CN105374886B - 钝化方法 - Google Patents
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Abstract
太阳能电池模块包括：衬底；吸收层，形成在衬底上方；多孔氧化铝钝化层，形成在吸收层的上表面上；缓冲层，共形地形成在钝化层上方；以及透明导电氧化物层，共形地形成在缓冲层上方。本发明还提供了钝化方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能模块，更具体地，涉及薄膜太阳能模块。
背景技术
诸如CIS-基太阳能模块(例如，铜铟镓(二)硒或铜铟铝(二)硒)(也称为“CIGS”)的传统的薄膜太阳能模块在吸收层和邻近的CdS缓冲层之间缺乏有效的钝化。有效钝化的缺乏通过多余的二元物质或缺陷(诸如Mcu+、CuxSe1-x或CuxS1-x)提供分流路径。这转而限制了改进器件的开路电压(Voc)和分流电阻的能力，从而限制了提高器件的带隙的能力，并因此限制了提高器件的性能的能力。
而且，迄今为止，已知的提高接近CIGS吸收层的能带间隙的有效方法仅是通过硫掺入或Ga扁平化。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种太阳能电池模块，包括：衬底；吸收层，形成在所述衬底上方；多孔氧化铝钝化层，形成在所述吸收层的上表面上；缓冲层，共形地形成在所述钝化层上方；以及透明导电氧化物层，共形地形成在所述缓冲层上方。
在该太阳能电池模块中，所述吸收层是薄膜吸收层。
在该太阳能电池模块中，所述吸收层是CIGS层。
该太阳能电池模块还包括在所述CIGS层的上表面处形成的Cu(In，Al)Se2区。
在该太阳能电池模块中，所述Cu(In，Al)Se2区的带隙介于约1.09至1.57之间。
在该太阳能电池模块中，所述太阳能电池模块是晶体硅太阳能电池模块。
根据本发明的另一方面，提供了一种钝化太阳能电池模块的吸收层的方法，包括以下步骤：提供在其上方形成有吸收层的衬底；以及在所述吸收层的上表面上形成多孔氧化铝钝化层。
该方法还包括：在所述钝化层上方共形地形成缓冲层；以及在所述缓冲层上方共形地形成透明导电氧化物层。
在该方法中，所述吸收层是CIGS层。
在该方法中，形成所述多孔氧化铝钝化层的步骤包括在所述吸收层上直接沉积氧化铝膜。
在该方法中，通过溅射沉积所述氧化铝膜。
在该方法中，在氧气环境中进行所述溅射，所述方法还包括控制沉积压力和氧气气体比的步骤以控制氧化铝钝化层的孔隙尺寸。
在该方法中，所述吸收层是CIGS层。
在该方法中，形成所述多孔氧化铝钝化层的步骤包括：在所述吸收层上沉积铝(Al)膜；氧化所述铝膜以形成氧化铝钝化层。
在该方法中，所述氧化步骤包括在第一偏置电压下在氧化浴中处理所述铝膜第一时间段，然后在第二偏置电压下在所述氧化浴中处理所述铝膜第二时间段，所述第二偏置电压大于所述第一偏置电压。
在该方法中，所诉第二时间段大于所述第一时间段。
在该方法中，所述第二时间段期间的所述氧化浴的温度低于所述第一时间段期间的所述氧化浴的温度。
在该方法中，所述吸收层是CIGS层。
在该方法中，所述吸收层是CIGS层，在形成所述氧化铝层的步骤之后，所述方法还包括实施退火步骤以在所述CIGS层的上表面处形成Cu(In,Al)Se2区。
根据本发明的又一方面，提供了一种形成多孔氧化铝钝化层的方法，包括以下步骤：在层上沉积将被钝化的铝(Al)膜；在第一偏置电压和第一温度下，在氧化浴中处理沉积的铝膜第一持续时间段，以形成多孔氧化铝层；在所述处理步骤之后，通过在所述氧化浴中处理所述氧化铝层并且控制在所述氧化浴中处理所述氧化铝层的偏置电压、温度和持续时间而使所述多孔氧化铝层的孔隙敞开。
附图说明
当结合附图进行阅读时，通过以下详细描述可以更好地理解本发明的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1示出了根据一些实施例的形成用于太阳能电池模块的钝化吸收层的方法。
图2示出了根据一些实施例的用于形成多孔氧化铝钝化层的阳极氧化方法。
图3示出了具有多孔氧化铝钝化层的薄膜太阳能电池模块的实施例。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位之外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且本文中使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
同样地，除非另有明确描述，关于电耦合等的术语(诸如“耦合”、“连接”和“互连”)指的是结构彼此直接通信或通过中间结构间接通信的关系。
本文中描述了使用多孔氧化铝(Al2O3)模板的用于P-CIGS吸收层的表面钝化的方法的实施例。在某些实施例中，钝化层提供增强的可见光捕获。而且，在实施例中，诸如通过后退火处理，多孔氧化铝中含有残余的Al成分，钝化层用于允许接近CIGS吸收层的表面的能带间隙增大。
通常地，在太阳能电池的晶体硅(c-Si)或CIGS吸收层的表面处形成带有正电荷的许多悬空键。在本文所描述的实施例中，氧化铝层(诸如其厚度小于200nm)形成在太阳能模块的CIGS吸收层的顶面上。“原生电荷”(其为氧化铝的固有特性)通过钝化在后SAS(硫化后硒化)中形成的悬空键或多余的空位来减少表面复合。这种钝化减少了分流路径，这改善了结电流(Jsc)并且增大了Voc。
氧化铝是在c-Si的波长和薄膜太阳能电池上完全透明的宽带隙材料(～8.8eV)。根据需要，可以通过调整孔隙尺寸将氧化铝的折射率从1.50调整为2.45。可以通过使用Al2O3的纹理表面形貌来改进太阳能电池的透光率(TT％)和光散射(也称为光捕获或Haze％)。本文中描述了用于改进光散射的扩孔方法的技术。
在实施例中，通过在大于200℃的温度下的后退火，在CIGS吸收层的表面中的Al2- xO3-y含有Al成分，这形成带隙为约1.09eV至1.57eV的轻Cu(In1-x,Alx)Se2区或层，以用于提高接近CIGS吸收层的表面的带隙。
图1示出了形成用于太阳能电池模块的钝化吸收层的方法100。在实施例中，吸收层是薄膜CIGS层，但是本文中描述的技术可以用于钝化c-Si吸收层或其他p+表面，诸如可以在LED显示器中找到。
在步骤110中，提供结构10，在示出的实施例中，该结构10包括在其上形成有CIGS吸收层14的Mo的底电极层12。在步骤120中，在CIGS吸收层14的顶部上形成介于20nm至1000nm之间的期望孔隙尺寸的有纹理的多孔氧化铝层16。在图1中以参考标号10A标示出该结构。在实施例中，该多孔氧化铝层16的厚度小于200nm，并且在一些实施例中，小于100nm。
在步骤130中，在多孔氧化铝钝化层16的上表面上方共形地形成缓冲层18。在实施例中，该缓冲层由CdS、ZnS或ZnOS形成。接下来，在缓冲层18上方共形地形成TCO层20(例如，ZnO：Al(AZO)、ZnO：Ga、In2O3：Sn(ITO)、SnO2：F(FTO)、IZO、ZnO：B(BZO)或其他合适的透明导电氧化物层)。在图1中以参考标号10B标示出生成的结构。
生成的结构10B提供了形成在吸收层14上方的多层粗糙的纹理，从而有利地改进了入射到TCO层上的光的散射和捕获。此外，如本文中所讨论的，氧化铝层不仅钝化p+CIGS层的表面，而且可以增大接近太阳能电池的p-n结的层的带隙。
在图1的方法的步骤120中，多种技术可以用于形成有纹理的多孔氧化铝模板钝化层16。在一个实施例中，Al2O3膜直接沉积在CIGS吸收层14的顶面上，其厚度达到约50nm至200nm之间。在实施例中，氧化铝层溅射到吸收层上，并且通过沉积压力和O2气体比来控制Al2O3层的期望的多孔纹理(具体地，孔隙的尺寸)。
在另一实施例中，在CIGS吸收层14的顶面上沉积金属Al膜。在实施例中，Al膜的厚度为约50nm至200nm。在沉积该层之后，阳极氧化方法用于制造多孔氧化铝钝化层16。结合图2更详细地描述该方法。
参照图2，在步骤210中，在任何期望的衬底或薄膜54上方沉积期望厚度的Al膜52。在实施例中，衬底可以是原始玻璃(bare glass，又称裸玻璃)、Mo、CdS或导电薄膜。
在步骤220中，将具有Al膜的衬底浸入其中具有氧化溶液62的罐或室60中。诸如通过将正极连接至Al膜并将负极连接至溶液62，将电压施加至结构与溶液。在实施例中，施加第一氧化条件以初步蚀刻粗糙的氧化铝模板52A。在实施例中，用于步骤220的氧化条件如下：
偏置电压：约20V至120V。
温度：约10℃至25℃。
持续时间：T1。
溶液：约0.3M至1.0M的磷酸(H3PO4)。
在步骤230中，将氧化铝层52A的孔隙扩大至期望的尺寸，从而在衬底50上方形成多孔氧化铝钝化层52B。应该理解，孔隙尺寸(即，直径)与施加的电压相关(例如，大体呈线性)，使得较高的电压产生较大的孔隙。在实施例中，用于步骤230的扩孔条件如下：
偏置电压：大于步骤220的偏置电压，例如，约60V至180V。
温度：小于步骤220的温度，并且在实施例中，<10℃。
持续时间：大于步骤220的持续时间：T2(T2>T1)。
溶液：约0.3M至1.0M的磷酸(H3PO4)。
接下来，在步骤240中，从罐或室60中取出结构(50、52B)，并且该结构经受退火以形成致密的多孔氧化铝层52C。在实施例中，后退火条件为：
温度：<200℃。
持续时间：约10分钟至30分钟。
环境：空气或富氧(O2)。
图3示出了薄膜太阳能电池模块300的实施例。如对于本领域技术人员将是熟悉的，虽然未示出，但是该模块由通过P1/P2/P3划线连接单片集成的子单元组成。从底部开始，太阳能模块包括诸如由玻璃或塑料形成的衬底层302。可以由钼形成的背电极层304形成在衬底302上方。p型吸收层306形成在电极层304上方。在实施例中，p型吸收层306选自Cu(In，Al)(Se，S)2和Cu(In，Ga)(Se，S)2复合物的组。在实施例中，吸收层306的厚度大于或等于100nm。如本文中描述的致密的多孔氧化铝钝化层308形成在吸收层306的上表面上方。在实施例中，后退火用于在吸收层306的上表面或区域附近或内形成轻微富铝区或层(例如，Cu(In1-x，Alx)Se2)以提高接近CIGS吸收层306的表面的带隙。缓冲层310共形地形成(即，以与氧化铝层308的纹理匹配)在多孔氧化铝钝化层308的上表面上。在实施例中，缓冲层310由硫化镉(CdS)形成并且具有大于或等于30nm的厚度。n型TCO层312共形地形成在缓冲层310上。
使用本文中描述的技术，可以通过调整多孔氧化铝模板的孔隙尺寸和折射率(Eg＝6.4eV；n＝1.65)来改进接近IR波长的透光率。即，具有较宽孔隙的钝化层产生更多有纹理的表面，这转而提供较高的雾度比和较好的光散射效应。
CIGS吸收层上的介电氧化铝可以形成负电荷以由于其有效场引起的表面钝化而减少表面复合。该钝化减少分流路径，从而改善了结电流(Jsc)并且增大了Voc。
而且，在实施例中，可以在CIGS吸收层的表面中含有残余的或非氧化的Al以形成Cu(In，Al)Se2，其增大该区域中的吸收层的带隙(Eg)。
在太阳能电池模块的实施例中，太阳能电池模块包括：衬底；吸收层，形成在衬底上方；多孔氧化铝钝化层，形成在吸收层的上表面上；缓冲层，共形地形成在钝化层上方；以及透明导电氧化物层，共形地形成在缓冲层上方。
在钝化太阳能电池模块的吸收层的方法的实施例中，该方法包括提供在衬底上方形成的吸收层，以及在吸收层的上表面上形成多孔氧化铝钝化层。
在形成多孔氧化铝钝化层的方法的实施例中，该方法包括在层上沉积将被钝化的铝(Al)膜；在第一偏置电压和第一温度下，在氧化浴中将沉积的铝膜处理第一持续时间，以形成多孔氧化铝层；在该处理步骤之后，通过在氧化浴中处理氧化铝层并且控制在氧化浴中处理氧化铝层的偏置电压、温度和持续时间而使多孔氧化铝层的孔隙敞开。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文中所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。
Claims (15)
1.一种太阳能电池模块，包括：
衬底；
吸收层，形成在所述衬底上方，其中，所述吸收层是CIGS层；
多孔氧化铝钝化层，形成在所述吸收层的上表面上；
缓冲层，共形地形成在所述钝化层上方；以及
透明导电氧化物层，共形地形成在所述缓冲层上方。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，其中，所述吸收层是薄膜吸收层。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池模块，还包括在所述CIGS层的上表面处形成的Cu(In，Al)Se2区。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池模块，其中，所述Cu(In，Al)Se2区的带隙介于1.09至1.57之间。
5.一种钝化太阳能电池模块的吸收层的方法，包括以下步骤：
提供在其上方形成有吸收层的衬底；
在所述吸收层的上表面上形成多孔氧化铝钝化层；
在所述钝化层上方共形地形成缓冲层；以及
在所述缓冲层上方共形地形成透明导电氧化物层；
其中，所述吸收层是CIGS层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，形成所述多孔氧化铝钝化层的步骤包括在所述吸收层上直接沉积氧化铝膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过溅射沉积所述氧化铝膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在氧气环境中进行所述溅射，所述方法还包括控制沉积压力和氧气气体比的步骤以控制氧化铝钝化层的孔隙尺寸。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，形成所述多孔氧化铝钝化层的步骤包括：
在所述吸收层上沉积铝(Al)膜；
氧化所述铝膜以形成氧化铝钝化层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述氧化步骤包括在第一偏置电压下在氧化浴中处理所述铝膜第一时间段，然后在第二偏置电压下在所述氧化浴中处理所述铝膜第二时间段，所述第二偏置电压大于所述第一偏置电压。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二时间段大于所述第一时间段。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二时间段期间的所述氧化浴的温度低于所述第一时间段期间的所述氧化浴的温度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述吸收层是CIGS层。
14.根据权利要求5所述的方法，其中，所述吸收层是CIGS层，在形成所述氧化铝层的步骤之后，所述方法还包括实施退火步骤以在所述CIGS层的上表面处形成Cu(In,Al)Se2区。
15.一种形成多孔氧化铝钝化层的方法，包括以下步骤：
在层上沉积将被钝化的铝(Al)膜；
在第一偏置电压和第一温度下，在氧化浴中处理沉积的铝膜第一持续时间段，以形成多孔氧化铝层；
在所述处理步骤之后，通过在所述氧化浴中处理所述氧化铝层并且控制在所述氧化浴中处理所述氧化铝层的第二偏置电压、第二温度和第二持续时间而使所述多孔氧化铝层的孔隙敞开，其中，所述第二温度小于所述第一温度。
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