CN103563089A - 在薄膜太阳能电池与碳基透明电极之间的欧姆接触 - Google Patents

Abstract

光伏设备和方法包括具有N掺杂层（112）、P掺杂层（108）和本征层（110）的光伏栈。透明电极形成在光伏栈上并且包括碳基层（105）和高功函数金属层（107）。高功函数金属层被布置在碳基层与P掺杂层之间的分界面处以使得高功函数金属层形成降低的势垒接触并且是光透射的。

Description

在薄膜太阳能电池与碳基透明电极之间的欧姆接触

技术领域

本发明涉及光伏设备，并且更具体地涉及用于通过降低碳基电极的势垒来改善性能的设备和方法。

背景技术

太阳能电池采用光伏池生成电流。在太阳光中的光子撞击太阳能电池或面板并且被诸如硅之类的半导电材料吸收。载流子获得允许它们流过材料以产生电的能量。因此，太阳能电池将太阳能转换成为可用的电量。

当光子撞击一块硅时，光子可以经由硅被传输，光子可以反射出表面，或如果光子能量比硅的能带间隙值高，则光子可以被硅吸收。这生成电子-空穴对并且有时取决于谱带结构而发热。

当光子被吸收时，它的能量被给到晶体点阵中的载流子。在价带中的电子可以被激发到传导带中，其中它们自由地在半导体内移动。电子是其一部分的化学键形成空穴。这些空穴可以通过建立移动的电子空穴对的点阵而移动。

光子仅仅需要具有比将电子从价带激发到传导带中的能带间隙大的能量。因为太阳辐射由具有大于硅的能带间隙的能量的光子组成，所以较高能量的光子将被太阳能电池吸收，一些能量（高于能带间隙）被转化为热而不是可用的电能。

太阳能电池可以在玻璃基板或金属基板上形成并且包括与其中肖特基或接触势垒在分界面处形成的p型层隔开的电极。电极包括导电的透明薄膜或透明的导电氧化物（TCO）。一般地，此类膜包括像氧化锌:铝（ZnO：Al）的材料，其必须是真空沉积的并且需要昂贵的装置。这些材料往往是脆性的并且不与柔性的基板兼容。因为TCO的p型状态热力非稳定，所以当前发展的TCO是n型。因此，肖特基势垒存在于p类型层与TCO之间。肖特基势垒是在具有像二极管一样的整流特性的金属半导体结处形成的势垒。肖特基势垒的形成很难避免与克服。势垒作为接触中的材料（N型金属和P型半导体）的结果而形成。由于TCO的N型性质，肖特基势垒总是存在于P型半导体和TCO之间的分界面处。

肖特基势垒通过降低pin二极管的电流密度对电压（J-V）曲线的斜率来增大串联电阻。这占据了占空系数（FF）退化的很大一部分，其中FF描述太阳能电池的效率。FF是最大功率点（P_m）除以开路电压（V_oc）和短路电流（J_sc）的比率：

$\left(J_{\mathrm{sc}}\right):\mathrm{FF}=\frac{P_m}{V_{\mathrm{oc}}{J}_{\mathrm{sc}}}$

当碳电极被用作透明电极时，肖特基势垒问题理论上应当被降低，因为碳电极的功函数（4.7-5.2eV）显著高于一般TCO的功函数。然而，在实践中，当碳被布置在p型a-Si:H上时，肖特基势垒问题变得更加严重。这可以是由于在碳/p+a-Si:H分界面处的费米能级牵制（pinning）或未知化合物形成。

发明内容

光伏设备和方法包括具有N掺杂层、P掺杂层和本征层的光伏栈。透明电极形成在光伏栈上并且包括碳基层和高功函数金属层。高功函数金属层被布置在碳基层与P掺杂层之间的分界面处以使得高功函数金属层形成降低的势垒接触并且是光透射的。

另一个光伏设备包括具有p型层、本征层和n型层的光伏栈和在光伏栈的p型层上形成的透明电极。透明电极包括导电的碳基层和高功函数金属层。高功函数金属层被布置在碳基层与和p型层之间的分界面处以使得高功函数金属层形成降低的势垒接触并且是光光透射的。反射的金属基板被布置为与N型层接触。

用于形成光伏设备的方法包括：在第一电极上形成光伏栈，该栈包括N型层、本征层和P型层；在光伏栈上沉积高功函数金属层；以及在高功函数金属层上方形成碳基层以使得碳基层和高功函数金属层形成光透射的降低的势垒接触。

这些和其它特征和优点从结合附图被读取的其说明性实施例的下列详细描述中，将变得清晰。

附图说明

本公开将在参考下列图的下面优选实施例的说明中提供细节，其中：

图1是根据本原理的具有带有碳基层的高功函数金属层的光伏设备以形成透明电极并降低由于肖特基势垒的形成引起的影响的剖视图；

图2是显示利用透明碳电极的设备由于肖特基势垒形成而非工作的电流密度对电压的曲线；

图3是显示根据本原理的作为高功函数金属层的结果的改善的电流密度的电流密度对电压的曲线；

图4A-4F示出了根据一个说明性实施例的用于利用高功函数纳米点形成碳透明电极（CTE）的说明性的处理；以及

图5是显示根据本原理的用于制造具有高功函数金属层和碳基层的光伏设备的方法的方框/流程图。

具体实施方式

根据本原理，提供降低肖特基势垒退化的影响并在没有牺牲设备性能的情况下允许使用价格较低廉的材料和工艺的设备和方法。在一个实施例中，采用碳基材料而不是透明导电氧化物。碳基材料是便宜的、利用低廉的工艺容易可处理的并与柔性基板兼容。碳基电极优选地包括作为夹层（例如，电极与相邻的n-i-p栈的p型层之间）的高功函数金属。高功函数层修改夹层分界面以产生欧姆接触。高功函数层可以包括金属点（例如，纳米点）。以这种方式，降低在夹层分界面上的肖特基势垒。

应当理解，将在给出的说明性结构方面描述本发明，但是，可以在本发明范围内改变其它架构、结构、基板材料和处理特征和步骤。

也将理解，当作为层、区域或基板的元件被称为是“在另一个元件上”或“在另一个元件上方”时，它可以直接在其它元件上或插入元件也可以存在。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接在另一个元件上方”时，不存在插入的元件。应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，它可以直接“连接”或“耦接”到该另一个元件，或者可以存在插入元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”另一个元件时，不存在插入的元件。

用于光伏设备的集成电路芯片的设计可以被以图形计算机程序设计语言创建，并且存储在计算机存储介质（诸如盘、磁带、物理硬盘、或诸如在存储器存取网络中的虚拟硬盘）中。如果设计者不制造设备或用于制造芯片的光刻掩模，则设计者可以用物理手段（例如，通过提供存储设计的存储介质的副本）或电子地（例如，通过互联网）将结果设计直接或间接地发送到此类实体。存储的设计然后被转换为用于光刻掩模的制造的适当格式（例如，GDSII），其通常包括将在晶片上形成的所述芯片设计的多个副本。光刻掩模被使用以定义将被蚀刻或处理的晶片（和/或在其上的层）的区域。

如这里描述的方法可以被用在集成电路芯片或光伏设备的制造。结果设备可以由制造者以如裸管芯的原始晶片形式（即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片），或以封装形式分布。在后一种情况中，芯片被安装在单个芯片封装（诸如塑料载体，具有附着到母板或其它上级载体的引线）或多芯片封装（诸如具有表面互连或者掩埋互连的陶瓷载体）中。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立的电路元件、和/或其它信号处理设备集成为或者（a）诸如母板之类的中间产品，或者（b）最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片/设备的任何产品，从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备、和中央处理器的高级计算机产品。

现在参考其中相似数字表示相同的或相似元件的附图，最初参考图1，根据一个实施例的说明性地描述说明性的光伏结构100。光伏结构100可以被采用在包括具有柔性基板的设备的太阳能电池、光传感器或其它光伏应用中。结构100可以包括不同的材料。在本实施例中，结构100包括布置在两个电极之间的非晶硅电池。一个电极可以包括金属基板102。金属基板102可以包括反射材料或表面以允许入射辐射反射回到与金属基板102接触形成的吸收层。基板102可以被采用以使能柔性太阳电池设备。另一个电极104包括碳基材料105和高功函数层107。在传统的设备中，电极104可以包括透明的导电氧化物，诸如氧化锌，铟锡氧化物（ITO）等。电极104优选地包括诸如碳纳米管（CNT）或石墨烯之类的碳基材料。电极104允许光穿到有源吸光材料下面并且允许导电以将光生成的电荷载流子传输远离那些吸光材料。碳基电极104比其它电极材料反应性更少并且更耐用并且是对柔性太阳电池板或设备的使用更有益的。

吸光材料包括诸如P+掺杂的非晶硅（a-Si）或氢化的非晶硅（a-Si:H）之类的P型层108，尽管可以采用其它材料。在此说明性结构100中，层107形成在P型层108上。以这种方法，层107可以被形成为金属纳米点109。纳米点109可以包括高功函数金属，诸如金、钯、银、铂等等。

兼容材料的本征层110与层108接触形成。本征层110优选地为非掺杂的并且可以包括非晶硅（a-Si）或氢化的非晶硅（a-Si:H）。N型层112与本征层110接触形成。N型层112可以包括N+掺杂的非晶硅（a-Si）或氢化的非晶硅（a-Si:H）。N型层112与后反射体金属基板102接触。后反射体基板102可以与第二附加的后反射体（未显示）接触。应当理解，也可以采用其它结构、材料和层来完成设备100的制造。

应当注意，结构可以被颠倒或可以包括随其它结构的颠倒而颠倒的P和N型区以用于利用透明基板的正常操作。

结构100优选地为硅薄膜电池，其包括可以通过化学气相沉积（CVD）处理或由硅烷气体和氢气的等离子体增强（PE-CVD）而沉积的硅层。依据沉积参数，可以形成非晶硅（a-Si或a-Si:H）、和/或纳米晶硅（nc-Si或nc-Si:H）或微晶硅。层108和112和本征层110可以包括其它材料和材料组合。

在一个实施例中，层107形成于碳基材料105和层108之间以避免类似二极管的肖特基势垒的形成。在一个实施例中，纳米点形成为在材料105和层108之间的层107（其可以包括P型a-Si:H）。

根据本原理，通过提供具有高功函数（例如，高度导电的）材料的层107降低或避免接触势垒问题。这类材料是高度反射的并且将降低在太阳能聚集器中需要的辐射吸收。诸如金、钯、银、铂等等或它们的组合之类的高功函数金属可以被制作成超薄型或作为间隔模式（例如，纳米点）。层107可以被制造的足够薄或足够稀以避免透射损失。例如，层107可以包括大约0.1纳米和20纳米之间的金属层。尽管也可以采用N型金属，但是金属层107优选地为P型金属。通过由超薄型高功函数导体形成层107，实现任何接触势垒的直接消除或降低。高功函数可以被定义为比碳基材料105的功函数高的功函数并且接近于P型层108的价带边缘。例如，在优选实施例中，高功函数可以大于大约5或6电子伏特。

层107可以包括不连续的材料层。在一个示例中，超薄型金属可以包括纳米点109。纳米点可以自然地发生于特定处理条件下，诸如在其中厚度充分薄的蒸发处理期间。纳米点具有小于10纳米的特性大小，并且更优选地为小于大约2纳米。当金属形成不连续的点时，允许比用于没有金属层107的太阳能电池更多的电流流通。纳米点促进对等离子体光的捕获效果以帮助增加电流。

正常地，接触/电极106是透明导电氧化物（TCO），其准许光传输通过。根据一个说明性的实施例，采用碳基层105和非透明金属夹层107以形成欧姆接触或降低金属接触与半导体材料之间的肖特基势垒。非透明的金属在可以包括点、纳米点的层中形成或是如此薄（超薄型）以使得光仍然可以传输通过它并且提供由于等离子体光捕获引起的额外电流。欧姆接触降低或消除任何肖特基影响或势垒，因此改善占空系数（FF）。金属层107改善占空系数以及短路电流。应该注意，采用没有金属层107的碳基层105导致增加的肖特基势垒，如将参考图2描述的。

参考图2，根据本原理，对于具有用于没有高功函数层（107）的上电极（106）的多个不同材料的太阳能电池结构，绘制电流密度对电压曲线以示范益处。在曲线150中，透明导电氧化物（氧化锌）被显示为对照样品，用于与用于碳基材料的曲线152、154、156比较。曲线152包括没有高功函数金属的碳纳米管（CNT）层。曲线154包括没有高功函数金属的石墨烯层。曲线156包括没有高功函数金属的厚CNT层。具有没有高功函数材料的碳基电极的电池的曲线152、154和156显示，这些电池与曲线150的氧化锌电极相比较是非操作的。曲线152、154和156示范了，当碳被布置在p型a-Si:H上时，由于例如在碳/p+a-Si:H分界面处的费米能级牵制或未知化合物的形成，肖特基势垒问题变得严重。同样地，这些电池不能如太阳能电池那样适当地工作。

参考图3，根据本原理，对于具有没有高功函数金属层（曲线162）的CNT电极和具有金纳米点的层的CNT电极（曲线164）的太阳能电池结构，绘制电流密度对电压曲线。也显示用于氧化锌电极的对照曲线160。如从曲线162和164可以看见的，当呈现高功函数金属层时，电流密度随电压显著地增加。此外，仅仅具有CNT的曲线162是非操作的。另外，根据本原理的实施例的曲线164比对照曲线160（具有氧化锌电极）可比较地完成或更好。

参考图4A-4F，显示用于形成具有碳透明电极（CTE）的光伏设备的说明性的处理。应当理解，这里描述的材料可以包括变化或与那些说明性地描述的材料完全不同的材料。在图4A中，提供金属基板202。金属基板202可以包括，例如，铝，钛，W,等等。根据一个实施例，金属基板202可以是柔性的以便提供柔性的太阳能电池。在图4B中，氢化的非晶硅204的N+掺杂层被沉积在金属基板202上。氢化的非晶硅的本征层206形成在层204上。氢化的非晶硅的P+掺杂层208沉积在本征层206上。包括层204、206和208的n-i-p（或p-i-n）栈可以利用化学气相沉积（CVD）处理、等离子增强的化学汽相沉积工艺（PECVD）处理等等来沉积。

在图4C中，执行沉积方法以在层208上形成纳米点210。沉积方法可以包括CVD处理等等以形成具有大约0.1纳米到大约20纳米之间的大小的金属点，并且优选地为在大约0.5纳米和2纳米之间。纳米点形成高功函数金属层，其可以包括金、钯、银、铂、它们的合金等等中的一个或多个。在图4D中，在点210上方形成碳基层212。

碳基导电材料212可以包括碳纳米管、石墨烯、或其它碳基的导电结构。碳基层212是透明的。可以利用CNT溶液沉积处理（浸涂）、真空过滤、化学气相沉积（CVD）、等离子增强的化学汽相沉积等等沉积碳纳米管。在CVD期间，优选地采用金属催化剂的层。催化剂可以包括粒子，其可以形成在纳米点210上和在层208上或纳米点210它们自己可以被采用于生长碳纳米管。在纳米点210上形成的粒子可以包括镍、钴、铁、或它们的组合。可以以其它方式，包括氧化物或氧化物固态溶液的还原，生产金属粒子。要被生长的纳米管的直径与金属粒子的大小有关。这可以通过煅烧、通过等离子蚀刻金属、等等控制。碳纳米管生长被提供于加热的环境中（例如，大约700℃）。为了启动碳纳米管的生长，两种气体被渗入反应器。两种气体包括处理气体（诸如，例如，氨、氮或氢）和包含碳的气体（诸如，例如，乙炔，乙烯，乙醇甲烷）。碳纳米管在金属催化剂粒子的位置处生长。包含碳的气体在其中它形成纳米管的粒子表面处被分解。如果采用PECVD，则在生长处理期间的电场指示碳纳米管生长的方向。

高度透明的石墨烯膜也可以通过溶液处理或化学气相沉积形成。在此处理中，超薄型石墨烯片可以由首先在催化剂（例如，纳米点金属或附加金属粒子（诸如镍））上以石墨烯膜的形式沉积碳原子（例如，来自甲烷气体）形成。也可以使用外延生长处理形成石墨烯。掩模214形成层210上，层210将在用于隔离金属基板202上的电池的稍后步骤中采用。

在图4D中，采用掩模以刻蚀掉部分碳基层212以形成碳电极216。刻蚀处理可以包括氧气等离子体刻蚀以定义用于要被制造的太阳能电池的设备区域。在图4F中，剩余层208、206、204以及掩模214外的点210被向下刻蚀到金属基板202以隔离一个电池或多个电池以用于形成太阳能设备200并且特别是柔性太阳能设备。掩模214从碳电极216除去。现在，太阳能设备200包括透明碳电极（TCE）218，其包括高功函数材料（210）。太阳能设备200可以被配置为在金属基板202处弯曲（例如，充当电池之间的铰链）。隔离电池（在它们之间形成空间）以准许金属基板202的偏转。

参考图5，方框/流程图显示根据本原理的用于形成光伏设备的方法。也应注意，在如在图5中描述的一些实施方式中，在方框中示出的功能可以不按照图示出的顺序发生。例如，接续示出的两个方框事实上可以实质上被并发地执行，或方框有时可以倒序执行，这取决于包含的功能。

在方框302中，光伏栈被形成在第一电极上。栈包括P型层、N型和本征层。掺杂层可以包括非晶硅或其它材料，例如，诸如SiC，等等。第一电极可以包括设备在其上被组装的基板，例如金属基板。在特别有用的实施例中，第一电极是反射性的以反射光以增强栈对辐射的吸收。在另一个有用的实施例中，第一电极是柔性基板。

在方框304中，高功函数金属层被沉积在光伏栈上。高功函数金属可以包括金、银、钯、铂、它们的合金等等中的一个或多个。高功函数金属层可以利用化学气相沉积（CVD）处理、等离子增强的化学汽相沉积工艺（PECVD）处理、原子层沉积（ALD）或能形成超薄型金属层或不连续的金属层（例如，点或纳米点）的任何其它适当的方法被沉积。

在方框306中，在高功函数金属层上方形成碳基层，以使得碳基层和高功函数金属层形成光透射的降低的势垒接触。碳基层可以包括碳纳米管、石墨烯或其它导电碳结构中的一个。降低的势垒接触可以形成欧姆接触。

在方框308中，可以执行进一步处理。例如，附加层或电池可以被加到设备，可以增加保护层，可以形成隔离的电池（例如，用于柔性设备），等等。

虽然已经描述了薄膜太阳电池和碳基透明电极之间的欧姆接触的优选实施例（其意欲是说明性的而非限制性的），但是应当注意，本领域技术人员根据上述教导，可以做出修改和变化。因此，应当理解，可以对公开的本发明的特定实施例进行改变，其仍然落在由所附权利要求书所限定的本发明的范围和精神之内。因此，已经描述了本发明的方面，具有专利法要求的细节和特殊性，在附加权利要求书中阐述由专利证保护的所要求和期望的内容。

Claims (25)

1.一种光伏设备，包括：

光伏栈，具有N-掺杂层、P-掺杂层和本征层；和

透明电极，在光伏栈上形成并且包括碳基层和高功函数金属层，所述高功函数金属层被布置在碳基层与P-掺杂层之间的分界面处以使得高功函数金属层形成降低的势垒接触并且是光透射的。

2.如权利要求1所述的光伏设备，其中碳基层包括碳纳米管和石墨烯中的一个。

3.如权利要求1所述的光伏设备，其中N-掺杂层、本征层和P-掺杂层包括非晶硅。

4.如权利要求1所述的光伏设备，其中降低的势垒接触包括欧姆接触。

5.如权利要求1所述的光伏设备，其中所述设备包括柔性基板。

6.如权利要求1所述的光伏设备，还包括在与透明电极相反的侧上耦接到光伏栈的至少一个后反射体层。

7.如权利要求1所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括金、银、钯和铂中的一个或多个。

8.如权利要求1所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括大于碳基层的功函数。

9.如权利要求1所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括大约0.1纳米和大约20纳米之间的厚度。

10.如权利要求1所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括不连续的纳米点层。

11.一种光伏设备，包括：

光伏栈，具有P型层、本征层和N型层；

在光伏栈的P型层上形成的透明电极，所述透明电极包括碳基层和高功函数金属层，所述高功函数金属层被布置在碳基层与P型层之间的分界面处以使得高功函数金属层形成降低的势垒接触并且是光透射的；和

与N型层接触地布置的反射性的金属基板。

12.如权利要求11所述的光伏设备，其中导电的碳基层包括纳米管和石墨烯中的一个。

13.如权利要求11所述的光伏设备，其中P型层、本征层和N型层包括非晶硅。

14.如权利要求11所述的光伏设备，其中降低的势垒接触包括欧姆接触。

15.如权利要求11所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括金、银、钯和铂中的一个或多个。

16.如权利要求11所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括大于导电的碳基层的功函数。

17.如权利要求11所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括大约0.1纳米和大约20纳米之间的厚度。

18.如权利要求11所述的光伏设备，其中高功函数金属层包括不连续的层。

19.如权利要求18所述的光伏设备，其中不连续的层包括纳米点。

20.一种用于形成光伏设备的方法，包括：

在第一电极上形成光伏栈，该栈包括N型层、本征层和P型层；

在光伏栈上沉积高功函数金属层；以及

在高功函数金属层上方形成碳基层以使得碳基层和高功函数金属层形成光透射的降低的势垒接触。

21.如权利要求20所述的方法，其中碳基层包括碳纳米管和石墨烯中的一个。

22.如权利要求20所述的方法，其中N型层、本征层和P型层包括非晶硅。

23.如权利要求20所述的方法，其中降低的势垒接触包括欧姆接触。

24.如权利要求20所述的方法，其中高功函数金属层包括金、银、钯和铂中的一个或多个。

25.如权利要求20所述的方法，其中沉积高功函数金属层包括将高功函数金属层沉积为不连续的纳米点层。

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