CN103038891A - 具有光散射界面层的光伏结构及其制造方法 - Google Patents

具有光散射界面层的光伏结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种光伏(PV)电池结构及其制造方法，该电池结构具有一体的光散射界面层，其配置成在光进入半导体材料之前漫射或散射光。

Description

具有光散射界面层的光伏结构及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2010年5月26日提交的美国临时申请No.61/348,709的权益，其整体公开通过引用明确合并于此。
联邦赞助研究声明
本发明是利用了能源部(DOE)授予的DE-FG08GO18067下的政府支持而做出的。政府拥有本发明中的某些权益。
技术领域
本发明总体上涉及光伏电池(PV电池)及其制造方法。更特别地，本发明涉及在薄膜太阳能电池中制造光漫射(光散射)层的方法以及利用这种方法制造的薄膜太阳能电池。
背景技术
并不承认本节中公开的背景技术在法律上构成现有技术。
在薄膜太阳能电池中制造光漫射层以改善极薄吸收层中的光吸收会是有利的。利用这种方法制造的薄膜太阳能电池允许使用薄得多的吸收层，因此便于更快地制造吸收层并且更少地使用昂贵的吸收层，从而减少对环境的可能不利影响。
发明内容
在第一方面，这里提供一种包括一体光散射层的PV电池结构。在另一方面，这里提供一种制造具有一体光散射层的PV电池结构的方法。
在一宽泛方面，这里提供一种光伏(PV)电池结构，包括：由第一半导体材料构成的至少第一层，所述第一层与第二半导体材料构成的第二层相邻，所述第一半导体材料具有第一晶格常数，所述第二半导体材料具有与所述第一晶格常数不同的第二晶格常数；以及至少一个光散射界面层，配置成在光进入第一和第二层中的一个或多个之前对光进行漫射或散射。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一和第二半导体材料层之间的边界处。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一半导体材料的第一层中。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第二半导体材料的第二层中。
在某些实施例中，所述PV电池结构包括与所述第一层相邻的透明导电氧化物(TCO)层，所述光散射界面层形成于所述第一层中。
在某些实施例中，所述第一和第二层之一是在将所述第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下沉积的。
在某些实施例中，所述光散射界面层具有在基本垂直于所述第一和第二层定义的平面的方向上伸长的晶格结构。
在某些实施例中，所述第一和第二半导体材料具有在每种半导体材料的晶格常数之间的晶格失配，该晶格失配足以形成所述光散射界面层。
在某些实施例中，所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约5％的晶格失配。
在某些实施例中，所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约10％的晶格失配。
在某些实施例中，所述晶格失配是在半导体材料CdS和CdTe之间的。
在某些实施例中，所述光散射界面层由CdS/CdTe构成，所述光散射界面层在所述光散射界面层的CdTe侧具有光散射界面表面。
在某些实施例中，所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe，所述光散射界面层形成于所述TCO和CdS层之间。
在某些实施例中，所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe，所述光散射界面层形成于所述CdS和CdTe层之间。
在某些实施例中，所述TCO层包括SnO2:F、ZnO:Al、In2O3:Sn中的一种或多种。
在某些实施例中，所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.5微米的范围。
在某些实施例中，所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.25微米的范围。
在某些实施例中，所述光散射界面层包括CdTe，且厚度在大约0.2到大约0.5微米的范围。
在某些实施例中，所述光散射界面层中具有微孔。
在某些实施例中，所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度。
在某些实施例中，所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度，孔隙尺寸在大约0.1微米到大约1微米的范围。
在某些实施例中，利用所述第一半导体材料和所述第二半导体材料中的一种或多种形成电介质不连续性。
在某些实施例中，所述PV结构包括透明导电氧化物(TCO)层，利用所述TCO和所述光散射界面层形成电介质不连续性。
在某些实施例中，所述光散射界面层具有光散射属性，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于CdS第一半导体材料构成的第一层和CdTe第二半导体材料构成的第二层之间；所述界面层具有光散射属性，当所散射的光线进入CdTe第二半导体材料层时，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
在另一宽泛方面，这里提供光散射界面层在用于制造太阳能电池的光伏(PV)电池中的使用。
在另一宽泛方面，这里提供一种制造用于光伏(PV)电池的光散射界面层的方法，包括：沉积与半导体材料的第二层相邻的第一半导体材料的至少第一层以形成PV电池结构，所述第一和第二半导体材料具有不同的晶格常数，以及形成至少一个光散射界面层，该至少一个光散射界面层配置成在光进入第一和第二层中的一个或多个之前对光进行漫射或散射。
在某些实施例中，通过对所述第一和第二层进行热处理，从而在所述第一和第二层的相邻表面之间形成所述光散射界面层，来形成所述界面层。
在某些实施例中，在大约350℃到大约420℃的温度范围对所述第一和第二层进行热处理。
在某些实施例中，在大约350℃到大约420℃的温度范围且在存在CdCl2、ZnCl2、HCl和Cl2中的一种或多种的蒸汽时对所述第一和第二层进行热处理。
在某些实施例中，所述第一和第二层中的至少一个是在将所述第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下沉积的。
在某些实施例中，所述光散射界面层在分层生长工艺中形成。
在某些实施例中，所述光散射界面层在分层生长工艺中利用纳米颗粒形成。
在某些实施例中，所述光散射界面层利用纳米墨工艺形成。
在某些实施例中，所述光散射界面层通过等离子体工艺形成。
在某些实施例中，所述第一和第二层中的至少一个通过磁控溅射沉积工艺形成。
在某些实施例中，所述沉积在将第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下执行。
在某些实施例中，在由所述第一和第二层定义的平面中施加所述压应力，由此晶格在垂直于第一和第二层的平面的方向上伸长。
在某些实施例中，所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe，且在大约390℃的温度下对PV电池结构进行热处理。此外，在某些实施例中，所述CdS/CdTe界面层在所述界面层的CdTe侧具有光散射漫射表面。
在某些实施例中，在所述光散射界面层中形成微孔。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于CdS第一半导体材料构成的第一层和CdTe第二半导体材料构成的第二层之间；所述光散射界面层具有在所散射的光线进入CdTe第二半导体材料层时，足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转的属性。
在另一宽泛方面，这里提供一种通过这里描述的一种或多种方法制造的具有散射界面层的光伏(PV)电池结构。
在另一宽泛方面，这里提供一种光伏(PV)电池结构，包括：透明导电氧化物(TCO)层；与所述TCO层相邻的至少第一半导体材料的第一层；以及在光进入所述第一层之前漫射或散射光的光散射界面层。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一层和所述TCO层之间的边界处。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一半导体材料的第一层中。
在某些实施例中，所述第一层在将所述第一层和所述TCO层置于压应力中的条件下沉积。
在某些实施例中，所述光散射界面层具有在基本垂直于所述第一和第二层定义的平面的方向上伸长的晶格结构。
在某些实施例中，所述第一层和所述TCO层具有晶格失配以导致所述光散射界面层的形成。
在某些实施例中，所述第一层和所述TCO层具有大约5％的晶格失配。
在某些实施例中，所述第一层和所述TCO层具有大约10％的晶格失配。
在某些实施例中，所述PV电池结构包括TCO/CdS/CIGS/Mo/玻璃或TCO/CdS/CIGS/Mo/金属片或TCO/CdS/CIGS/Mo/聚合物，光散射界面层形成于TCO和CdS层之间(CIGS指的是铜-铟-镓-硫或硒)。
在某些实施例中，所述TCO层包括SnO2:F、ZnO:Al、In2O3:Sn中的一种或多种。
在某些实施例中，利用所述TCO和所述光散射界面层形成电介质不连续性。
在另一宽泛方面，这里提供一种制造用于光伏(PV)电池的光散射界面层的方法，包括：提供与透明导电氧化物(TCO)层相邻的至少第一半导体材料的第一层；以及形成至少一个光散射界面层，其配置成在光进入第一层之前对光进行漫射或散射。
在某些实施例中，通过对所述第一层进行热处理，从而在第一层和TCO层的相邻表面之间形成所述光散射界面层，来形成所述界面层。
在某些实施例中，在大约350℃到大约420℃的温度范围对所述第一层进行热处理。
在某些实施例中，在大约350℃到大约420℃的温度范围且在存在CdCl2、ZnCl2、HCl和Cl2中的一种或多种的蒸汽时对所述第一层进行热处理。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一层和所述TCO层之间的边界处。
在某些实施例中，所述光散射界面层形成于所述第一层中。
在某些实施例中，所述第一层在将所述第一层置于压应力中的条件下沉积。
在某些实施例中，所述第一层和所述TCO层具有晶格失配，该晶格失配足以导致所述光散射界面层的形成。
在某些实施例中，利用所述TCO形成电介质不连续性。
在某些实施例中，所述第一层通过磁控溅射沉积工艺形成。
在某些实施例中，所述沉积在将第一层置于压应力中的条件下执行。
在某些实施例中，在由所述第一层定义的平面中施加所述压应力，由此晶格在垂直于第一层的平面的方向上伸长。
在某些实施例中，PV电池结构包括TCO/CdS/CIGS/Mo/玻璃或TCO/CdS/CIGS/Mo/金属片或TCO/CdS/CIGS/Mo/聚合物，所述光散射界面层形成于TCO和CdS层之间(CIGS指的是铜-铟-镓-硫或硒)。
在另一宽泛方面，这里提供一种通过这里描述的一种或多种方法制造的具有散射界面层的光伏(PV)电池结构。
在另一宽泛方面，这里提供一种通过这里描述的方法之一制造的具有散射界面层的光伏(PV)电池结构。
结合附图阅读下面对优选实施例的详细描述，本发明的各个方面将对本领域技术人员变得显然。
附图说明
专利或申请文件可以包含彩色完成的一个或多个附图和/或一个或多个照片。在请求并支付必要费用后，将由专利局提供带有彩色附图和/或照片的本专利或专利申请公开的副本。
图1A是没有后触点的CdTe/CdS薄膜PV器件结构的示意图。可以使用镓聚焦离子束(FIB)从离膜表面大约3°的角暴露各层，为扫描电子显微镜(SEM)成像做准备。
图1B是图1A的电池结构的平面视图扫描电子显微照片(SEM)，示出了在磁控溅射系统中在10mTorr下沉积，并在CdCl2蒸汽中进行沉积后热处理之前的器件的CdTe、CdS、TCO(SnO2)和玻璃层的矩形FIB暴露结构。底部附近的亮区是因为玻璃带电。在这种溅镀原膜结构中看不到多微孔层。在图2A、2B、2C和2D中以放大图示出了高亮区。
图1C示出在CdCl2激活之后，所溅镀的CdTe/CdS光伏结构和FIB蚀刻的切片的SEM显微照片。在CdS区域上方可以看到多微孔层。图2E-2F中示出了放大图。
图2A-2D。图2A至图2D中的放大视图所示的区域对应于图1B的方框区域，始于CdTe表面附近，止于溅镀原膜中恰好CdS层之前的光散射层附近。
图2E-2F示出CdTe/CdS界面附近两个FIB蚀刻区域的放大SEM显微照片，显示了CdCl2退火之后产生的多微孔结构。在磁控溅射沉积半导体层之后，在CdCl2蒸汽中对PV结构进行退火。
图2E示出多微孔光散射层的边缘附近的区域。
图2F示出光散射层的中心附近的区域。
图3A是曲线图，示出对于具有图1的结构和适当的后触点的一系列电池，效率与CdTe厚度的关系。平均值通常针对15个电池。所有电池都包括类似于图1C和图2E-2F的光漫射层。注意，用仅0.25微米的CdTe实现了大约8％的效率。
图3B示出图3A所示最佳电池的电流-电压(I-V)特性。
图4A是曲线图，示出作为加速寿命试验(ALT)小时数的函数的薄CdTe电池的归一化开路电压(Voc)。在一个太阳、85℃、室内空气的条件下执行ALT。
图4B是曲线图，示出作为加速寿命试验(ALT)小时数的函数的薄CdTe电池的归一化效率。在一个太阳、85℃、室内空气的条件下执行ALT。
图5是曲线图，示出在劈裂以获得截面之后，包括铜/金后触点的完整CdS/CdTe电池结构的透射电子显微镜(TEM)图像。
具体实施方式
本发明描述了在极薄半导体吸收层入口处制造极薄光漫射层的工艺，该光漫射层能够产生非常强的光漫射。这种强的光漫射或散射大大增强了吸收层中的光吸收，否则吸收层太薄而不能完全吸收入射光。
这里公开的方法尤其适于薄膜太阳能电池。发明人在此发现了一种方法，其能够有效利用所沉积的层的属性并容易缩放到薄膜太阳能电池制造所需的大面积。
本发明通过减小薄膜太阳能电池中的吸收层的厚度提供了其他益处。例如，吸收层的减小厚度同时实现了沉积时间的减少，更少使用昂贵材料以及更少使用可能会影响环境的材料。
在一方面，这里描述一种在太阳能电池的制造过程期间在内部界面中制造极薄但仍然强的光散射或光漫射层的方法。在一实施例中，利用层的磁控溅射和随后的太阳能电池结构热处理来制造薄的漫射层。在一范例中，CdS/CdTe太阳能电池制造在涂有透明导电氧化物(TCO)层的玻璃上。
此外，在某些实施例中，可以在将层置于压应力中的条件下执行磁控溅射工艺。在沉积膜的平面中施加压应力，使得晶格在垂直于膜平面的方向上伸长。
在沉积制造PV电池结构的材料之后，在大约350℃到大约420℃范围的温度下(在一实施例中，对于玻璃/TCO/CdS/CdTe PV电池结构在大约390℃)并在存在CdCl2蒸汽的条件下，对PV电池结构(例如玻璃/TCO/CdS/CdTe)进行热处理或退火。这种沉积后的热处理(这里也称为退火或激活)步骤将CdS/CdTe界面层从CdS或CdTe任一层中几乎没有微观孔隙(大约0.1到大约1微米)的紧凑状态转换到CdS/CdTe界面层，其中光散射界面漫射层出现在该界面层的CdTe侧。
在某些实施例中，发明人发现光散射界面漫射层的特征在于多达50％的孔隙率，孔隙尺寸在0.1到大约1微米的范围。此外，在某些实施例中，光散射界面漫射层的厚度大约为0.1到大约0.5微米，在某些实施例中，从大约0.1到大约0.25微米。结果，CdS/CdTe界面层获得非常强的光散射属性，这导致通过TCO和CdS层的入射光线在更宽角度范围上散射或偏转，使得光线将以宽角度范围进入CdTe层。大部分散射光线将与垂直于界面层成大角度指向。结果，即使在非常薄的层中，这些光线也可以几乎完全被吸收。
在PV电池中使用光散射界面漫射层允许制造具有非常薄的吸收层的太阳能电池。
小孔或孔隙的大小尺度可以稍微小于或稍微大于介质中日光的波长。因此，光散射可以非常强，一般通过Mie散射理论描述。亦即，光散射界面层的光散射属性足以令入射光线在宽角度范围上散射或偏转。在来自尺寸范围从大约0.1到1μm的微孔或微夹杂物的Mie散射中，光在从向前方向(0度)到向后方向(180度)的整个角度范围上散射。为了提高PV效率，接近90度的散射尤其有益。
具有不同介电常数的孔隙或容积的尺寸对散射量有影响。于是，利用这里描述的过程，能够针对不同波长根据需要来控制散射量。例如，在CdTe中，对于大约0.25微米的CdTe层，在恰好在能带边缘以下或大致从850nm到700nm的波长区域中尤其需要光散射或漫射。
范例
在以下范例中进一步描述本发明，范例中所有的部分和百分比都是按重量计的，度为摄氏度，除非另有说明。应理解，这些范例尽管表示本发明的优选实施例，但仅以例示的方式给出。根据以上论述和这些范例，本领域技术人员能够确定本发明的本质特征，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员能够做出本发明的各种变化和修改，以使本发明适应于各种用途和条件。本说明书中提到的所有出版物，包括专利和非专利文献，都通过引用明确并入。
以下范例旨在例示本发明的特定优选实施例，不应被解释为限制权利要求所定义的本发明的范围，除非这样指出。因此，可以参考这里的范例看出本发明的价值。
范例1
发明人在此已经制造了高性能太阳能电池，具有0.25微米薄的CdTe。在利用Ga离子用聚焦离子束(FIB)进行所谓的小冲角面铣(LISM)的离子束蚀刻工艺之后，利用扫描电子显微镜图像(显微照片)揭示了界面层的形态。
薄膜光伏器件的横向尺度高达若干米，但厚度仅为若干微米或更小。在厚度维度上观察到的形态特征通常不会在横向维度上观察到。
将厚度维度中的微观特征暴露于平面图中，进行常规电子显微镜研究。在此，发明人观察到，例如TEC玻璃中52nm厚的SnO2和缓冲层的双层延伸到大约1微米(未示出)。这种方法用于研究溅镀的CdTe/CdS薄膜器件中的孔隙形态和空隙率分布。在390℃附近利用CdCl2进行标准“激活”退火期间发现，发生了异常的变化。在CdS/CdTe结的CdTe侧出现了厚度为～100nm(0.1微米)的光散射层。
发明人还研究了在两种不同的溅镀几何条件下，即正入射和相对于旋转的衬底以大约45°角沉积的条件下，所沉积的CdTe/CdS结构。利用固定的靶和处于正入射的衬底配置沉积“经典”系统中生长的膜，利用旋转衬底座在～45°下沉积“AJA”系统中生长的膜。
在各实施例中，使用不同的溅射压强来实现优化电池性能；例如，对于经典系统为18mTorr，对于AJA系统为10mTorr，发明人用FIB蚀刻穿透整个装置轮廓。
图1A是没有后触点的CdTe/CdS薄膜PV器件结构的示意图。图1B示出在磁控溅射系统中在10mTorr下沉积，并在CdCl2蒸汽中的沉积后热处理之前的器件的CdTe、CdS、TCO(SnO2)和玻璃层的矩形FIB暴露结构。底部附近的更亮区域是因为玻璃带电导致的。图1B是图1A的电池结构在CdCl2蒸汽中退火前的平面扫描电子显微照片。图1B标记了玻璃；TCO(SnO2:F)层；CdS层和CdTe层。
图1C示出CdCl2激活之后FIB暴露的溅镀CdTe/CdS光伏结构的SEM显微照片。该器件通过如下操作制造：利用AJA系统在10mTorr下沉积0.1μm的CdS，也在10mTorr下沉积1.0μm的CdTe，接着在390℃下进行30分钟的CdCl2处理并通过蒸镀沉积Cu/Au金属触点。通过从CdTe的表面沿着FIB暴露的切片直到玻璃进行线性扫描(未示出)的能量散射x射线光谱(EDS)来进行各层的识别，其识别了CdTe/CdS和CdS/SnO2界面的位置。还通过如下操作来确认层的识别：从观测到的SEM长度计算层厚，乘以tan(3°)并与发明人的原位光学厚度监测数据进行比较。
图2A-2D中示出图1B的CdTe层的放大显微照片(例如参见图1B中的a、b、c和d)，显示了非常紧凑的多晶膜结构，证明了在图2A中在CdTe层的表面或顶部附近有晶粒边界，以及CdTe更深处的致密晶粒边界。
图2E和图2F是图1C中出现的多微孔光散射层的放大显微照片，图2F是在中央取得的，图2E是朝多微孔光散射层的边缘取得的，如图1C的区域“f”和“e”所示。
如图2F所示，这样的光散射界面层出现于针对不同形状的经典和AJA膜的溅镀器件中。光散射界面层不仅出现于图2A-2F所示的具有1.0μm CdTe层的器件中，而且出现于具有2.4μm和0.7μm CdTe的器件中。
图1A-1C和图2A-2F示出了氯化物激活和膜形态变化的影响，其中穿过2.2μm CdTe(在10mT下溅镀)的3°FIB蚀刻暴露了晶粒和孔隙形态。在CdCl2激活之前，在晶粒边界处可看到微小孔隙，朝向表面越来越多，达到孔隙度fv＝～5％。在CdCl2激活之后，孔隙的形状更接近球形，在整个膜(未示出)中孔隙度fv＝～8％是均匀的。在激活之后，如图2E和2F中所示，在CdS/CdTe界面的CdTe侧发展出0.1μm的多孔层。将要理解的是，在某些实施例中，可以通过改变生长条件来改变孔隙容积比。
光散射界面层通过在光进入CdTe吸收层时增强光散射而有利于极薄CdTe中的光收集。虽然不希望受理论束缚，但是发明人在此相信产生这种光散射界面层的可能机制是CdS和CdTe之间～10％的晶格失配以及氯化物激活过程期间的应变弛豫。然而，如果使用更高的温度，例如大约450℃，那么没有CdCl2存在，在真空、空气或不活泼气氛中的正常退火也可以产生光散射层。
范例2
这里描述的光伏(PV)结构呈现出12％到13+％范围的效率。此外，这些PV结构因此可视为是可调谐的，同时提供厚度减小的PV结构。
图3A是器件效率作为光伏结构的CdTe层的厚度的函数的散点图，其中针对类似于图2E-2F中所示那些的PV结构包括了光漫射层。图3A示出对于具有适当后触点的图1A-1C的PV结构，一系列电池的效率与CdTe厚度的关系。(平均值一般针对15个电池)。于是可以将这些PV结构形成为具有减小的CdS层厚度，还便于利用更薄的CdTe层。可以看出，利用大约0.7μm厚的CdTe实现了＞11％的效率。
图3B示出具有可变CdTe厚度的几种PV结构的电流-电压(I-V)特性。1.1微米以上的PV结构类似于1.1微米。还应注意，用仅0.25微米的CdTe实现了大约8％的效率。
范例3
图4A是曲线图，示出作为加速寿命试验(ALT)小时数的函数的薄CdTe电池的归一化开路电压(Voc)。在一个太阳、85℃、室内空气的条件下执行ALT。这些ALT测试表明，即使器件非常薄且后触点非常接近CdS/CdTe界面处的主n/p结，在暴露于更高温度之后且在暴露于湿气时，器件电压仍然是稳定的。具有多孔界面层的薄CdTe电池在ALT条件下稳定的Voc表明尽管有大的孔隙，结质量也很好。
图4B是曲线图，示出作为加速寿命试验(ALT)小时数的函数的薄CdTe电池的归一化效率。在一个太阳、85℃、室内空气的条件下执行ALT。这些ALT测试表明，即使器件非常薄且后触点非常接近CdS/CdTe界面处的主n/p结，但在暴露于更高温度之后且在暴露于湿气时，器件效率仍然是稳定的。
范例4
图5是在劈裂以获得截面之后，包括铜/金后触点的完整CdS/CdTe电池结构的透射电子显微镜(TEM)图像。可以看出，在CdCl2激活之后在CdTe的后表面处有显著的硫浓度。也可观察到多孔性CdS/CdTe界面。
范例5
一种用于在制造光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的方法包括：沉积至少一个或多个半导体材料层以形成PV电池结构，以及对PV电池结构进行热处理以在具有不同晶格常数的相邻半导体材料之间产生界面层。
在某些实施例中，对PV电池结构进行热处理以将几乎没有微观孔隙的界面层基本转变为在界面层的至少一侧具有多孔界面漫射层的界面层。
范例6
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括产生纳米多孔界面光漫射层。在两个半导体层之间形成光散射层，其中两种半导体材料在条件下具有显著的晶格失配，使得界面的至少一侧形成大量微观孔隙，从而生成纳米多孔界面光漫射层。
范例7
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括通过沉积后热处理来形成或增强光散射层。
在某些实施例中，在促进再结晶的环境气氛中进行沉积后的热处理。在非限制性范例中，环境气氛包括选自CdCl2、ZnCl2、HCl和Cl2中的一种或多种的蒸汽。
范例8
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括：通过控制沉积来产生纳米多孔层，以在透明导电层(例如SnO2:F、ZnO:Al、In2O3:Sn)中或其边界处形成光散射层。
这种方法对于诸如玻璃/TCO/CdS/CdTe/后触点的上衬底(superstrate)电池以及诸如TCO/CdS/CIGS/Mo/玻璃的下衬底电池都是有用的。
要理解的是，有多种方法来控制薄膜生长以生成纳米或微米孔隙，从而获得多孔层。发明人在这里希望指出的是，TCO可能不像CdTe中的孔隙那样有效，因为CdTe的折射率约为3，而TCO的折射率通常为1.7到2.0，光散射的强度取决于介质和折射率为1的孔隙之间的电介质不连续性。
范例9
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括：通过控制沉积条件以形成介电常数显著不同于周围介质的纳米内含物，来形成光散射层。
要理解，在蒸汽和等离子体中，常常能够控制条件，使得蒸汽或等离子体中有同质成核，其产生并入膜中的“灰尘”颗粒。例如，可以中断正常的半导体生长，同时引入不同气体或蒸汽足够长的时间，以生成具有内含物或内含物加孔隙的层。
范例10
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括在分层生长工艺中形成光散射层。在一个非限制性范例中，可以临时调节液相生长过程例如电沉积或化学浴沉积，以在液体中生成同质成核或用纳米颗粒做种，以沉积两侧都被正常膜材料围绕的薄的光漫射层。
范例11
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括在分层生长工艺期间利用纳米颗粒形成光散射层。在一个非限制性范例中，可以用不同材料的纳米颗粒临时做种进行正常物理气相沉积工艺(溅镀、蒸镀、密集凝华等)，以生成薄的光漫射层。
范例12
在光伏(PV)电池的制造过程期间制造光散射界面层的替选方法包括利用纳米墨工艺形成光散射层。例如，可以使用这种方法进行这样的生长工艺，其中利用喷墨工艺在接近大气压下沉积半导体层，并用不同折射率的颗粒做墨的种子来生成薄的光漫射层。
范例13
这里描述的方法在具有不同晶格常数的两种半导体材料之间生成界面。应当理解，可以通过业内可接受的方式确定晶格常数。还应当理解，术语“晶格常数”一般可以描述为原子在三维空间中的周期性布置，其中晶格常数是晶格的周期长度，即晶格自身重复的最小距离。例如，CdS和CdTe之间的晶格失配约为10％。
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虽然已参考特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解，可以进行各种改变和用等价物代替其元件而不脱离本发明的实质范围。此外，可以做出很多修改以使特定状况或材料适应本发明的教导而不脱离其实质范围。因此，本发明无意限于这里公开的为执行本发明而想到的特定实施例，而是本发明将包括落在权利要求范围之内的所有实施例。

Claims (105)

1.一种光伏(PV)电池结构，包括：
由第一半导体材料构成的至少第一层，其与由第二半导体材料构成的第二层相邻，所述第一半导体材料具有第一晶格常数，所述第二半导体材料具有与所述第一晶格常数不同的第二晶格常数；以及
至少一个光散射界面层，配置为在光进入该第一和第二层中的一个或多个之前对光进行漫射或散射。
2.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于所述第一和第二半导体材料层之间的边界处。
3.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于所述第一半导体材料的第一层中。
4.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于所述第二半导体材料的第二层中。
5.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述PV电池结构包括与所述第一层相邻的透明导电氧化物(TCO)层，所述光散射界面层形成于所述第一层中。
6.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述第一和第二层之一是在将所述第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下沉积的。
7.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层具有在基本垂直于所述第一和第二层定义的平面的方向上伸长的晶格结构。
8.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有晶格失配，该晶格失配足以导致所述光散射界面层的形成。
9.根据权利要求8所述的PV电池结构，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约5％的晶格失配。
10.根据权利要求8所述的PV电池结构，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约10％的晶格失配。
11.根据权利要求10所述的PV电池结构，其中所述晶格失配是在半导体材料CdS和CdTe之间的。
12.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层由CdS/CdTe构成，所述光散射界面层具有在所述光散射界面层的CdTe侧的光散射界面表面。
13.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe，所述光散射界面层形成于所述TCO和CdS层之间。
14.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe，所述光散射界面层形成于所述CdS和CdTe层之间。
15.根据权利要求5所述的PV电池结构，其中所述TCO层包括SnO2:F、ZnO:Al、In2O3:Sn中的一种或多种。
16.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.5微米的范围。
17.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.25微米的范围。
18.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层包括CdTe，且厚度在大约0.2到大约0.5微米的范围。
19.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层中具有微孔。
20.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度。
21.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度，孔隙尺寸在大约0.1微米到大约1微米的范围。
22.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中利用所述第一半导体材料和所述第二半导体材料中的一种或多种形成电介质不连续性。
23.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述PV结构包括透明导电氧化物(TCO)层，利用所述TCO和所述光散射界面层形成电介质不连续性。
24.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层具有光散射属性，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
25.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于CdS第一半导体材料构成的第一层和CdTe第二半导体材料构成的第二层之间；
所述界面层具有光散射属性，在所散射的光线进入CdTe第二半导体材料层时，所述光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
26.光散射界面层在用于制造太阳能电池的光伏(PV)电池中的用途。
27.一种制造用于光伏(PV)电池的光散射界面层的方法，包括：
沉积与半导体材料的第二层相邻的至少第一半导体材料的第一层以形成PV电池结构，所述第一和第二半导体材料具有不同的晶格常数，以及
形成至少一个光散射界面层，其配置为在光进入第一和第二层中的一个或多个之前对光进行漫射或散射。
28.根据权利要求27所述的方法，其中通过对所述第一和第二层进行热处理使得在第一和第二层的相邻表面之间形成所述光散射界面层，来形成所述界面层。
29.根据权利要求27所述的方法，其中在大约350℃到大约420℃范围中的温度下对所述第一和第二层进行热处理。
30.根据权利要求27所述的方法，其中在大约350℃到大约420℃范围中的温度下并在存在CdCl2、ZnCl2、HCl和Cl2中的一种或多种的蒸汽时对所述第一和第二层进行热处理。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层形成于所述第一或第二半导体材料层之间的边界处。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层形成于所述第一半导体材料的第一层中。
33.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层形成于所述第二半导体材料的第二层中。
34.根据权利要求27所述的方法，其中PV电池结构包括与所述第一层相邻的透明导电氧化物(TCO)层，所述光散射界面层形成于所述第一层中。
35.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一和第二层中的至少一个是在将所述第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下沉积的。
36.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层具有在基本垂直于由所述第一和第二层定义的平面的方向上伸长的晶格结构。
37.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有晶格失配，该晶格失配足以导致所述光散射界面层的形成。
38.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约5％的晶格失配。
39.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一和第二半导体材料在每种半导体材料的晶格常数之间具有大约10％的晶格失配。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述晶格失配是在半导体材料CdS和CdTe之间的。
41.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层具有与所述第一和第二半导体材料的第一和第二层中的至少一个相邻的光散射漫射表面。
42.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层是在分层生长工艺中形成的。
43.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层是在分层生长工艺期间利用纳米颗粒形成的。
44.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层是利用纳米墨工艺形成的。
45.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层是通过等离子体工艺形成的。
46.根据权利要求27所述的方法，其中利用所述第一半导体材料和所述第二半导体材料中的一种或多种形成电介质不连续性。
47.根据权利要求27所述的方法，其中所述PV结构包括透明导电氧化物(TCO)层，利用所述TCO形成电介质不连续性。
48.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一和第二层中的至少一个是通过磁控溅射沉积工艺形成的。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述沉积是在将所述第一和第二层中的一个或多个置于压应力中的条件下进行的。
50.根据权利要求49所述的方法，其中在由所述第一和第二层定义的平面中施加所述压应力，由此晶格在垂直于所述第一和第二层的平面的方向上伸长。
51.根据权利要求27所述的方法，其中所述PV电池结构包括玻璃/TCO/CdS/CdTe。
52.根据权利要求51所述的方法，其中在大约390℃的温度下对所述PV电池结构进行热处理。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述CdS/CdTe界面层具有在所述界面层的CdTe侧的光散射漫射表面。
54.根据权利要求27所述的方法，其中在所述光散射界面层中形成微孔。
55.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层的特征在于大约50％的孔隙度，孔隙尺寸在0.1到大约1微米的范围。
56.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.5微米的范围。
57.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.25微米的范围。
58.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层包括CdTe，且厚度在大约0.3到大约0.5微米的范围。
59.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层具有光散射属性，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
60.根据权利要求27所述的方法，其中所述光散射界面层形成于CdS第一半导体材料构成的第一层和CdTe第二半导体材料构成的第二层之间；
所述光散射界面层具有在所散射的光线进入CdTe第二半导体材料层时，足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转的属性。
61.一种光伏(PV)电池结构，具有散射界面层，由权利要求27的方法制造。
62.一种光伏(PV)电池结构，包括：
透明导电氧化物(TCO)层；
与所述TCO层相邻的至少第一半导体材料的第一层；以及
在光进入所述第一层之前漫射或散射光的光散射界面层。
63.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于所述第一层和所述TCO层之间的边界处。
64.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层形成于所述第一半导体材料的第一层中。
65.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述第一层是在将所述第一层和所述TCO层置于压应力中的条件下沉积的。
66.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层具有在基本垂直于由所述第一和第二层定义的平面的方向上伸长的晶格结构。
67.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述第一层和所述TCO层具有晶格失配从而导致所述光散射界面层的形成。
68.根据权利要求67所述的PV电池结构，其中所述第一层和所述TCO层具有大约5％的晶格失配。
69.根据权利要求67所述的PV电池结构，其中所述第一层和所述TCO层具有大约10％的晶格失配。
70.根据权利要求1所述的PV电池结构，其中所述PV电池结构包括TCO/CdS/CIGS/Mo/玻璃，所述光散射界面层形成于所述TCO和CdS层之间。
71.根据权利要求70所述的PV电池结构，其中所述TCO层包括SnO2:F、ZnO:Al、In2O3:Sn中的一种或多种。
72.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.5微米的范围。
73.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.25微米的范围。
74.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层中具有微孔。
75.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度。
76.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层的特征在于大约20-50％的孔隙度，孔隙尺寸在大约0.1微米到大约0.5微米的范围。
77.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中利用所述TCO和所述光散射界面层形成电介质不连续性。
78.根据权利要求62所述的PV电池结构，其中所述光散射界面层具有光散射属性，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
79.一种制造用于光伏(PV)电池的光散射界面层的方法，包括：
提供与透明导电氧化物(TCO)层相邻的至少第一半导体材料的第一层；以及
形成至少一个光散射界面层，其配置为在光进入所述第一层之前对光进行漫射或散射。
80.根据权利要求79所述的方法，其中通过对所述第一层进行热处理使得在所述第一层和所述TCO层的相邻表面之间形成所述光散射界面层来形成所述界面层。
81.根据权利要求79所述的方法，其中在大约350℃到大约420℃范围中的温度下对所述第一层进行热处理。
82.根据权利要求79所述的方法，其中在大约350℃到大约420℃范围中的温度下，并在存在CdCl2、ZnCl2、HCl和Cl2中的一种或多种的蒸汽时，对所述第一层进行热处理。
83.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层形成于所述第一层和所述TCO层之间的边界处。
84.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层形成于所述第一层中。
85.根据权利要求79所述的方法，其中所述第一层是在将所述第一层置于压应力中的条件下沉积的。
86.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层具有在基本垂直于由所述第一层界定的平面的方向上伸长的晶格结构。
87.根据权利要求79所述的方法，其中所述第一层和所述TCO层具有晶格失配，该晶格失配足以导致所述光散射界面层的形成。
88.根据权利要求87所述的方法，其中有大约5％的晶格失配。
89.根据权利要求87所述的方法，其中有大约10％的晶格失配。
90.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层是在分层生长工艺中形成的。
91.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层是在分层生长工艺期间利用纳米颗粒形成的。
92.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层是利用纳米墨工艺形成的。
93.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层是通过等离子体工艺形成的。
94.根据权利要求79所述的方法，其中利用所述TCO形成电介质不连续性。
95.根据权利要求79所述的方法，其中所述第一层是通过磁控溅射沉积工艺形成的。
96.根据权利要求95所述的方法，其中所述沉积是在将所述第一层置于压应力中的条件下进行的。
97.根据权利要求96所述的方法，其中在由所述第一层定义的平面中施加所述压应力，由此晶格在垂直于所述第一层的平面的方向上伸长。
98.根据权利要求79所述的方法，其中所述PV电池结构包括TCO/CdS/CIGS/Mo/玻璃。
99.根据权利要求79所述的方法，其中在所述光散射界面层中形成微孔。
100.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层的特征在于大约50％的孔隙度，孔隙尺寸在0.1到大约0.5微米的范围。
101.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.1到大约0.5微米的范围。
102.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层的厚度在大约0.25到大约0.5微米的范围。
103.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层具有光散射属性，该光散射属性足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转。
104.根据权利要求79所述的方法，其中所述光散射界面层形成于CdS半导体材料构成的第一层中；且
所述光散射界面层具有当所散射的光线进入CdS第一层时，足以使入射光线在宽角度范围上散射或偏转的性质。
105.一种光伏(PV)电池结构，具有散射界面层，由权利要求79的方法制造。
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