TCO，如SnO2、In2O3:Sn(ITO)、In2O2:Ga、In2O3:F、Cd2SnO4(CTO)、Zn2SnO4、氟掺杂的氧化锡(FTO)、掺杂有III族元素的氧化锌(ZnO)如铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al，AZO)、或者铟掺杂的氧化镉。在一些实施例中为了降低串联电阻可以在TCO的顶部上沉积窄线金属栅格(Ni-Al)。
在一些实施例中，TCO具有约0.25～1.5μm的厚度。TCO掺杂有n型掺杂剂，但一些TCO可以掺杂有p型掺杂剂。前接触层104也可以包括使用碳纳米管网络和/或石墨烯连同高分子如聚(3，4-乙烯二氧噻吩)或其衍生物的网络的有机膜，可以将碳纳米管网络和/或石墨烯制造成对红外光高度透明。
缓冲层106可以包含CdS、InxSey、In(OH)xSy、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnS(O，OH)、ZnIn2Se4、ZnMgO、其任意组合、或者任何其他合适的材料，并掺杂有n型掺杂剂。在一些实施例中，缓冲层106具有约0.01～0.1μm的厚度。
缓冲层106(例如，CdS层)有助于太阳能电池器件的能带对准，建立耗尽层以降低隧道效应，并形成容许更高的开路电压(Voc)值的更高接触电位。在一些实施例中，缓冲层106包括多层，例如由通过蒸发或者CBD任一制备的较薄的高电阻层和掺杂有2％In或者Ga的较厚的低电阻层组成的CdS双层。
吸收层108是p型层，并可以包含元素周期表中的(I、III、VI)族元素如(Cu、Ag、Au|Al、Ga、In|S、Se、Te)的组合，包括CIGS，或者任何其他合适的材料。I-III-VI2半导体，如铜铟硒(CIS)或者CIGS，由于它们的晶体结构而被称为黄铜矿。以各种各样的组分制备这些材料。为了制作太阳能电池，可以使用略微缺Cu的p型导电性的组分作为吸收层108。
在一些实施例中，吸收层108包含CuInSe2、CuGaTe2、Cu2Ga4Te7、CuInTe2、CuInGaSe2、CuInGaSeS2、CuInAlSe2、CuInAlSeS2、CuGaSe2、CuAlSnSe4、ZnIn2Te4、CdGeP2、ZnSnP2、其任意组合、或者任何其他合适的材料。在一些实施例中，吸收层108具有约0.1～4μm的厚度。在一些实施例中，吸收层108可以包括具有不同水平的掺杂有p型掺杂剂的掺杂剂的多层。
在一些实施例中，导电的后接触层110可以包含Mo、Pt、Au、Cu、Cr、Al、Ca、Ag、其任意组合、或者任何其他合适的材料，并具有约0.5～1.5μm的厚度。例如，作为后接触层110的Mo(钼)在加工期间表现出相对良好的稳定性、不与Cu和In形成合金、以及与吸收层108的低接触电阻。Mo的电阻率的典型值是约5×10-5Ωcm或者更小。
覆板太阳能电池100可以用在串联结构或者多结太阳能电池结构中，在该结构中，覆板太阳能电池充当光源的较短波长部分的顶电池起作用。覆板太阳能电池的玻璃衬底不仅作为支撑物，也作为封装的一部分，从而与基板太阳能电池相比降低模块成本。
与覆板太阳能电池100相比，基板太阳能电池的封装需要额外的玻璃来保护结构对抗环境条件和物理影响，并且使用透明/防UV的封装剂或者灌封剂(pottant)，如乙烯醋酸乙烯酯(EVA)。就长期风化稳定性而言，当发生光化学或者光热降解时，常规EVA灌封剂出现从黄色到褐色的变色。图1中的覆板太阳能电池不需要额外的封装，引发更少的EVA封装包装件可靠性问题，从而使更低成本的制造成为可能。
图2A至图2H是根据一些实施例的图1中的覆板太阳能电池在各个制造步骤中的示意图。在图2A中，示出加入其他层之前的衬底102。在图2B中，在衬底102上方形成前接触层104。在一个实例中，RF-溅射Al掺杂的ZnO以形成前接触层104。在另一个实例中，通过RF磁控溅射和电沉积形成用于前接触层104的本征氧化锌(i-ZnO)和AZO的组合。
在图2C中，例如采用激光划片或者机械划片工艺，划片穿透前接触层104的第一划片区112(在该步骤中为开口)。第一划片区112暴露了一部分的衬底102，并垂直分开前接触层104。第一划片区112限定图1中的有源区118和互连区119。(随后第一划片区112被图2D和图2E中的缓冲层106和吸收层108填充。)
在图2D中，在前接触层104和衬底102的第一划片区112的上方形成缓冲层106。可以通过化学浴沉积(CBD)、分子束外延(MBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、原子层CVD(ALCVD)、物理汽相沉积(PVD)、蒸发、溅射、离子层气相反应(ILGAR)、超声喷雾(US)、或者任何其他合适的工艺沉积缓冲层106。
在图2E中，在缓冲层106和第一划片区112的上方形成吸收层108。可以使用各种薄膜沉积方法沉积吸收层108，如Cu(In，Ga)Se2。在一种制造方法中，使用两步骤工艺，使金属的输送与反应分离开以形成用于吸收层108的器件质量膜。第一步骤是沉积前体材料，例如通过使用二元(Cu-Ga、Cu-Se、Ga-Se、In-Se)、三元(Cu-In-Ga、Cu-In-Al、Cu-In-Se)、或者四元(Cu-In-Ga-Se、Cu-Al-In-Se)靶溅射来实施。
第二步骤是硒化，例如通过蒸发或者溅射Se，以及在受控的反应或者惰性气氛(例如，Ar或者N2)中热退火经由硫属化(chalcogenization)反应(即硒化堆叠的金属或者前体合金层)进行最佳化合物CIGS的形成。在一些实施例中硒化可以包括在第一步骤中，而第二步骤可以是热退火。在第二步骤的一个示例性工艺中，应用快速热处理(RTP)，RTP提供前体层到黄铜矿-半导体的转换反应。在一些实施例中，RTP工艺在Ar或者N2中具有大于10℃/sec的升降温速率，然后保持在约400～600℃的目标温度下，持续约5～30min或者更短的时间。
RTP工艺由于较短的加热和冷却时间减少了吸收层108和缓冲层106(例如，CdS)界面之间的相互扩散问题。较短的加热和冷却时间由于较快的处理时间也推进了高生产量/产率制造工艺。在第二步骤的另一示例性工艺中，在约400～500℃下在H2Se或者Se蒸汽中使前体膜反应约30～60min，以形成吸收层108。
可以通过涉及真空或者非真空的各种方法沉积前体金属和/或合金。例如，溅射、热蒸发、等离子体增强CVD、大气压金属有机化学汽相沉积(AP-MOCVD)、或者闪蒸。在一个基于真空的方法中，在硫化氢中溅射和反应Cu/In层以形成CuInS2。
形成吸收层108的另一个示例性方法是真空共蒸发，其中所有的成分Cu、In、Ga和/或Se可以同时输送到在400～600℃下加热的衬底，并且在单生长工艺中形成Cu(In，Ga)Se2膜。
在图2F中，例如通过采用激光划片或者机械划片工艺，划片穿透吸收层108和缓冲层106的第二划片区114(在该步骤中为开口)。第二划片区114暴露了一部分前接触层104，并垂直分开缓冲层106和吸收层108。第二划片区114限定了用于在图2中的前接触层104和后接触层110之间互连的电通路。随后，第二划片区114被图2G中的后接触层110填充。
在图2G中，在吸收层108和前接触层104的第二划片区114的上方形成后接触层110。可以例如通过电子束蒸发、溅射、或者任何其他合适的方法沉积后接触层110。在其他实施例中，后接触层110可以包括多层，例如Na掺杂的Mo/Mo双层。
在图2H中，例如，采用激光划片或者机械划片工艺，划片穿透后接触层110、吸收层108、和缓冲层106的第三划片区116(开口)。第三划片区116暴露了一部分的前接触层104，并垂直分开缓冲层106、吸收层108、和后接触层110。第三划片区116在相邻的电池中提供了隔离。
图3是根据一些实施例的制造图1中的示例性覆板太阳能电池的方法的流程图。诸如示例性工艺和材料的具体内容如上面所述，且不再重复。
在步骤302中，在衬底上方形成前接触层，其中前接触层在特定波长下是光学透明的且是导电的。在步骤304中，划片穿透前接触层的第一划片区以暴露至少一部分的衬底。在步骤306中，在前接触层和第一划片区上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层。在步骤308中，在缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层。在步骤310中，在吸收层上方形成导电的后接触层。
根据一些实施例，制造太阳能电池的方法包括：在衬底上方形成前接触层，其中前接触层在特定波长下是光学透明的，且是导电的。穿过前接触层划割第一划片区以暴露至少一部分的衬底。在前接触层和第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层。在缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层。在吸收层上方形成导电的后接触层。
根据一些实施例，太阳能电池包括衬底和在衬底上方设置的前接触层；在前接触层上方设置的掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；在缓冲层上方设置的掺杂有p型掺杂剂的吸收层；是导电的且设置在吸收层上方的后接触层；垂直分开前接触层的第一划片区，其中第一划片区被缓冲层和吸收层填充，前接触层在特定波长下是光学透明的，且是导电的。
本领域的技术人员将理解本发明可以存在许多实施例变体。尽管已经详细地描述了实施例及其部件，但应该理解，可以在不背离实施例的精神和范围的情况下，进行各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围预期并不限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员根据所公开的实施例应很容易理解，根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与本文所述相应实施例基本上相同的功能或获得基本上相同的结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。
上面的方法实施例示出了示例性步骤，但这些示例性步骤不必必须按所示出的顺序进行实施。根据本发明的实施例的精神和范围，可以添加、替换、改变顺序、和/或删除步骤。结合不同权利要求和/或不同实施例的实施例在本发明的范围内，并且在审查本发明后对于本领域技术人员将是显而易见的。
Claims (20)
1.一种制造太阳能电池的方法，包括：
在衬底上方形成前接触层，其中所述前接触层在目标波长下是光学透明的、且是导电的；
穿过所述前接触层划割第一划片区以暴露一部分所述衬底；
在所述前接触层和所述第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；
在所述缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层；以及
在所述吸收层上方形成导电的后接触层；
其中，所述第一划片区被所述缓冲层和所述吸收层填充。
2.根据权利要求1所述的制造太阳能电池的方法，其中，通过机械划片或者激光划片形成所述第一划片区。
3.根据权利要求1所述的制造太阳能电池的方法，进一步包括：穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层。
4.根据权利要求3所述的制造太阳能电池的方法，其中，用所述后接触层填充所述第二划片区。
5.根据权利要求4所述的制造太阳能电池的方法，进一步包括：穿过所述后接触层、所述吸收层、和所述缓冲层划割第三划片区以暴露一部分所述前接触层。
6.根据权利要求1所述的制造太阳能电池的方法，其中，形成所述吸收层包括：
沉积前体金属层；以及
应用快速热处理。
7.根据权利要求6所述的制造太阳能电池的方法，进一步包括蒸发化学元素Se。
8.根据权利要求6所述的制造太阳能电池的方法，其中，在400～600℃的温度下实施所述快速热处理，持续30分钟以下的时间。
9.根据权利要求6所述的制造太阳能电池的方法，其中，所述前体金属层包含Cu、In、Ga、Se、或者其任意组合。
10.一种太阳能电池，包括：
衬底；
前接触层，被设置在所述衬底上方；
缓冲层，掺杂有n型掺杂剂，被设置在所述前接触层上方；
吸收层，掺杂有p型掺杂剂，被设置在所述缓冲层上方；
后接触层，是导电的并被设置在所述吸收层上方；
第一划片区，垂直分开所述前接触层，所述第一划片区被所述缓冲层和所述吸收层填充，
其中，所述前接触层在目标波长下是光学透明的，且是导电的。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池，进一步包括第二划片区，所述第二划片区垂直分开所述缓冲层和所述吸收层。
12.根据权利要求11所述的太阳能电池，其中，所述第二划片区被所述后接触层填充。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池，进一步包括第三划片区，所述第三划片区垂直分开所述缓冲层、所述吸收层、和所述后接触层。
14.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述衬底包含玻璃或者聚酰亚胺。
15.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述前接触层包括透明导电氧化物(TCO)。
16.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述缓冲层包含CdS、InxSey、In(OH)xSy、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnS(O,OH)、ZnIn2Se4、ZnMgO、或者其任意组合。
17.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述吸收层包含CuInSe2、CuGaTe2、Cu2Ga4Te7、CuInTe2、CuInGaSe2、CuInGaSeS2、CuInAlSe2、CuInAlSeS2、CuGaSe2、CuAlSnSe4、ZnIn2Te4、CdGeP2、ZnSnP2、或者其任意组合。
18.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中所述后接触层包含Mo、Pt、Au、Cu、Cr、Al、Ca、Ag、或者其任意组合。
19.一种制造太阳能电池的方法，包括：
在衬底上方形成前接触层，其中所述前接触层在目标波长下是光学透明的、且是导电的；
穿过所述前接触层划割第一划片区以暴露一部分所述衬底；
在所述前接触层和所述第一划片区的上方形成掺杂有n型掺杂剂的缓冲层；
在所述缓冲层上方形成掺杂有p型掺杂剂的吸收层；
穿过所述吸收层和所述缓冲层划割第二划片区以暴露一部分所述前接触层；
在所述吸收层和所述第二划片区的上方形成导电的后接触层；以及
穿过所述后接触层、所述吸收层、和所述缓冲层划割第三划片区以暴露一部分所述前接触层；
其中，所述第一划片区被所述缓冲层和所述吸收层填充。
20.根据权利要求19所述的制造太阳能电池的方法，其中形成所述吸收层包括：
沉积前体金属层，所述前体金属层包括Cu、In、Ga、Se、或者其任意组合；
蒸发Se；以及
应用快速热处理。
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| GR01 | Patent grant |