CN103681892A - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池及其形成方法。所述太阳能电池包括底电极层，半导体光吸收层，以及TCO顶电极层。在一种实施方式中，TCO种子层形成在所述顶电极和吸收层之间以改进顶电极至吸收层的粘合力。在一种实施方式中，所述种子层以比形成TCO顶电极层的温度低的温度形成并且具有不同微观结构。本发明还公开了太阳能电池。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明总体上涉及光伏太阳能电池，更具体地，涉及薄膜太阳能电池及其形成方法。
背景技术
薄膜光伏(PV)太阳能电池是一类以光的形式利用可再生能源的能源设备，其中光转换成有用电能以用于多种应用。薄膜太阳能电池是通过在衬底上沉积各种半导体和其他材料的薄层和薄膜形成的多层半导体结构。这些太阳能电池可以以由多个单电互连电池组成的一些方式制作成重量轻可弯曲的薄膜。作为用于便携式电子设备、航空航天以及居民和商业楼宇(可被结合到各种结构部件例如屋顶墙板、建筑物的正面以及天窗)内的电能源，重量轻和可弯曲的属性给了薄膜太阳能电池广泛的潜在应用。
薄膜太阳能电池半导体封装件通常包括形成在衬底上的底部接触件或者电极以及形成在底电极上面的顶部接触件或者电极。顶电极由诸如透光导电氧化物(“TCO”)材料制成。TCO材料易受到环境因素(包括水、氧气和二氧化碳)造成的损害和性能退化。这种TCO退化可导致高串联电阻(Rs)并且导致太阳能电池较低的太阳能量转换率。
因而期望解决前述问题的改进的薄膜太阳能电池。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种薄膜太阳能电池，包括：
形成在衬底上的底电极层；
形成在所述底电极层上的半导体吸收层；
形成在所述吸收层上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的透明导电氧化物(TCO)种子层；以及
形成在所述TCO种子层上的块状TCO顶电极层，所述块状TCO顶电极层通过限定延伸穿过所述缓冲层和所述吸收层的垂直通道的P2划线电连接至所述底电极层；
其中，所述TCO种子层具有与所述块状TCO顶电极层不同的微观结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层具有粒度比所述块状TCO顶电极层的粒度小的微观结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层的膜厚小于所述块状TCO顶电极层的厚度。
在可选实施例中，所述TCO种子层的膜厚在大约50nm至大约300nm之间。
在可选实施例中，所述块状TCO顶电极层的膜厚为1000nm以上。
在可选实施例中，所述TCO种子层具有晶体与所述块状TCO顶电极层中的晶体为不同取向角的多晶结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层延伸进所述P2划线。
在可选实施例中，所述TCO种子层介于所述块状TCO顶电极层与由所述吸收层和缓冲层限定的P2划线内的侧壁之间。
在可选实施例中，所述吸收层包括p型硫族化物材料或者CdTe。
在可选实施例中，所述吸收层包括选自由Cu(In，Ga)Se2、Cu(In，Ga)(Se，S)2、CuInSe2、CuGaSe2、CuInS2和Cu(In，Ga)S2所组成的组的材料。
在可选实施例中，所述顶电极的材料为选自由氧化锌、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、掺铟氧化锌、掺氟二氧化锡、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化锡锑(ATO)以及碳纳米管层所组成的组中的n型材料。
根据本发明的另一方面，还提供了一种薄膜太阳能电池，包括：
形成在衬底上的底电极层；
形成在所述底电极层上的半导体吸收层；
形成在所述吸收层上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的TCO种子层；
形成在所述TCO种子层上的块状双层TCO顶电极层，所述块状双层TCO顶电极层通过限定延伸穿过所述缓冲层和所述吸收层的垂直通道的P2划线电连接至所述底电极层；
其中，所述块状双层TCO顶电极层包括下TCO层和形成在所述下TCO层上的上TCO层，所述上TCO层的掺杂剂浓度不同于所述下TCO层的掺杂剂浓度；
其中，所述TCO种子层具有与所述块状双层TCO顶电极层的所述下TCO层或者所述上TCO层不同的微观结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层具有粒度比所述下TCO层或者所述上TCO层的粒度小的微观结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层的膜厚小于所述下TCO层或者所述上TCO层的厚度。
在可选实施例中，所述上TCO层的掺杂剂浓度高于所述下TCO层的掺杂剂浓度。
在可选实施例中，所述TCO种子层具有晶体与所述块状TCO顶电极层中的晶体为不同取向角的多晶结构。
在可选实施例中，所述TCO种子层延伸进所述P2划线。
根据本发明的又一方面，还提供了一种用于形成薄膜太阳能电池的方法，包括：
在衬底上沉积导电的底电极层；
在所述底电极层上沉积吸收层；
在所述吸收层上沉积缓冲层；
以第一温度在所述缓冲层上沉积TCO种子层；以及
以高于所述第一温度的第二温度在所述TCO种子层上沉积块状TCO顶电极层。
在可选实施例中，所述方法进一步包括在沉积所述TCO种子层之后形成穿过所述吸收层的开口P2划线。
在可选实施例中，沉积所述块状TCO顶电极层进一步包括：在所述TCO种子层上沉积下TCO层；以及，在所述下TCO层上沉积上TCO层，其中，所述上TCO层的掺杂剂浓度不同于所述下TCO层的掺杂剂浓度。
附图说明
下面结合附图描述优选实施例的特征，附图中相似的元件进行类似的标号，并且其中：
图1是根据本发明的薄膜太阳能电池的第一实施例的截面图；
图2示出了形成薄膜太阳能电池的示例性工艺中的顺序步骤的流程图；
图3是用于在衬底上沉积TCO薄膜层的装置的图；
图4和图5分别是TCO种子层和块状TCO顶电极层的扫描电子显微镜图像；
图6是根据本发明的对比形成的TCO种子层和块状TCO顶电极层的X-射线衍射曲线；
图7是根据本发明的薄膜太阳能电池的第二实施例的截面图；
图8示出了形成薄膜太阳能电池的示例性工艺中的顺序步骤的流程图；
图9是根据本发明的薄膜太阳能电池的第三实施例的截面图；
图10示出了形成薄膜太阳能电池的示例性工艺中的顺序步骤的流程图；
图11根据本发明的薄膜太阳能电池的第四实施例的截面图；以及
图12示出了形成薄膜太阳能电池的示例性工艺中的顺序步骤的流程图。
所有附图都是示意性的并且不按比例绘制。
具体实施方式
示例性实施例的描述旨在结合附图阅读，所述附图视为整个说明书的一部分。在本文披露的实施例的描述中，任何参考方向或者方位仅旨在便于描述并不旨在以任何方式限制本发明的范围。诸如“下面的”、“上面的”、“水平的”、“垂直的”、“在...之上”、“在...之下”、“在...上面”、“在...下面”、“在...顶部”、“在...底部”等关系术语以及它们的派生词(例如，“水平地”，“向下地”，“向上地”等)，应当构造成指后面描述的方向或者下面阐述的附图中所示的方向。这些关系术语仅便于描述并不要求装置以特定的方向构造或者操作。除非另有所指，诸如“附加的”、“附加”、“连接的”和“互连的”之类的术语指其中结构通过中间结构直接或者间接相互固定或者连接的关系，以及可移动的或者严格的连接关系。而且，参考实施例示例说明本发明的部件和优点。因此，本发明不应明确限制于示例说明可单独存在或者存在在其他部件组合中的一些可能的非限制性部件的组合的实施例；本发明的范围由此处所附的权利要求限定。本文中所述术语“芯片”和“管芯”可互换使用。
发明人发现，在一些实施例中，在吸收层和较厚的块状(bulk)或者主TCO顶电极层之间形成薄膜TCO种子层，改善(即，增加)了顶电极层与吸收层的粘合力。有利地，TCO顶电极层更能抵抗TCO种子层的剥落损坏，从而改善了太阳能电池的性能和可靠性，尤其在太阳能电池经受引起TCO顶电极层的剥落和分离的热循环时。
在一些实施例中，前述的粘合改善和优势通过在沉积工艺中实施温度低于那些通常用于形成TCO顶电极层的温度形成TCO种子层来实现。这产生了与后续在其上形成的主TCO顶电极层相比具有不同微观结构的种子层，该种子层具有更细或者更小的粒度。较小的粒度与给予主TCO层的增强的粘合特性有关。因此，本发明的实施例具有粒度与主TCO顶电极层的粒度不同的TCO种子层。
图1示出了薄膜太阳能电池100的第一实施例，该薄膜太阳能电池100具有在形成太阳能电池半导体封装件的工艺期间原位形成的TCO种子层。太阳能电池100包括衬底110、形成在其上的底电极层120(也称为“背接触件”)、形成在底电极层120上的吸收层130、形成在吸收层130上的缓冲层140、形成在缓冲层140上的TCO种子层160以及形成在TCO种子层上的TCO顶电极层150。
太阳能电池100进一步包括在太阳能电池形成工艺期间被图案化并且切割成半导体结构以互连各种导电材料层和分离相邻的太阳能电池的微通道。这些本领域通常所称的微通道或者“划线”在半导体太阳能电池制造工艺期间用与他们功能和步骤相关的“P”标号表示。P1和P3划线基本上用于电池隔离。P2划线形成连接。P1划线将CIGS吸收层与衬底互连并且将TCO板图案化成许多单个的电池。P2划线去除吸收材料以将顶部TCO电极互连至底电极从而防止中间缓冲层作为顶电极和底电极之间的障碍。P3划线完全延伸穿过TCO、缓冲层和吸收层至底电极以隔离由P1和P2划线限定的每个电池。
现将进一步详述太阳能电池100和如图2中所示的形成包括TCO种子层160的太阳能电池100方法的示例性实施例。
现在参照图1和2，在步骤200中，首先通过在本领域使用的任何合适的常规方法清洁衬底110以准备用于接收低电极层的衬底。在一种实施例中，可通过在刷子工具或者超声清洁工具中使用清洁剂或者化学剂清洁衬底110。
可用于衬底110的合适的常规材料包括但不限于：玻璃(例如但不限于碱石灰玻璃)、陶瓷、金属(例如但不限于不锈钢和铝的薄片)，或者聚合物(例如但不限于聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚乙烯萘、高分子碳氢化合物、纤维素聚合物、聚碳酸酯、聚醚以及其他化合物。在一种优选实施例中，玻璃可用于衬底110。
接着，通过本领域常用的任何常规方法(包括但不限于溅射、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或者其他技术)在衬底110(步骤205)然后形成上底电极层120。
在一种实施例中，底电极层120可由钼(Mo)制造；然而，也可以使用本领域常用的其他合适的导电金属和半导体材料(例如，Al、Ag、Sn、Ti、Ni、不锈钢、ZnTe等等)。
在一些代表性的实施例中，但不限于所述实施例，底电极层120可具有范围在大约0.1至1.5微米(μm)内并且包括0.1和1.5微米(μm)的厚度。在一种实施例中，层120具有大约0.5μm的典型厚度。
继续参照图1和图2，接着在底电极层120中形成P1图案化的划线(步骤210)以暴露如所示的衬底110的顶面。本领域常用的任何合适的划割方法可以使用而不限于诸如用触针或者激光划线的机械划线。
接着，在底电极层120的顶部上形成p型掺杂半导体吸光层130(步骤215)。如图1中所示，吸收层130材料进一步填充P1划线并且接触衬底110的暴露顶面以将层130与衬底互连。
在一种实施例中，吸收层130可以为本领域常用的p型掺杂硫族化物材料，在一些可能的实施例中，例如但不限于CIGSCu(In，Ga)Se2。也可以使用其他合适的硫族化物材料，包括但不限于Cu(In，Ga)(Se，S)2或者“CIGSS”、CuInSe2、CuGaSe2、CuInS2以及Cu(In，Ga)S2。
可以常用于形成吸收层30的合适的p型半导体硫族化物材料包括但不限于Cu(In，Ga)Se2、Ag(In，Ga)Se2、Cu(In，Al)Se2、Cu(In，Ga)(Se，S)2、CuInSe2、CuGaSe2、CuInS2以及Cu(In，Ga)S2或者周期表的族II、III或者VI中的其他元素。
由CIGS形成的吸收层130可由本领域常用的任何合适的真空或者非真空工艺形成。这些工艺包括不限于硒化、硒化后硫化(“SAS”)、蒸发，溅射电沉积，化学气相沉积或者喷墨等等。
在一些代表性的实施例中，但不限于所述实施例，吸收层130可具有范围在大约且包括0.5微米至大约且包括5.0微米(μm)的厚度。在一种实施例中，吸收层130具有大约2μm的典型厚度。
继续参照图1和图2，然后在吸收层130上形成可以为CdS的n型缓冲层140以制成电有源n-p结(步骤220)。缓冲层140可通过本领域常用的任何合适的方法形成。在一种实施例中，可由本领域常用的用于使用含硫的电解质溶液形成这些层的常规电解质化学浸泡沉积(CBD)工艺形成缓冲层140。在一些典型实施例中，但不限于所述实施例，缓冲层140可具有范围在大约且包括0.005微米至大约且包括0.15微米(μm)内的厚度。在一种实施例中，缓冲层140具有大约0.015μm的典型厚度。
在形成CdS缓冲层140之后，接着切割P2划线并穿过吸收层130以在开口划线或者通道内暴露底电极120的顶面(步骤225)。本领域常用的任何合适的方法可用于如前所述切割P2划线，包括但不限于机械(例如，刻针)或者激光划线。稍后对P2划线从顶电极层150起填充导电材料以将顶电极互连至底电极层120。
继续参照图1和图2，在形成P2划线之后，由TCO材料制成的透光n型掺杂种子层160和顶电极层150接着形成在缓冲层140的顶部上以实现从电池收集电流(电子)，这使得太阳能电池上的大部分入射光理想地直接穿过至光吸收层130(步骤230)。在该第一实施例中，首先形成种子层160，随后形成主层150。顶电极将收集的电荷传输至外部电路。P2划线也至少部分用来自如图1所示的TCO种子层和主TCO层的TCO材料填充从而覆盖P2划线的垂直侧壁，并且底电极层120的顶部位于其内以在顶电极层150和底电极120之间形成电连接，从而创建了电子流路径。垂直侧壁由至少吸收层130和缓冲层140的暴露侧限定。在如图1所示的第一实施例中，TCO种子层160介于主TCO顶电极层150和P2划线中的侧壁之间。
铝(Al)和硼(B)是常用于薄膜太阳能电池中TCO顶电极的两个可能的n型掺杂剂；然而，其他合适的常规掺杂剂也可被使用，例如但不限于铝(Al)和硼(B)、镓(Ga)、铟(In)或者周期表的族III中的其他元素。TCO顶电极层150可通过本领域常用的任何合适的方法掺杂，包括但不限于离子注入。
在一种实施例中，用于顶电极层150的TCO可以为薄膜太阳能电池领域常用的任何常规材料。可以使用合适的TCO，包括但不限于氧化锌(ZnO)、掺硼氧化锌(“BZO”)、掺铝氧化锌(“AZO”)、掺镓氧化锌(“GZO”)、掺铟氧化锌(“IZO”)、掺氟二氧化锡(“FTO”或者SnO2:F)，氧化铟锡(“ITO”)，碳纳米管层或者拥有顶电极期望性能的任何其他合适的覆盖材料。在一种优选实施例中，使用的TCO是BZO。
在顶电极层150可由掺硼ZnO或者BZO制造的一些可能实施例中，应当注意，在较厚的n型掺杂TCO顶电极层150形成期间，可在吸收层130(未示出)的顶上形成薄本征ZnO膜。
图3示出了用于形成TCO种子层160和主TCO顶电极层150的一种可能装置。在一种实施例中，所述装置为本领域普通技术人员已知的CVD组合工具20，其具有缓冲腔室22和至少两个工艺反应腔室24，26以在衬底110上形成TCO种子层和主顶电极层。CVD工具20包括工艺气体供应系统30，用于将含有化学TCO层前体(例如但不限于用于ZnO TCO材料形成的DEZ)、在一些实施例中用于种子层160(可选的)和块状主TCO层150的掺杂剂的工艺气体，以及其他工艺气体引入至混合腔室32以提供给每个反应腔室24，26。气体流从混合腔室32通过接头管34流进位于每个反应腔室24，26的顶部的气体注入扩散器36。扩散器36(也为本领域已知的术语“莲蓬头”)包括多个开口，气体经过所述多个开口均匀分布在整个反应腔室。加热基座或者板38设置在每个反应腔室中，配置成在膜沉积工艺期间支承和加热衬底110。缓冲腔室22包括加热板38并且可包括插入气体源(例如，氮气)。缓冲腔室仅用于预加热将在反应腔室24，26中处理的太阳能电池衬底110的温度，用于将衬底的温度从室温提高至大约或者仅低于各反应腔室中使用的衬底的工艺温度，从而缩短了反应腔室中的工艺时间从而提高CVD工具的生产能力。
前述的CVD工具是商用的，在不再进一步详述的情况下本领域普通技术人员已知它们的布置和操作。
参照图1-图3，在一种实施例中，TCO种子层160通过在缓冲腔室22中预加热太阳能电池衬底110形成。衬底110具有已经形成的吸收层130和CdS缓冲层140，并且P2划线已经如上所述完成。衬底的温度升高至期望的温度，理想地接近或者大约为反应腔室24中将形成种子层160使用的衬底工艺温度。在预加热衬底110之后，所述衬底被转移到反应腔室24。衬底110被加热至期望的工艺温度。在一种实施例中，衬底工艺温度在大约且包括100摄氏度至大约且包括140摄氏度的范围内。理想地，期望形成TCO种子层的温度小于用于形成块状主TCO电极层的衬底温度，因为这将使得种子层的粒度小于块状层的粒度，这将为顶电极层粘合在缓冲层140和吸收层130上提供期望的改进的粘合特性。
一旦达到期望的衬底工艺温度，通过将工艺气体引入反应腔室24内开始TCO种子层形成工艺。膜沉积工艺继续一段足够的时间以形成具有期望厚度的种子层。在示例性实施例中，TCO种子层160的厚度小于块状主TCO顶电极层150的厚度。在一种典型的示例性实施例中，但不限于该实施例，TCO种子层160的厚度在大约且包括50nm至大约且包括300nm内。这足以形成使主TCO顶电极层150的粘合特性令人满意地提高从而降低或者消除脱落的种子层。相对比的，在一些实施例中，TCO顶电极层150的厚度在大约且包括1000nm至大约且包括3000nm内以实现好的电流收集性能。因此，在一些实施例中，TCO种子层160具有小于主TCO层150厚度的一半的厚度。
因此，在一些实施例中，由于较低温度形成的种子层趋于具有比禁止电流流动的块状顶电极层高的电阻率并因而降低太阳能电池性能，因此期望TCO种子层160的厚度小于TCO顶电极层150的厚度。因此，TCO种子层160具有的厚度应当足以改进块状TCO层150到吸收层130的粘合，然而厚度不会厚到可能降低太阳能电池性能。接着，具有TCO种子层160形成在其上的衬底110直接转移至块状TCO反应腔室26内，或者可选地转移至缓冲腔室22内以在引入腔室26内之前快速预加热衬底。在后面的情况中，衬底110被加热至接近或大约为块状TCO反应腔室26中使用的衬底工艺温度。由于在示例性实施例中块状TCO层150沉积工艺在高于TCO种子层160形成的温度下进行，因此可能期望缓冲腔室22中的预加热步骤以降低块状TCO反应腔室26中的工艺时间。在预加热之后，所述衬底被转移到反应腔室26。
继续参照图1-图3，接着，在反应腔室26中以类似于上面已经描述的TCO种子层160形成的方式在衬底110的种子层160上直接形成块状主TCO顶电极层。然而，所述衬底通过加热板38加热至更高的工艺温度。在一种实施例中，块状TCO反应腔室26中使用的衬底工艺温度不限于在大约至少190度。这生成了粒度大于种子层160的粒度的主TCO顶电极层。当完成时，部分完成的薄膜太阳能电池将显示为如图1所示。在一些实施例中，高温块状TCO顶电极层150形成在约195-200摄氏度之间且包括195摄氏度和200摄氏度。
图4和图5是根据本发明实施例对比生成的种子层160微观结构与较高温度形成的块状TCO层150颗粒结构的实际扫描电子显微镜(SEM)图像。与在高沉积温度形成的TCO体层相比，与改进TCO顶电极层150的粘合性关联的种子层160多晶结构的较小粒度是明显的。进行形成的TCO种子层160和块状顶电极层150的X射线衍射(XRD)分析。图6是反射强度对检测器角度的XRD分析的图，其显示与具有大约32度角的块状TCO层150相比TCO种子层160多晶结构具有大约34.4度的不同取向角，从而进一步确认种子层的不同晶向和颗粒结构。通过根据本发明使用的较低的CVD沉积温度实现TCO种子层的不同的结构和粘合特性。
尽管在一种非限制性实施例中描述了使用CVD工艺形成TCO种子层160和顶电极层150，应当理解半导体领域使用的其他合适的薄膜形成工艺也可以使用，包括不限于原子层沉积(ALD)和物理气相沉积(PVD)作为两个可能的实例。而且，可在具有单工艺反应腔室而没有用于预加热衬底的缓冲腔室的薄膜沉积工具中形成TCO种子层160和顶电极层150。因此，根据本发明的实施例不限于本文所述的半导体工艺工具。
根据本发明的前述工艺的优势为TCO种子层160和顶电极层150都形成在同一机器中，并且由相同的材料组成。这使得太阳能电池形成的制造工艺流程更经济并且降低了成本。
现在继续参照图1和图2，上述的TCO种子层160和顶电极层150形成之后，P3划线形成在薄膜太阳能电池100中(步骤240)。P3划线延伸穿过(从顶部至底部)TCO顶电极层150、TCO种子层160、缓冲层140、吸收层130以及底电极层120向下至衬底110的顶部，如图1所示。
如本领域技术人员将了解和理解的，可在本文披露的薄膜太阳能电池结构形成之后如图2所示进行另外的常规后端制程和压合。这可包括将顶部覆盖玻璃压合到太阳能电池结构上以在其之间使用合适的胶囊密封材料保护顶电极层150，例如但不限于EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)和丁基合成橡胶以密封电池(图2中的步骤245和250)。EVA和丁基合成橡胶胶囊密封材料在本领域常使用并且直接施加到本实施例的顶电极层150上，接着在其上施加顶部覆盖玻璃。
然后如图2中所示，可完成合适的进一步的后端工艺，这可包括以本领域已知的常规方式在顶电极150上面形成前导电栅接触件和一个或者多个抗反射涂层(未示出)。所述栅接触件会向上突出穿过任何抗反射涂层并至抗反射涂层的上表面外以用于连接外电路。太阳能电池制造工艺产生完成的并且完整的薄膜太阳能电池组件。
图7和图8分别示出了薄膜太阳能电池200及其形成方法的第二实施例。第二实施例和方法类似于已描述的用于制造薄膜太阳能电池100第一实施例和工艺(参见图1和图2)并且包括形成TCO种子层160和块状顶电极层150。然而，TCO种子层160和顶电极层150和P2划线的相同的形成步骤的顺序如图8所示变化，导致图7中示出的稍有不同的结构。TCO种子层160在P2划线之前形成，这因而造成仅主TCO顶电极层150覆盖P2划线的侧壁和底部(与图1相比)。如图7所示，P2划线从划线内去除TCO种子层。
图9和图10分别示出了薄膜太阳能电池300及其形成方法的第三实施例。第三实施例和方法类似于已描述的用于制造薄膜太阳能电池100的第一实施例和方法(参见图1和图2)并且包括形成TCO种子层160和块状顶电极层150。然而，块状顶电极层150的形成由形成包括下TCO层152和上TCO层154的两部分或者两层构成。在一种实施例中，如所示，上TCO层154直接形成在下TCO层152上，下TCO层152直接形成在TCO种子层160上。两层结构提供了形成上TCO层154和下TCO层152具有不同的掺杂剂水平的能力。在一些示例性实施例中，下TCO层152具有低掺杂或者根本没有掺杂，并且在一些实施例中，上TCO层154具有高掺杂。这种双层结构归因于顶电极层中改进的电流传输和降低的电阻率，从而与一些单TCO顶电极层相比改进了太阳能电池性能和效率。
因此，块状下TCO层152具有低掺杂剂水平或者根本没有掺杂剂(即，未掺杂)而块状上TCO层154相对于下层具有高掺杂剂水平。可以使用任何合适的掺杂剂包括本文前面已描述的用于太阳能电池中掺杂TCO的那些。
因此，继续参照图9和图10，形成双层块状TCO顶电极层150的步骤包括首先沉积下TCO层152，之后沉积上TCO层154。在一种实施例中，相比于用于形成较小颗粒的TCO种子层160低温度，以类似于图1和图2中的单TCO顶电极层150的高温度(例如，190度C或者以上)形成下TCO层152和上TCO层154。在一些实施例中，通过用具有化学前体气体流引入反应腔室内并持续一段时间来改变反应腔室内的掺杂剂浓度，可在与下层152相同的反应腔室26中随后形成上TCO层154。在一种实施例中，下TCO层152和上TCO层154由相同的TCO材料形成。在考虑的其他可能的实施例中，用不同TCO材料形成下TCO层152和上TCO层154是可能的。
在一种示例性实施例中，但不限于该实施例，上TCO层154可具有大约且包括500nm至大约且包括1500nm的典型厚度，下TCO层152可具有大约且包括1000nm至大约且包括3000nm的典型厚度。因此，在一些实施例中，下TCO层152和上TCO层154可具有大约相同或者不同的厚度。
在一些实施例中，顶电极双层结构的下TCO层152和上TCO层154的粒度微结构与图1和图7中示出的并在本文描述的单层TCO顶电极层的粒度微结构相类似。
在图9示出的实施例中，在P2划线之后形成TCO种子层160，从而导致仅双层TCO顶电极层150(由下TCO层152和上TCO层154组成)和种子层160覆盖P2划线的侧壁和底部。
图11和图12分别示出了薄膜太阳能电池400及其形成方法的第四实施例。第四实施例和方法类似于已经描述的用于制造薄膜太阳能电池300的第三实施例和工艺(参见图9和图10)，与形成TCO种子层160和高温形成的由包括下TCO层152和上TCO层154的双层构造组成的块状顶电极层150相关。然而，太阳能电池400中的TCO种子层160在P2划线之前形成，从而导致仅主双层TCO顶电极层150覆盖P2划线的侧壁和底部(将图11与图9相比)。P2划线从如图11中所示的划线内去除TCO种子层160(也类似于具有单层TCO顶电极层150的图7和图8)。由于P2划线去除了种子层160的侧壁，电流流过侧壁中的块状TCO，而没有流过种子层，从而改善了电流流动和太阳能电池的性能/效率。
根据本发明的一种示例性实施例，一种薄膜太阳能电池包括形成在衬底上的底电极层，形成在所述底电极层上的半导体吸收层，形成在所述吸收层上的缓冲层，形成在所述缓冲层上的透明导电氧化物(TCO)种子层；以及形成在所述TCO种子层上的块状TCO顶电极层。所述块状TCO顶电极层通过限定垂直通道延伸穿过缓冲层和吸收层的P2划线电连接至底电极层。所述TCO种子层具有与所述块状TCO顶电极层不同的微观结构，从而改进了顶电极层至吸收层-缓冲层的粘合。在一种实施例中，TCO种子层具有粒度比块状TCO顶电极层的粒度小的微观结构。
根据另一种示例性实施例，一种具有双层顶电极层的薄膜太阳能电池包括形成在衬底上的底电极层，形成在所述底电极层上的半导体吸收层，形成在所述吸收层上的缓冲层，形成在所述缓冲层上的透明导电氧化物(TCO)种子层，以及形成在所述TCO种子层上的块状双层TCO顶电极层。块状双层TCO顶电极层通过限定垂直通道延伸穿过所述缓冲层和吸收层的P2划线电连接至所述底电极层。所述块状双层TCO顶电极层包括下TCO层和形成在所述下TCO层上的上TCO层，所述上TCO层的掺杂剂浓度与所述下TCO层的掺杂剂浓度不相同。在一种实施例中，所述上TCO层具有比具有低掺杂剂水平或者未掺杂的下TCO层高的掺杂剂水平。所述TCO种子层具有与块状双层TCO的第一或者第二顶电极层不同的微观结构。在一种实施例中，TCO种子层具有粒度比下TCO层或者上TCO层的粒度小的微观结构。
根据一种示例性实施例，一种用于形成薄膜太阳能电池的方法，包括步骤：在衬底上沉积导电底电极层；在所述底电极层上沉积吸收层；在所述吸收层上沉积缓冲层；以第一温度在所述缓冲层上沉积TCO种子层；以及以高于所述第一温度的第二温度在所述TCO种子层上沉积块状TCO顶电极层。
尽管前面的描述和附图表示了本发明的示例性实施例，应当理解可在本文中做各种增加，修改和替换而不背离所附权利要求的等同的精神和范围。特别地，本领域普通技术人员清楚，在不背离公开文本的精神和基本特性的情况下，本发明可以其他形式、结构、布置、比例、尺寸体现并且具有其他元件、材料和部件。另外，在不背离本发明精神的情况下，可对本文描述的可应用的方法/工艺和/或控制逻辑做多种变形。本领域技术人员可以进一步理解，本发明可以使用对用于本发明实践的结构、布置、比例、尺寸、材料和部件以及其他进行的许多修改，在不背离本发明原理的情况下具体适用于具体环境和操作需求。因而，当前公开的实施例在所有方面视为示例性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定，并且不限于前面的描述或者实施例。而且，所附权利要求应当广泛构造成包括在不背离本发明等同范围情况下本领域普通技术人员可作出的本发明的其他变形和实施例。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，包括：
形成在衬底上的底电极层；
形成在所述底电极层上的半导体吸收层；
形成在所述吸收层上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的透明导电氧化物(TCO)种子层；以及
形成在所述TCO种子层上的块状TCO顶电极层，所述块状TCO顶电极层通过限定延伸穿过所述缓冲层和所述吸收层的垂直通道的P2划线电连接至所述底电极层；
其中，所述TCO种子层具有与所述块状TCO顶电极层不同的微观结构。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述TCO种子层具有粒度比所述块状TCO顶电极层的粒度小的微观结构。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述TCO种子层的膜厚小于所述块状TCO顶电极层的厚度。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中，所述TCO种子层的膜厚在大约50nm至大约300nm之间。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述块状TCO顶电极层的膜厚为1000nm以上。
6.一种薄膜太阳能电池，包括：
形成在衬底上的底电极层；
形成在所述底电极层上的半导体吸收层；
形成在所述吸收层上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的TCO种子层；
形成在所述TCO种子层上的块状双层TCO顶电极层，所述块状双层TCO顶电极层通过限定延伸穿过所述缓冲层和所述吸收层的垂直通道的P2划线电连接至所述底电极层；
其中，所述块状双层TCO顶电极层包括下TCO层和形成在所述下TCO层上的上TCO层，所述上TCO层的掺杂剂浓度不同于所述下TCO层的掺杂剂浓度；
其中，所述TCO种子层具有与所述块状双层TCO顶电极层的所述下TCO层或者所述上TCO层不同的微观结构。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中，所述TCO种子层具有粒度比所述下TCO层或者所述上TCO层的粒度小的微观结构。
8.一种用于形成薄膜太阳能电池的方法，包括：
在衬底上沉积导电的底电极层；
在所述底电极层上沉积吸收层；
在所述吸收层上沉积缓冲层；
以第一温度在所述缓冲层上沉积TCO种子层；以及
以高于所述第一温度的第二温度在所述TCO种子层上沉积块状TCO顶电极层。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在沉积所述TCO种子层之后形成穿过所述吸收层的开口P2划线。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，沉积所述块状TCO顶电极层进一步包括：
在所述TCO种子层上沉积下TCO层；以及
在所述下TCO层上沉积上TCO层，其中，所述上TCO层的掺杂剂浓度不同于所述下TCO层的掺杂剂浓度。
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