CN104659115B - 太阳能电池接触件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了太阳能电池器件及其制造方法。太阳能电池包括：背面接触件、位于背面接触件上方的吸收件、以及位于吸收件上方的正面接触件。背面接触件包括背面电极层和石墨烯层。

Description

太阳能电池接触件及其制造方法
技术领域
本发明涉及光伏太阳能电池和模块及其制造方法。更具体地，本发明涉及具有改进的器件性能的太阳能电池子结构（诸如包括背面接触件的结构）。
背景技术
太阳能电池是通过光伏（PV）效应由太阳光直接产生电流的电子器件。太阳能电池包括位于正面接触层和背面接触层之间的吸收层。吸收层吸收用于转化为电流的光线。正面接触层和背面接触层帮助进行光捕获及光电流提取，并且将电接触件提供至太阳能电池。背面接触层在与光照位置相对的一侧上接触吸收层。多个太阳能电池通过相应的互连结构串联连接以形成太阳能电池模块。可以连接多个模块以形成阵列。
由于对清洁能源需求的增长，近年来，太阳能电池的制造快速地发展并持续地发展。存在各种类型的太阳能电池子结构，并且其不断发展以试图改进太阳能电池、模块和系统的性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种太阳能电池，包括：背面接触件，包括背面电极层和至少一个石墨烯层；吸收件，位于所述背面接触件上方；以及正面接触件，位于所述吸收件上方。
其中，所述石墨烯层位于所述背面电极层上方。
其中，所述石墨烯层位于所述背面电极层下方。
其中，所述石墨烯层的电阻率介于约10-6Ω·cm至约10-4Ω·cm的范围内。
其中，所述石墨烯层的厚度介于1nm至100nm的范围内。
其中，所述背面电极层包括金属。
其中，所述背面电极层的电阻率介于约10-4Ω·cm至约10-2Ω·cm的范围内。
其中，所述背面电极层包括分布式布拉格反射器（DBR）。
其中，所述背面电极层包括多个堆叠的分布式布拉格反射器（DBR）层。
其中，所述多个堆叠的DBR层包括介于2层至10层的范围内的偶数个层。
其中，所述多个堆叠的DBR层具有80%以上的光反射。
此外，还提供了一种用于制造太阳能电池的方法，包括：通过在衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层而在所述衬底上形成背面接触件；在所述背面接触件上方形成吸收件；以及在所述吸收件上方形成正面接触件。
其中，所述背面电极层包括电阻率比Mo高的金属。
其中，按照如下顺序实施所述沉积的步骤：（a）沉积所述背面电极层；以及（b）在所述背面电极层上方沉积所述石墨烯层。
其中，按照如下顺序实施所述沉积的步骤：（a）沉积所述石墨烯层；以及（b）在所述石墨烯层上方沉积所述背面电极层。
其中，沉积所述背面电极层的步骤包括：在所述衬底上方沉积多个分布式布拉格反射器（DBR）层。
其中，沉积所述DBR层的步骤包括：（a）在所述衬底上方沉积第一DBR材料；以及（b）在所述第一DBR材料上方沉积第二DBR材料。
其中，重复所述沉积的步骤（a）和（b）至少一次。
此外，还提供了一种用于制造太阳能电池的方法，包括：提供衬底；通过在所述衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层而在所述衬底上方形成背面接触件；在所述背面接触件上方形成吸收件；在所述吸收件上方形成缓冲层；以及在所述缓冲层上方形成正面接触件。
其中，所述石墨烯层与所述背面电极层的上表面或下表面直接接触；并且所述石墨烯层的电阻率比所述背面电极层的电阻率低。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据以下的详细说明可以更好地理解本发明。应该强调，根据常规实践，附图的各个部件不必按比例绘制。相反，为了清楚起见，各个部件的尺寸可以被任意地增大或减小。在整个说明书和附图中，相似的参考标号代表相似的部件。
图1是根据本文描述的太阳能电池的截面图。
图2是根据本文描述的用于太阳能电池的背面接触件和吸收件的示例性截面图。
图3是根据本文描述的用于太阳能电池的背面接触件和吸收件的示例性截面图。
图4是根据本文描述的用于太阳能电池的背面接触件和吸收件的示例性截面图。
图4A是图4的示例性背面接触件和吸收件的示例性截面图。
图5是根据本文描述的用于太阳能电池的背面接触件和吸收件的示例性截面图。
图6是根据本文描述的制造太阳能电池的方法的流程图。
图7是根据本文描述的制造太阳能电池的方法的流程图。
具体实施方式
在说明书中，相对位置关系术语诸如“低于”、“高于”、“在…上方”、“在…下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词（例如，“向下地”、“向上地”等）应被解释为是指如随后所述的或者如论述中附图所示的方位。这些相对位置关系术语是为了便于描述，并不要求在具体方位上构造或操作器件。除非另有明确描述，否则关于附接、连接等的术语（诸如“连接”和“互连”）是指其中结构直接或通过中介结构间接地固定或附接至另一个结构的关系，以及两者都是可移动或刚性的附接或关系。
本发明提供了改进的光伏太阳能电池器件和用于制造该器件和子结构的方法。串联电阻（RS）和短路电流密度（JSC）是用于改进功率的主要因素，并且本发明提供了具有改进的JSC和较低的RS的薄膜太阳能电池，从而增强模块效率。尽管下文描述了薄膜太阳能电池的特定实例，但是本文所描述的结构和方法也可以应用于各种薄膜太阳能电池中，包括黄铜矿基太阳能电池（诸如Cu(In,Ga)Se2（CIGS）、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)(Se,S)2等）、非晶硅薄膜、具有pn结的碲化镉（CdTe）、p-i-n结构、MIS结构、多结等。
图1示出了根据本发明的太阳能电池器件10。太阳能电池10包括背面接触件20、位于背面接触件20上方的吸收件30、以及位于吸收件30上方的正面接触件50。在一些实施例中，太阳能电池10包括衬底15、位于衬底15上方的背面接触件20、位于背面接触件20上方的吸收件30、位于吸收件30上方的缓冲层40、以及位于缓冲层40上方的正面接触件50。
在一些实施例中，衬底15可以包括玻璃（例如，钠钙玻璃或无钠（高应变点）玻璃）、柔性金属箔或聚合物（例如，聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN））或其他合适的衬底材料。
在一些实施例中，背面接触件20为集成的背面接触件20，其包括与石墨烯层25集成的背面电极层21。石墨烯为碳的同素异形体，且碳原子以六边形图案排列。石墨烯层25包括石墨烯或包括石墨烯的化合物（例如，氧化石墨烯）。在一些实施例中，石墨烯层的厚度介于约1nm至100nm的范围内。如本文中所使用的，就厚度而言的术语“约”包括与标称值相比具有较小的偏差。例如，偏差为正负1nm、或正负2nm、或正负5nm。在一些实施例中，石墨烯层25可以具有较低的RS。例如，石墨烯层25可以具有介于约10-6Ω·cm至约10-4Ω·cm的电阻率，或石墨烯层25可以具有介于约10-6Ω·cm至约10-5Ω·cm的电阻率。
如本文所使用的，就石墨烯层25而言的术语“集成的”表示邻近或连接至背面电极层21以形成背面接触件20。图2至图5示出了在太阳能电池10中石墨烯层25和背面电极层21的各种配置。为了简洁和便于描述，图2至图5中未示出划线P1至P3。如图2所示，在一些实施例中，石墨烯层25沿背面电极层的上表面与背面电极层21集成。如图3所示，在一些实施例中，石墨烯层25与背面电极层21的下表面集成。在其他实施例中（未示出），石墨烯层25与背面电极层21的上表面或下表面的一部分集成，或集成在背面电极层21内。
背面电极层21包括合适的导电材料，诸如金属和金属前体。在一些实施例中，背面电极层21可以包括钼（Mo）、铂（Pt）、金（Au）、镍（Ni）或铜（Cu）。在其他实施例中，可以选择具有较高反射率的材料用于背面导电层21。在一些实施例中，背面电极层21可以包括具有比Mo高的反射率的材料。例如，Ta和Nb表现出比Mo更高的平均反射率。因此，背面电极层21可以优选地包括钨（W）、钽（Ta）、铌（Nb）、银（Ag）、铬（Cr）、钒（V）、钛（Ti）或锰（Mn）。
在一些实施例中，如图4至图5所示，背面电极层21包括形成分布式布拉格反射器（DBR）的堆叠的层22。堆叠的层22可以包括交替材料22a、22b（具有不同的折射率）的多层，或通过介电波导的一些特征（诸如高度）的周期性改变，在波导中产生有效折射率的周期性变化。每个DBR层的边界引起光波的部分反射。对于波长接近于层的光学厚度的四倍的波而言，多数反射与相长干涉结合，并且这些层用作高质量反射器。如图4A所示，例如，背面电极层21可以包括第一DBR材料22a和第二DBR材料22b，并且第一和第二DBR材料22a、22b可以堆叠成对23，使第一DBR材料22a和第二DBR材料22b形成交替层。例如，第一DBR材料22a可以包括ZnTe且第二DBR材料22b可以包括ZnSe。背面电极层21可以包括任意数量的对23。在一些实施例中，DBR层22的数量可以为2层以上、4层以上、6层以上、8层以上、10层以上、12层以上、16层以上、或20层以上。在一些实施例中，DBR层22的数量介于2层至10层之间。多个堆叠的DBR层22可以具有70%以上的光反射、75%以上的光反射、80%以上的光反射、85%以上的光反射、或90%以上的光反射。例如，堆叠的DBR材料可以为反射率大于90%的20对ZnTe/ZnSe。
在一些实施例中，背面电极层的厚度介于约50nm至2μm的范围内。在一些实施例中，背面电极层21的电阻率介于约10-4Ω·cm至约10-2Ω·cm的范围内。在其他实施例中，背面电极层21的电阻率介于约10-4Ω·cm至约10-3Ω·cm的范围内。相对于石墨烯层25，背面电极层21也可以具有较高的电阻率。
在一些实施例中，吸收件30可以包括p型半导体，诸如CIGS、CdTe、CuInSe2(CIS)、CuGaSe2(CGS)、Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSS)、或非晶硅。在一些实施例中，吸收件30的厚度介于约0.3μm至约8μm的范围内。
在一些实施例中，缓冲件40可以包括n型半导体，诸如硫化镉、硫化锌、硒化锌、硫化铟（III）、硒化铟、Zn1-XMgXO（例如，ZnO）、或其他合适的缓冲层材料。在一些实施例中，缓冲层40的厚度介于约1nm至约500nm的范围内。
在一些实施例中，正面接触件50可以包括合适的正面接触材料，诸如金属氧化物（例如，氧化铟）和掺杂的金属氧化物（例如，硼掺杂的氧化锌）。用于正面接触件50的合适材料的实例包括但不限于透明导电氧化物，诸如氧化铟锡（ITO）、氟掺杂的氧化锡（FTO）、铝掺杂的氧化锌（AZO）、镓掺杂的ZnO（GZO）、铝和镓共掺杂的ZnO（AGZO）、硼掺杂的ZnO（BZO）、以及它们的任意组合。用于正面接触层50的合适的材料也可以包括含至少一种透明导电氧化物（TCO）和另一种导电材料的复合材料，其不会显著降低正面接触件50的导电率或透光度。在一些实施例中，正面接触层50位于P2划线外侧的厚度介于约5nm至约3μm之间，正面接触层50位于P2划线侧壁上的厚度介于约0.5nm至约3μm之间，正面接触层50位于P2划线底部上的厚度介于约5nm至约3μm之间（直接位于背面接触层20上）。
如图1所示，太阳能电池10也包括互连结构，其包括三条划线，称为P1、P2和P3。P1划线延伸穿过背面接触层20并且填充有吸收层材料。P2划线延伸穿过缓冲层40和吸收层30并且填充有正面接触层材料。P3划线延伸穿过正面接触层50、缓冲层40和吸收层30。
根据一些实施例，图6是描述用于制造太阳能电池10的通用方法100的流程图。在步骤120中，在衬底15上形成背面接触件20。在一些实施例中，可以通过物理汽相沉积（PVD，例如，溅射诸如Mo、Ta或W的金属）在太阳能电池衬底15上方沉积背面接触层20。
形成背面接触件20的步骤120可以包括沉积背面电极层21的子步骤121，以及沉积石墨烯层25的子步骤125。在子步骤121中，可以通过PVD（例如，溅射）、化学汽相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）或用于沉积薄膜的其他合适的技术沉积背面电极层21。在子步骤125中，可以通过PVD（例如，喷射或旋涂）、CVD、ALD或用于沉积石墨烯的其他合适的技术沉积石墨烯层25。在一些实施例中，依次实施沉积步骤121、125，包括在实施沉积石墨烯层125之前沉积背面电极层121。在其他实施例中，可以在沉积背面电极层121之前沉积石墨烯层125。在其他实施例中，可以在沉积背面电极层121之前沉积石墨烯层125并且可以在沉积背面电极层121之后沉积另一个石墨烯层125。
在背面电极层21形成DBR22的实施例中，沉积背面电极层20的步骤121包括沉积多个DBR层23。在一些实施例中，依次实施沉积步骤121，包括在衬底上方沉积第一DBR材料22a以及在第一DBR材料上方沉积第二DBR材料22b。如图4至图5所示，也可以重复这种顺序（即，首先沉积第一DBR材料22a，然后沉积第二DBR材料22b）以形成层22的多个组25。可以至少重复一次该顺序以形成4层DBR层23，至少重复两次该顺序以形成6层DBR层，至少重复四次该顺序以形成10层DBR层23，或重复该顺序5次以上。
在步骤130中，在背面接触件20上方形成吸收件30。在一些实施例中，吸收件30包括CIGS。在一些实施例中，多个CIGS前体溅射到背面接触层20上。在一些实施例中，CIGS前体包括通过溅射施加的Cu/In、CuGa/In和/或CuInGa。吸收层材料填充P1划线。在溅射这些前体之后，实施硒化。
在步骤150中，在吸收件30上方形成正面接触件50。在一些实施例中，正面接触层50为通过溅射施加的i-ZnO或AZO。在其他实施例中，正面接触层50为通过金属有机化学汽相沉积（MOCVD）施加的BZO。正面接触层共形地覆盖P2划线的侧壁和底壁。
如图7所示，在一些实施例中，方法100也可以包括额外的步骤。在步骤110中，可以提供衬底15。在步骤120中，如上文所述，可以在衬底15上方形成背面接触件20。在完成背面接触件的沉积之后，在步骤128中形成（例如，划线或蚀刻）穿过背面接触件的P1划线。在步骤130中，可以在背面接触件20上方形成吸收件30，以填充P1划线。
在步骤140中，可以在吸收层30上方形成缓冲层40。例如，在一些实施例中，通过化学浴沉积（CBD）形成CdS、ZnS或InS的缓冲层40。在其他实施例中，通过溅射或ALD沉积缓冲层40。在沉积缓冲层40之后，在步骤145中形成（例如，划线或蚀刻）穿过吸收层30和缓冲层40的P2划线。
在步骤150中，根据上文所述，可以在缓冲层40上方形成正面接触件50。在沉积正面接触层50之后，在步骤155中形成（例如，划线或蚀刻）穿过正面接触件50、缓冲层40和吸收件30的P3划线。
在一些实施例中，在步骤160中，太阳能电池可以经历附加的处理操作以完成器件和/或连接至其他太阳能电池以形成太阳能模块。例如，进一步处理可以包括施加EVA/丁基合成橡胶、层压、后端处理、和模块形成。太阳能模块可以通过依次串联或并联连接至其他太阳能模块以形成阵列。
根据本发明的太阳能电池提供了改进的电子输运性能（例如，JSC和RS）。通常，通过在长波长区域（例如，接近带隙）的CIGS吸收限制JSC。然而，本文所描述的集成的背面接触件进一步调整了具有较高反射率的材料的反射率，改进了JSC，同时防止或降低了背面接触件所引起的高RS。特别地，集成的背面接触件减小了背面接触件处的电阻损失，不仅降低了RS而且降低了填充因数。
总而言之，用于制造太阳能电池器件的方法和子结构通过对集成的背面接触件的高反射和低电阻率进行组合提高了太阳能模块的效率。集成的背面接触件向更高的器件性能提供了改进的RS和JSC。此外，高效和有效的方法可以容易地在现有的太阳能电池制造工艺中实施。例如，本方法可以容易地整合到现有的CIGSS生产线中。同样的，本发明的方法可以在较低的附加成本的情况下提供对器件的有效改进。
在一些实施例中，提供了一种太阳能电池。太阳能电池包括具有背面电极层和至少一个石墨烯层的背面接触件，位于背面接触件上方的吸收件，以及位于吸收件上方的正面接触件。
在一些实施例中，石墨烯层位于背面电极层上方。
在一些实施例中，石墨烯层位于背面电极层下方。
在一些实施例中，石墨烯层的电阻率介于约10-6Ω·cm至约10-4Ω·cm的范围内。
在一些实施例中，石墨烯层的厚度介于1nm至100nm的范围内。
在一些实施例中，背面电极层包括金属。
在一些实施例中，背面电极层的电阻率介于约10-4Ω·cm至约10-2Ω·cm的范围内。
在一些实施例中，背面电极层形成DBR。
在一些实施例中，背面电极层包括多个堆叠的DBR层。
在一些实施例中，多个堆叠的DBR层包括介于2层至10层的范围内的偶数个层。
在一些实施例中，多个堆叠的DBR层的具有80%以上的光反射。
在一些实施例中，提供了一种用于制造太阳能电池的方法。该方法包括：通过在衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层从而在衬底上形成背面接触件，在背面接触件上方形成吸收件，以及在吸收件上方形成正面接触件。
在一些实施例中，背面电极层包括电阻率比Mo高的金属。
在一些实施例中，按照如下顺序实施沉积步骤，该顺序为：沉积背面电极层，以及在背面电极层上方沉积石墨烯层。
在一些实施例中，按照如下顺序实施沉积步骤，该顺序为：沉积石墨烯层，以及在石墨烯层上方沉积背面电极层。
在一些实施例中，沉积背面电极层的步骤包括在衬底上方沉积多个DBR层。
在一些实施例中，沉积DBR层的步骤包括：在衬底上方沉积第一DBR材料，以及在第一DBR材料上方沉积第二DBR材料。
在一些实施例中，按照如下顺序实施沉积DBR层的步骤，该顺序为：在衬底上方沉积第一DBR材料，在第一DBR材料上方沉积第二DBR材料，以及重复该顺序至少一次。
在一些实施例中，提供了一种用于制造太阳能电池的方法。该方法包括：提供衬底，通过在衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层而在衬底上方形成背面接触件，在背面接触件上方形成吸收件，在吸收件上方形成缓冲层，以及在缓冲层上方形成正面接触件。
在一些实施例中，石墨烯层与背面电极层的上表面或下表面直接接触，并且石墨烯层的电阻率比背面电极层的电阻率低。
可以使用本领域中用于制造太阳能电池器件的任何常用的合适的商业上可行的设备实施对示例性实施例的制造技术的这种描述，或者可选地使用未来将开发的设备和技术。
前面仅示出了本发明的原理。因此，应该理解，本领域普通技术人员能够设计出各种布置，这些布置尽管在本文中没有明确描述或示出，但是体现了本发明的原理并包括在本发明的精神和范围内的。此外，本文引用的所有实例和条件语言都主要旨在仅仅用于明确地教导的目的，且旨在帮助理解读者理解发明人为促进本领域所贡献的本发明的原理和概念，并且被解释为不限于这些具体引用的实例和条件。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有声明都预期包涵它们的结构和功能的两种等效物。此外，预期这些等效物包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，不管其结构如何，开发的执行相同功能的任何元件。
尽管通过示例性实施例描述了本发明，但其不限于此。相反，所附权利要求应按广义进行解释，以包括由本领域技术人员在不背离本发明的等效物的精神和范围的情况下可以做出的本发明的其他变体和实施例。

Claims (17)

1.一种太阳能电池，包括：
背面接触件，包括背面电极层和至少一个石墨烯层，所述石墨烯层的电阻率比所述背面电极层的电阻率低；其中，所述背面电极层包括多个堆叠的分布式布拉格反射器层；
吸收件，位于所述背面接触件上方；
正面接触件，位于所述吸收件上方；
P1划线，延伸穿过所述背面接触件并且填充有所述吸收件的材料；
P2划线，延伸穿过所述吸收件并且填充有所述正面接触件的材料；以及
P3划线，延伸穿过正面接触件和吸收件。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述石墨烯层位于所述背面电极层上方。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述石墨烯层位于所述背面电极层下方。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述石墨烯层的电阻率介于10-6Ω·cm至10-4Ω·cm的范围内。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述石墨烯层的厚度介于1nm至100nm的范围内。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述背面电极层包括金属。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述背面电极层的电阻率介于10-4Ω·cm至10-2Ω·cm的范围内。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述多个堆叠的分布式布拉格反射器层具有80％以上的光反射。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述多个堆叠的分布式布拉格反射器层包括介于2层至10层的范围内的偶数个层。
10.一种用于制造太阳能电池的方法，包括：
通过在衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层而在所述衬底上形成背面接触件，所述石墨烯层的电阻率比所述背面电极层的电阻率低；其中，沉积所述背面电极层的步骤包括：在所述衬底上方沉积多个分布式布拉格反射器层；在完成背面接触件的沉积之后，形成穿过所述背面接触件的P1划线；
在所述背面接触件上方形成吸收件，用所述吸收件的材料填充所述P1划线；形成穿过所述吸收件的P2划线；以及
在所述吸收件上方形成正面接触件，用所述正面接触件的材料填充所述P2划线；
形成穿过所述正面接触件和所述吸收件的P3划线。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述背面电极层包括电阻率比Mo高的金属。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，按照如下顺序实施所述沉积的步骤：
(a)沉积所述背面电极层；以及
(b)在所述背面电极层上方沉积所述石墨烯层。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，按照如下顺序实施所述沉积的步骤：
(a)沉积所述石墨烯层；以及
(b)在所述石墨烯层上方沉积所述背面电极层。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，沉积所述分布式布拉格反射器层的步骤包括：
(a)在所述衬底上方沉积第一分布式布拉格反射器材料；以及
(b)在所述第一分布式布拉格反射器材料上方沉积第二分布式布拉格反射器材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，重复所述沉积的步骤(a)和(b)至少一次。
16.一种用于制造太阳能电池的方法，包括：
提供衬底；
通过在所述衬底上方沉积背面电极层和石墨烯层而在所述衬底上方形成背面接触件，所述石墨烯层的电阻率比所述背面电极层的电阻率低；其中，所述背面电极层包括多个堆叠的分布式布拉格反射器层；在完成背面接触件的沉积之后，形成穿过所述背面接触件的P1划线；
在所述背面接触件上方形成吸收件，用所述吸收件的材料填充所述P1划线；
在所述吸收件上方形成缓冲层；在沉积所述缓冲层之后，形成穿过所述吸收件和所述缓冲层的P2划线；以及
在所述缓冲层上方形成正面接触件，用所述正面接触件的材料填充所述P2划线；
形成穿过所述正面接触件、所述缓冲层和所述吸收件的P3划线。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述石墨烯层与所述背面电极层的上表面或下表面直接接触。
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