CN105706246A - 光伏装置及制作方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种光伏装置。所述光伏装置包括层叠；以及安置在层叠上的吸收体层。所述吸收体层包括硒，并且硒的原子浓度跨吸收体层的厚度非线性变化。还提出一种制作光伏装置的方法。

Description

光伏装置及制作方法
背景技术
本发明一般涉及光伏装置。更具体地说，本发明涉及包括硒的光伏装置，以及制作所述光伏装置的方法。
薄膜太阳能电池或光伏(PV)装置通常包括安置在透明衬底上的多个半导体层，其中一层用作窗口层以及第二层用作吸收体层。窗口层允许太阳辐射穿透到吸收体层，光能量在所述吸收体层被转换为可用的电能。窗口层还起作用来与吸收体层结合形成异质结(p-n结)。碲化镉/硫化镉(CdTe/CdS)异质结基光伏电池是薄膜太阳能电池中的一个此类示例，其中CdS起作用来作为窗口层。
然而，薄膜太阳能电池可具有低的转换效率。因此，光伏装置领域中的一个主要焦点是转换效率的改善。窗口层的光吸收可以是限制PV装置转换效率现象中的一个。此外，窗口层和吸收体层(例如，CdS/CdTe)层之间的晶格失配可在界面导致高缺陷密度，这会进一步导致更短的界面载流子寿命。因此，期望保持窗口层尽可能的薄，以帮助降低通过吸收的光损失。然而，对于多数薄膜PV装置，如果窗口层太薄，由于低开路电压(VOC)和填充因子(FF)而能够观察到性能损失。
因此，需要改善薄膜光伏装置配置以及制造这些的方法。
发明内容
本发明的实施例被包括以满足这些以及其它需要。一个实施例是光伏装置。光伏装置包括层叠；以及吸收体层安置在所述层叠上。吸收体层包括硒，并且硒的原子浓度跨吸收体层的厚度非线性变化。
一个实施例是光伏装置。光伏装置包括层叠，所述层叠包括安置在支撑件上的透明传导氧化物层、安置在透明传导氧化物层上的缓冲层和安置在缓冲层上的窗口层。所述层叠还包括安置在层叠上的吸收体层，其中吸收体层包括硒，并且硒的原子浓度跨吸收体层的厚度非线性变化。
一个实施例是制作光伏装置的方法。所述方法包括在层叠上提供吸收体层，其中吸收体层包括硒，并且其中硒的原子浓度跨吸收体层的厚度非线性变化。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些以及其它特征、方面和益处将变得更好理解。
图1是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图2是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图3是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图4是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图5是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图6是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图7是根据本发明一些实施例的光伏装置的示意图。
图8是根据本发明一些实施例的制作光伏装置的方法的示意图。
图9示出了根据本发明一个实施例的作为深度的函数的Se浓度。
图10示出了根据本发明一个实施例的作为深度的函数的Se浓度的对数-对数图。
图11示出了根据本发明一些实施例的作为深度的函数的Se浓度。
具体实施方式
如以下详细讨论，本发明的一些实施例包括了包括硒的光伏装置。
如本文贯穿说明书和权利要求所使用的近似语言可以被应用于修改任何数量表示，其能够可允许地变化而没有导致其所相关的基础功能中的改变。因此，由诸如“大约”和“基本”的术语修改的值不限于指定的精确数值。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精度。这里和贯穿说明书以及权利要求，范围限制可以是组合的和/或互换的，此类范围被标识并包括其中所包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。
在下面的说明书和权利要求中，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(“a”和“an”)”和“所述”包括复数对象。除非上下文另外明确指示，如本文所使用的术语“或者”并不意味着是排它的，而指存在所引用组件(例如，层)的至少一个且包括可以存在所引用组件的组合的情况。
如本文使用的术语“透明区域”和“透明层”指允许入射的电磁辐射的至少70％的平均传送的区域或层，所述电磁辐射具有从约350nm到约1000nm范围内的波长。
如本文使用的术语“层”指以连续或非连续方式在下层表面的至少部分上安置的材料。此外，术语“层”并不必需意味着所安置材料的均匀厚度，并且所安置材料可以具有均匀或可变厚度。此外，除非上下文另外明确指示，否则如本文所使用的术语“层”指单个层或多个子层。
除非另外特定地指示，否则如本文所使用的术语“布置在......上”指布置的层彼此直接接触或通过其间具有介入层来间接接触。如本文所使用的术语“近邻”意味着两个层被连续地安置且彼此直接接触。
在本公开中，当层正被描述为在另一层或衬底“上”时，要理解，这些层能够彼此直接接触或在层之间具有一个(或更多)层或特征。此外，术语“在......上”描述了层对彼此的相对位置且不必需意味着“在......顶部上”，因为相对位置上或下取决于对观察者的装置的方向。此外，为了方便而做出对“顶部”、“底部”、“上”、“下”以及这些术语的变化的使用，并且不要求任何具体的组件方向，除非另有声明。
如以下详细讨论的，本发明的一些实施例针对包括硒的光伏装置。根据本发明的一些实施例，光伏装置100在图1-5中示出。如图1-5中所示，光伏装置100包括层叠110和安置在层叠110上的吸收体层120。吸收体层120包括硒，且硒的原子浓度跨吸收体层120的厚度非线性变化。
如在本文上下文中所使用的术语“原子浓度”指吸收体层每单位体积的平均硒原子数量。术语“原子浓度”和“浓度”贯穿全文在本文可互换地使用。如本文所使用的术语“跨厚度非线性变化”意味着浓度的改变速率本身跨吸收体层120的厚度而变化。
如本文所使用的术语“线性梯度”指给定性质的一阶导数，当关于尺寸参数(诸如自前接触的距离)测量时，所述一阶导数是连续的并且是常数。例如，在前接触具有固定硒(Se)浓度的阶跃式(step-wise)分布(所述浓度然后离前接触一些距离后突然转变至不同浓度)由于一阶导数在Se浓度从一个值转变至另一个值的点处是不连续的事实而是非线性的。指数变化分布是非线性分布的另一个示例，因为一阶导数值作为距离的函数而连续地变化。给定分布的线性可以通过绘制所测性质的对数对尺寸参数的对数的曲线来容易地评估。线性梯度意味着当按照这个方式绘制时，数据能够被拟合成具有单一斜率的线。超线性分布将具有大于一的斜率而次线性分布将具有小于1的斜率。
实际材料中材料性质的一阶导数的测量意味着在定义的尺寸和长度范围上的材料性质的平均，因为实际材料的原子性质可以导致一阶导数的局部不连续。根据本发明的一些实施例的所关心的非线性分布是在自前接触通到背接触的轴上，其将称作z-轴或z-维。因此，为了测量沿着z-轴的性质的非线性分布，平均化对于正交轴x、y的所测量性质可以是有用的，以便最小化晶界和其它局部非均质性对测量的影响。
平均窗口的更低限制由材料的极化半径设置，其衡量实际材料内的电荷载流子的典型“尺寸”：
r p = h 4 π m ω
其中h是普朗克常数，m是电荷载流子的有效质量，以及ω是晶格典型振动的最高角频率，其通常是光学声子。在锑化镉(CdTe)中，电子的有效质量是大约0.1me，其中me是自由空间中的电子质量，并且声子角频率是大约2.1x1013。因此，计算的极化半径是大约5nm并且计算的极化直径是大约10nm。因为proto型高斯或指数波函数具有他们标称特性尺寸(nominalcharacteristicsize)的大约2-3倍的有效振幅(significantamplitude)，那么CdTe基材料内电荷载流子“尺寸”的估算是大约30nm。CdTe型材料中通常的电荷载流子在任意给定时间都将采样30nm直径的球，并且其行为在很大程度上将由这个球内的平均物理性质来确定。因此，根据本发明的一些实施例，为了确定与光伏电池性能有关的非线性度，可以不必需解决给定性质或成分低于大约30nm长度范围的分布中的非线性。要求的平均上的上限由沿z轴的需要采样的足够数量的点(即3个)来设置，以便可以确定分布的线性。
在一些实施例中，硒浓度跨吸收体层的厚度存在阶跃改变。在此类情况下，对于厚度的某一部分，硒浓度可以保持基本恒定。如用于该上下文中的术语“基本恒定”意味着跨厚度的那个部分而浓度变化小于5％。
在一些实施例中，硒浓度跨吸收体层120的厚度连续地变化。此外，在此类情况下，硒浓度的变化可以是单调的或非单调的。在某些实施例中，硒浓度跨吸收体层的厚度非单调地变化。在某些情况下，浓度的改变率本身可以通过厚度而变化，例如在厚度的一些区域中增加，而在厚度的其它区域减小。合适的硒分布可以包括任何更高阶的非线性分布。合适的硒分布的非限制示例包括指数分布、顶帽(top-hat)分布、阶跃改变分布、方波分布、幂律分布(指数大于1或小于1)或其组合。图11示出吸收体层120中代表性非线性硒分布的数个示例。如将由本领域普通技术人员领会，硒浓度分布可以在处理步骤后进一步变化，并且最终的装置可以包括这里讨论的分布的扩散的形式。
在一些实施例中，硒浓度沿着离开层叠110的方向而跨吸收体层120的厚度减小。在一些实施例中，硒浓度沿着离开层叠110的方向而跨吸收体层120的厚度单调减小。在一些实施例中，硒浓度跨吸收体层120厚度的某一部分连续减小，且进一步在吸收体层120厚度的某一其它部分中基本恒定。
在某些实施例中，吸收体层120包括变化浓度的硒，以便相对于背界面(更靠近背接触的界面)，在前界面(更靠近前接触的界面)附近的硒浓度更低。在一些实施例中，吸收体层120包括变化浓度的硒，以便相对于背界面(更靠近背接触的界面)，在前界面(更靠近前接触的界面)附近的硒浓度更高。
在某些实施例中，吸收体层120中的带隙可以跨吸收体层120的厚度而变化。在一些实施例中，硒浓度可以跨吸收体层120的厚度而变化，以便前界面附近的带隙低于后界面附近的带隙。
没有由任何理论所束缚，相信相对背界面的前界面附近的更高硒浓度可以进一步允许吸收体层120中更高分数的入射辐射被吸收。此外，硒可以改善晶界和界面的钝化，这能够通过更高的体寿命和降低的表面复合被看出。此外，前界面附近的更低带隙材料可以通过光子限制(photonconfinement)提高效率。
在一些实施例中，光伏装置100基本没有硫化镉层。如本文所使用的术语“基本没有硫化镉层”意味着在下面的层(例如中间层或缓冲层)上硫化镉层(如果存在)的覆盖率小于约20％。在一些实施例中，覆盖率在从约0％到约10％范围内。在一些实施例中，覆盖率在从约0％到约5％范围内。在某些实施例中，光伏装置完全没有硫化镉层。
在某些实施例中，吸收体层120可以包括异质结。如本文所使用的，异质结是半导体结，其由不同半导体材料的层/区域组成。这些材料通常具有不相等的带隙。如示例，异质结能够由具有过量电子浓度的层或区域与具有过量空穴浓度的层或区域之间的接触形成，例如，“p-n”结。
如将由本领域普通技术人员领会，通过变化吸收体层120中硒浓度，吸收体层120的特定区域可以呈现n型且吸收体层120的另一个区域可以呈现p型。在某些实施例中，吸收体层120包括“p-n”结。吸收体层120的具有不同带隙的多个区域之间可以形成“p-n”结。没有由任何理论所束缚，相信硒浓度的变化可以允许p-n结在吸收体层120内或在吸收体层与下层TCO层间结的形成。
在一些实施例中，光伏装置还可以包括窗口层(包括诸如CdS材料)。在一些实施例中，吸收体层120可以与下面的缓冲层或窗口层形成p-n结。如更早所描述的，窗口层(包括诸如CdS的材料)的厚度典型地被期望在光伏装置中被最小化以实现高效率。通过吸收体层中变化的硒浓度的存在，可以降低窗口层(例如CdS层)的厚度或可以消除窗口层，从而改善本装置的性能。此外，由于使用更少量的CdS或消除CdS，本装置可以实现产品成本的降低。
在一些实施例中，如图2中所指示，吸收体层120包括第一区域122和第二区域124。如图2中所示，第一区域122安置成相对于第二区域124接近层叠110。在一些实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度大于第二区域124中硒的平均原子浓度。
在一些实施例中，第一区域122、第二区域124或上述两个区域中的硒浓度可以跨相应区域的厚度进一步变化。在一些实施例中，第一区域122、第二区域124或上述两个区域中的硒浓度可以跨相应区域的厚度连续地改变。如更早所述，在一些情况下，穿过第一区域122、第二区域124或上述两个区域的浓度的变化率的速率本身可以变化，例如，在一些部分中增加而在其它部分中减小。
在一些实施例中，第一区域122、第二区域124或上述两个区域中的硒浓度跨相应区域的厚度可以基本恒定。在一些其它实施例中，在第一区域122、第二区域124或上述两个区域中的至少部分中硒浓度可以基本恒定。如在该上下文中所使用的术语“基本恒定”意味着跨那个部分或区域浓度改变小于5％。
吸收体层120可以进一步由相对于第二区域124而在第一区域122中呈现的硒浓度表征。在一些实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度相对于第二区域124中硒的平均原子浓度的比率约大于2。在一些实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度相对于第二区域124中硒的平均原子浓度的比率约大于5。在一些实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度相对于第二区域124中硒的平均原子浓度的比率约大于10。
第一区域122和第二区域124可以进一步由它们的厚度表征。在一些实施例中，第一区域122具有在约1nm到约5000nm范围内的厚度。在一些实施例中，第一区域122具有在约100nm到约3000nm范围内的厚度。在一些实施例中，第一区域122具有在约200nm到约1500nm范围内的厚度。在一些实施例中，第二区域124具有在约1nm到约5000nm范围内的厚度。在一些实施例中，第二区域124具有在约100nm到约3000nm范围内的厚度。在一些实施例中，第二区域124具有在约200nm到约1500nm范围内的厚度。
再次参考图2，在一些实施例中，第一区域122具有比第二区域124的带隙更小的带隙。在此类情况下，相对于第二区域124而第一区域122中的硒浓度可以在一个范围内以便第一区域122的带隙低于第二区域124的带隙。
吸收体层120还包括由晶界分开的多个晶粒。在一些实施例中，晶界中的硒的原子浓度高于晶粒中的硒的原子浓度。
硒可以在吸收体层120中以其元素形式存在，如掺杂剂，如化合物，或其组合。在某些实施例中，至少部分硒在吸收体层中以化合物的形式存在。如本文所使用的术语“化合物”指由两种或更多不同元素原子或离子以确定比例组成并位于确定晶格位置的宏观的均质材料(物质)。例如，镉碲硒化合物的晶体结构中镉、碲和硒具有定义的点阵位置，相比之下，例如，对于硒掺杂的碲化镉，其中硒可以是掺杂剂，其替代地插在镉位置上，以及不是化合物晶格的部分。
在一些实施例中，至少部分硒在吸收体层120中以三元化合物、四元化合物或其组合的形式存在。在一些实施例中，吸收体层120可以进一步包括镉和碲。在某些实施例中，至少部分硒在吸收体层中以具有化学式CdSexTe1-x的化合物形式存在，其中x是大于0且小于1的数。在一些实施例中，x在从约0.01到约0.99的范围内，且“x”的值跨吸收体层120的厚度而变化。
在一些实施例中，吸收体层120可以进一步包括硫。在此类情况下，至少部分硒在吸收体层120中以包括镉、碲、硫和硒的四元化合物的形式存在。此外，如较早所述，在此类情况下，硒浓度可以跨吸收体层120的厚度而变化。
吸收体层120可以进一步由存在的硒的量表征。在一些实施例中，吸收体层120中硒的平均原子浓度在吸收体层120的从约0.001原子百分比到约40原子百分比的范围内。在一些实施例中，吸收体层120中硒的平均原子浓度在吸收体层120的从约0.01原子百分比到约25原子百分比范围内。在一些实施例中，吸收体层120中硒的平均原子浓度在吸收体层120的从约0.1原子百分比到约20原子百分比范围内。
如所述，吸收体层120是光伏装置100的组件。在一些实施例中，光伏装置100包括层的“覆盖(superstrate)”配置。现参考图3-6，在此类实施例中，层叠110还包括支撑件111以及安置在支撑件111上的透明传导氧化物层112(有时在本领域中称为前接触层)。如在图3-6中进一步示出，在此类实施例中，太阳辐射10从支撑件111进入，且在经过透明传导氧化物层112、缓冲层113和可选中介层(例如，中间层114和窗口层115)后进入吸收体层120。入射光线(例如阳光)的电磁能量到电子-空穴对(即，到自由电荷)的转换主要发生在吸收体层120中。
在一些实施例中，支撑件111在一定波长范围上是透明的，对于所述波长范围，传送经过支撑件111是所期望的。在一个实施例中，支撑件111对于具有波长在从约400nm到约1000nm的范围内的可见光可以是透明的。在一些实施例中，支撑件111包括能够经受住大于约600℃的热处理温度的材料，诸如，例如二氧化硅(silica)或硼硅酸盐玻璃。在一些其它实施例中，支撑件111包括具有低于600℃软化温度的材料，诸如，例如钠钙玻璃或聚酰亚胺。在一些实施例中，某些其它层可以安置在透明传导氧化物层112和支撑件111之间，诸如，例如抗反射层或阻挡层(未示出)。
如本文所使用的术语“透明传导氧化物层”指基本透明的层，其能够起作用作为前电流集流器。在一些实施例中，透明传导氧化物层112包括透明传导氧化物(TCO)。透明传导氧化物的非限制性示例包括镉锡氧化物(Cd2SnO4或CTO)、铟锡氧化物(ITO)、氟掺杂的锡氧化物(SnO：F或FTO)、铟掺杂的镉氧化物、掺杂的锌氧化物(ZnO)，诸如铝掺杂的锌氧化物(ZnO：Al或AZO)、铟锌氧化物(IZO)和锌锡氧化物(ZnSnOx)，或其组合。取决于所采用的特定TCO以及取决于其薄膜电阻，在一个实施例中，透明传导氧化物层112的厚度可以在从约50nm到约600nm的范围内。
如本文所使用的术语“缓冲层”指介入在透明传导氧化物层112和吸收体层120之间的层，其中层113具有比透明传导氧化物层112的薄膜电阻更高的薄膜电阻。缓冲层113有时在本领域中称为“高电阻率透明传导氧化物层”或“HRT层”。
用于缓冲层113的适合的材料的非限制性示例包括二氧化锡(SnO2)、锌锡氧化物(锡酸锌(ZTO))、锌掺杂的锡氧化物(SnO2：Zn)、锌氧化物(ZnO)、铟氧化物(In2O3)，或其组合。在一些实施例中，缓冲层113的厚度在从约50nm到约200nm的范围内。
在一些实施例中，如图3-6中指示，层叠110还可以包括安置在缓冲层113和吸收体层120之间的中间层114。中间层可以包括金属组分。金属组分的非限制性示例包括镁、钆、铝、铍、钙、钡、锶、钪、钇、铪、铈、镥、镧，或其组合。如在该上下文中所使用的术语“金属组分”指元素金属(elementalmetal)，金属离子或其组合。在一些实施例中，中间层114可以包括多个金属组分。在一些实施例中，至少部分金属组分以元素金属、金属合金、金属化合物或其组合的形式在中间层114中存在。在某些实施例中，中间层114包括镁、钆或其组合。
在一些实施例中，中间层114包括(i)包括镁和金属组分的化合物，其中所述金属组分包括锡、铟、钛或其组合；或(ii)包括镁的金属合金；或(iii)氟化镁；或其组合。在某些实施例中，中间层包括包括镁、锡及氧的化合物。在某些实施例中，中间层包括包括镁、锌、锡和氧的化合物。
如在图3和4中示出，在某些实施例中，吸收体层120安置成直接接触于层叠110。但是，如较早进一步所述，在一些实施例中，光伏装置100可以包括介入在层叠110和吸收体层120之间的不连续的硫化镉层(实施例未示出)。在此类情况下，在下面层(例如中间层114和缓冲层113)上的CdS层的覆盖小于约20％。另外，至少部分吸收体层120可以通过硫化镉层的不连续部分而接触层叠110。
现在参考图5和6，在一些实施例中，层叠110还可以包括在中间层114和吸收体层120间安置的窗口层115。如本文所使用的术语“窗口层”指基本透明的并与吸收体层120形成异质结的半电导层。窗口层115的非限制性示范材料包括硫化镉(CdS)、三硫化铟(In2S3)、硫化锌(ZnS)、碲化锌(ZnTe)、硒化锌(ZnSe)、硒化镉(CdSe)、氧化硫化镉(oxygenatedcadmiumsulfide)(CdS：O)、铜氧化物(Cu2O)、氢化氧化锌(zincoxihydrate)(ZnO：H)或其组合。在某些实施例中，窗口层115包括硫化镉(CdS)。在某些实施例中，窗口层115包括氧化硫化镉(CdS：O)。
在一些实施例中，吸收体层120可以起作用为光伏装置100中的吸收体层。如本文所使用的术语“吸收体层”指吸收太阳辐射结果生成电子-空穴对的半电导层。在一个实施例中，吸收体层120包括p型半导体材料。
在一个实施例中，光活性材料用于形成吸收体层120。适合的光活性材料包括碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、碲化镉镁(CdMgTe)、碲化镉锰(CdMnTe)、硫化碲化镉(CdTeS)、碲化锌(ZnTe)、碲化铅(PbTe)、碲化镉汞(HgCdTe)、硫化铅(PbS)或其组合。上述的光活性半导体材料可以单独使用或组合使用。此外，这些材料可以以多于一层的形式存在，每层具有不同类型的光活性材料，或在各个层中具有这些材料的组合。
如本领域普通技术人员将领会，如本文所描述的吸收体层120还包括硒。因此，吸收体层120可以还包括上述的光活性材料中的一种或更多种与硒的组合，诸如，例如碲化硒化镉、碲化硒化镉锌、碲化硒化锌以及诸如此类。在某些实施例中，使用碲化镉用于形成吸收体层120。在某些实施例中，吸收体层120包括镉、碲和硒。
在一些实施例中，吸收体层120可以还包括硫、氧、铜、氯、铅、锌、汞或其组合。在某些实施例中，吸收体层120可以包括上述材料的一种或更多种，以便材料的量跨吸收体层120的厚度变化。在一些实施例中，上述材料的一种或更多种可以作为掺杂剂在吸收体层中存在。在某些实施例中，吸收体层120还包括铜掺杂剂。
在一些实施例中，吸收体层120、窗口层115或这两层可以包含氧。没有由任何理论束缚，相信将氧引入窗口层115(例如，CdS层)可以导致装置性能的改善。在一些实施例中，氧的量少于约20原子百分比。在一些情况下，氧的量在约1原子百分比到约10原子百分比之间。在一些情况下，例如在吸收体层120中，氧的量低于约1原子百分比。此外，吸收体层120内的氧浓度跨相应层的厚度而是基本恒定的或成份梯度的。
在一些实施例中，光伏装置100可以还包括安置在吸收体层120上的p+型半导体层130，如图3-5中所指示。如本文所使用的术语“p+型半导体层”指相比于吸收体层120中的p型电荷载流子或空穴密度而具有额外的移动p型载流子或空穴密度的半导体层。在一些实施例中，p+型半导体层具有大于约1×1016/cm3范围中的p型载流子密度。在一些实施例中，p+型半导体层130可以用作吸收体层120和背接触层140之间的界面。
在一个实施例中，p+型半导体层130包括重掺杂的p型材料，所述p型材料包括非晶Si：H、非晶SiC：H、晶体Si、微晶Si：H、微晶SiGe：H、非晶SiGe：H、非晶Ge、微晶Ge、GaAs、BaCuSF、BaCuSeF、BaCuTeF、LaCuOS、LaCuOSe、LaCuOTe、LaSrCuOS、LaCuOSe0.6Te0.4、BiCuOSe、BiCaCuOSe、PrCuOSe、NdCuOS、Sr2Cu2ZnO2S2、Sr2CuGaO3S、(Zn，Co，Ni)Ox或其组合。在另一个实施例中，p+型半导体层130包括p+掺杂材料，所述材料包括碲化锌、碲化镁、碲化锰、碲化铍、碲化汞、碲化砷、碲化锑、碲化铜、元素碲或其组合。在一些实施例中，p+掺杂材料还包括掺杂剂，所述掺杂剂包括铜、金、氮、磷、锑、砷、银、铋、硫、钠或其组合。
在一些实施例中，光伏装置100还包括背接触层140，如图3-5中所指示。在一些实施例中，背接触层140直接安置在吸收体层120上(实施例未示出)。在一些其它实施例中，背接触层140安置在于吸收体层120上安置的p+型半导体层130上，如图3-5中所指示。
在一些实施例中，背接触层140包括金、铂、钼、钨、钽、钛、钯、铝、铬、镍、银、石墨或其组合。背接触层140可以包括多个层，它们一起起作用作为背接触。
在一些实施例中，另一金属层(未示出)，例如铝，可以安置在背接触层140上以提供到外部电路的横向传导。在某些实施例中，多个金属层(未示出)，例如铝和铬，可以安置在背接触层140上以提供到外部电路的横向传导。在某些实施例中，背接触层140可以包括沉积在吸收体层120上的诸如石墨的碳层，随后为诸如以上描述金属的一个或更多个金属层。
再次参考图6，如所指示，吸收体层120还包括第一区域122和第二区域124。如图6中进一步示出，相对第二区域124，第一区域122被安置成接近层叠110。在一些实施例中，第一区域122安置成直接接触于窗口层115。在一些实施例中，第一区域122安置成直接接触于缓冲层113(实施例未示出)。此外，如较早讨论，第一区域122中硒的平均原子浓度大于第二区域124中硒的平均原子浓度。在其它实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度低于第二区域124中硒的平均原子浓度。
在备选实施例中，如图7中所示，呈现包括“衬底”配置的光伏装置200。光伏装置200包括层叠210和安置在层叠上的吸收体层220。层叠210包括安置在吸收体层上的透明传导氧化物层212，如图7中所指示。吸收体层220还被安置在背接触层230上，背接触层230安置在衬底240上。如图7中所示，在此类的实施例中，太阳辐射10从透明传导氧化物层212进入并进入吸收体层220，在吸收体层220发生将入射光(例如，阳光)的电磁能量转换至电子-空穴对(即，至自由电荷)。
在一些实施例中，图7中所示层(诸如衬底240、透明传导氧化物层212、吸收体层220以及背接触层230)的成分可以具有如以上图5中描述的用于覆盖配置的相同成分。
还提出一种制作光伏装置的方法。在一些实施例中，所述方法通常包括在层叠上提供吸收体层，其中吸收体层包括硒，且其中硒的原子浓度跨吸收体层的厚度非线性变化。继续参考图1-6，在一些实施例中，方法包括在层叠110上提供吸收体层120。
在一些实施例中，如图2中所指示，提供吸收体层120的步骤包括在吸收体层120中形成第一区域122和第二区域124，相对第二区域124而第一区域122安置成接近层叠110。如较早所述，在一些实施例中，第一区域122中硒的平均原子浓度大于第二区域124中硒的平均原子浓度。
可以使用任意合适的技术在层叠110上提供吸收体层120。在一些实施例中，提供吸收体层120的步骤包括采用硒源接触半导体材料。如本文所使用的术语“接触(“contacting”或“contacted”)”意味着半导体材料的至少部分被暴露于(诸如，直接物理接触于)气态、液态或固态的合适硒源。在一些实施例中，吸收体层的表面可以与合适的硒源接触，例如使用表面处理技术。在一些其它实施例中，半导体材料可以与合适的硒源接触，例如使用浸渍处理。
在一些实施例中，半导体材料包括镉。合适的半导体材料的非限制性示例包括碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、碲化镉镁(CdMgTe)、碲化镉锰(CdMnTe)、碲化硫化镉(CdSTe)、碲化锌(ZnTe)、碲化铅(PbTe)、硫化铅(PbS)、碲化镉汞(HgCdTe)或其组合。在某些实施例中，半导体材料包括镉和碲。
如本文所使用的术语“硒源”指包括硒的任意材料。合适的硒源的非限制性示例包括元素硒、硒化镉、硒化镉氧化物(诸如，例如亚硒酸镉(CdSeO3))、硒化氢、有机金属硒或其组合。
在接触步骤期间，与硒源接触的半导体材料的部分可以部分地取决于硒源的物理形式。在一些实施例中，硒源采用固体形式(例如，层)、溶液形式、悬浮液形式、糊状形式、气体形式或其组合。因此，通过示例的方式，在一些实施例中，例如硒源可以采用溶液形式，且该方法可以包括在溶液中浸湿该半导体材料的至少部分。
在一些实施例中，硒源可以采用气体形式，以及该方法可以包括使用合适的气相沉积技术沉积硒源。在一些实施例中，例如，可以在硒源(例如，气态硒)存在的情况下热处理吸收体层120以将硒引入到吸收体层120的至少部分中。
在一些实施例中，例如，硒源可以采用层的形式，以及该方法可以包括在半导体材料上沉积硒源层，或备选地，在硒源层上沉积半导体材料。在一些此类实施例中，该方法可以还包括使半导体材料经受一个或更多个后处理步骤以将硒引入到半导体材料中。
现在参考图8，在一些实施例中，提供吸收体层的步骤包括(a)在层叠110上安置硒源层125；(b)在硒源层125上安置吸收体层120；以及(c)将硒引入到吸收体层120的至少部分中。应当注意，步骤(b)和(c)可以顺序执行或同时实行。
在一些实施例中，硒源层125可以使用任意合适的沉积技术(诸如，例如溅射、升华、蒸发或其组合)沉积于层叠110上。沉积技术可以部分地取决于硒源材料、硒源层125的厚度和层叠110的组分中的一种或更多个。在某些实施例中，硒源层125可以包括元素硒且硒源层125可以通过蒸发形成。在某些实施例中，硒源层125可以包括硒化镉，且硒源层125可以通过溅射、蒸发或升华形成。
硒源层可以包括单个硒源层或多个硒源层。多个硒源层中，硒源可以是相同的或不同的。在一些实施例中，硒源层包括多个硒源层，诸如，例如元素硒层和硒化镉层的堆叠，或者反过来。
硒源层125可以具有从约1nm到约1000nm范围内的厚度。在一些实施例中，硒源层125具有从约10nm到约500nm范围内的厚度。在一些实施例中，硒源层125具有从约15nm到约250nm范围内的厚度。
如所述的，方法还包括在硒源层125上安置吸收体层120。在一些实施例中，吸收体层120可以使用合适的方法来沉积，所述合适的方法诸如，近空间升华(CSS)、气相输运沉积(VTD)、离子辅助物理气相沉积(IAPVD)、射频或脉冲磁控溅射(RFS或PMS)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或电化学沉积(ECD)。
该方法还包括将硒引入到吸收体层120的至少部分中。在一些实施例中，该方法包括将硒引入到吸收体层120的至少部分中，以便硒浓度跨吸收体层120的厚度非线性地变化。
在一些实施例中，至少部分硒在安置吸收体层120的步骤同时被引入到吸收体层120中。在一些实施例中，至少部分硒可以在安置吸收体层120的步骤后被引入，例如，在氯化镉处理步骤期间、在p+型层形成步骤期间、在背接触形成步骤期间或其组合步骤期间。
在一些实施例中，提供吸收体层120的步骤包括共沉积硒源材料和半导体材料。共沉积的合适的非限制性示例包括共溅射、共升华或其组合。在此类情况下，合适的硒源材料的非限制性示例包括元素硒、硒化镉、硒化氢、硒化碲化镉或其组合。因此，通过示例的方式，在一些实施例中，吸收体层120可以在硒源(例如，包含硒的蒸汽或硒化氢蒸汽)存在的情况下通过沉积半导体材料来被提供。
在一些实施例中，吸收体层120可以通过从单个靶(例如，碲化硒化镉靶)或多个靶(例如，碲化镉和硒化镉靶)溅射来被提供。如将由本领域普通技术人员领会，通过控制一个或两个靶的组分和溅射条件，吸收体层120中的硒浓度可以变化。
如较早所述，光伏装置100和层叠110可以进一步包括一个或多个附加层，例如，支撑件111、透明传导氧化物层112、缓冲层113、中间层114、p+型半导体层130和背接触层140，如图3-5中所示出。
如本领域技术人员所理解，安置该三层或整个装置的顺序可以取决于所期望的配置，例如，装置的“衬底”或“覆盖”配置。
在某些实施例中，描述了覆盖配置中制作光伏100的方法。现参考图3-6，在一些实施例中，该方法还包括在支撑件111上安置透明传导氧化物层112。透明传导氧化物层112通过诸如溅射、化学气相沉积、旋转涂覆、喷涂或浸渍涂覆的任何合适技术来安置于支撑件111上。再次参考图3-6，在一些实施例中，可以使用溅射将缓冲层113沉积在透明传导氧化物层112上。该方法还可以包括在缓冲层113上安置中间层114以形成层叠110，如图4中所指示。
该方法还可以包括在中间层114上安置窗口层115以形成层叠110，如图5和6中所指示。窗口层115的沉积方法的非限制性示例包括近空间升华(CSS)、气相输运沉积(VTD)、溅射(例如，直流脉冲溅射(DCP))、电化学沉积(ECD)和化学浴沉积(CBD)中的一个或更多个。
该方法还包括在层叠110上提供吸收体层120，如较早所详细描述的。在一些实施例中，可以进一步应用一系列形成后处理至吸收体层120的暴露表面。这些处理可以定制吸收体层120的功能性且准备它的表面以用于随后粘结到背接触层140。例如，可以将吸收体层120在提高的温度退火足够时间以创造高品质的p型层。此外，可以通过钝化剂(如氯化镉)和富碲剂(例如，碘或碘化物)处理吸收体层120以在吸收体层120中形成富碲区域。此外，可以将铜加入到吸收体层120以获得吸收体层120和背接触层140之间的低电阻电接触。
再次参考图3-6，通过使用任何合适的技术(例如PECVD或溅射)沉积p+型材料，p+型半导体层130还可以进一步沉积在吸收体层120上。在备选实施例中，如较早提及的，可以通过化学处理吸收体层120以增加吸收体层120的背侧(与金属层接触并相反于窗口层的一侧)的载流子密度(例如使用碘或铜)而在吸收体层120中形成p+型半导体区域。在一些实施例中，背接触层140(例如石墨层)可以沉积在p+型半导体层130上，或直接沉积在吸收体层120上(实施例未示出)。多个金属层可以进一步沉积在背接触层140上。
在沉积后，可以进一步加热或随后处理(例如退火)吸收体层120、背接触层140或p+型层130(可选的)中的一个或更多个以制造光伏装置100。
在一些实施例中，在示范光伏装置100中可以包括其它组件(未示出)，诸如汇流条、外部布线、激光刻蚀等等。例如，当装置100形成为光伏模块的光伏电池时，多个光伏电池可以串联连接以实现期望的电压，诸如通过电力布线连接。串联连接的电池的每端可以与合适的导体(诸如导线或汇流条)接附，以将生成的电流定向到合适的位置以用于连接到使用所生成的电流的装置或其它系统。在一些实施例中，可以使用激光来切割光伏装置100的沉积层以将装置分为多个串联连接电池。
示例
示例1：具有非线性梯度分布的光伏装置的制造方法
通过在镉锡氧化物(CTO)透明传导氧化物(TCO)涂覆的衬底上沉积若干层来形成碲化镉光伏装置。衬底是1.4mm厚PVN++玻璃，其涂覆有CTO透明传导氧化物层和薄的高电阻透明锌锡氧化物(ZTO)缓冲层。然后在ZTO缓冲层上沉积包含镁的盖层(cappinglayer)以形成中间层。然后通过DC溅射在中间层上沉积包含硫化镉(CdS：O，在CdS层中具有约5摩尔％的氧)的窗口层(约40nm厚)，并然后在升高的温度退火。然后从具有Se/(Se+Te)比约40％的源材料通过近空间升华来沉积约500nm厚的Cd(Te，Se)膜。压强固定在约15托，具有He背景气体中的少量氧。沉积后，通过CdCl2处理堆叠并然后在大于400℃的温度烘烤。烘烤后，过量的CdCl2被移除。然后在约1托O2存在的情况下通过近空间升华来沉积约3.5微米的CdTe膜。在第二沉积后，在形成背接触前，实行第二CdCl2处理和随后的烘烤，继之以移除过量的CdCl2。
使用所实行的动态二次离子质谱法(DSIMS)来测量装置中的Se沉积分布。在测量前，抛光试样以降低表面粗糙度的影响。Se离子浓度(以原子/cm3为单位)的结果在图9中示出。Se浓度峰位于窗口和缓冲层附近。深度轴是从试样的抛光边缘的以微米为单位的距离。由于抛光过程移除了一些量的CdTe，合金层的总厚度小于原始太阳能电池的Cd(Se)Te合金层的厚度。
为了评估吸收体层内Se分布的非线性性质，筛选数据以移除数据中Se分布峰后的点。然后在对数-对数图上绘制数据。数据在图10中示出。两个函数在对数-对数图上被拟合：一个斜率为1.27的线性拟合，其指示超线性分布。由于整体拟合品质不高，对数-对数数据还被拟合至指数上升函数，其给出了显著更好的拟合，指示检测的Se分布是高度非线性的。
示例2-4CdTe层中不同非线性Se浓度分布的仿真测试
为了示出一些非线性分布，使用一维太阳能电池仿真程序SCAPSv.3.2.01(M.Burgelman，P.NolletandS.Degrave，“Modellingpolycrystallinesemiconductorsolarcells”，ThinSolidFilms361-362(2000)，pp.527-532)来实施仿真。程序数值地解出单个维度中电子和空穴的泊松和连续方程，以确定装置的能带图及其对光照、偏压和温度的响应。在仿真中，在通过在100mW/cm2亮度和300K的AM1.5G光谱的光照(也已知为标准测试条件(STC))下，使用仿真的IV扫描来进行性能计算。根据由Gloeckler等给出的CdTe太阳能电池的参数来设置CdTe的模型参数和装置设计。(M.Gloeckler，A.FahrenbruchandJ.Sites，“NumericalmodelingofCIGSandCdTesolarcells：settingthebaseline”，Proc.3rdWorldConferenceonPhotovoltaicEnergyConversion(Osaka，Japan，may2003)，pp.491-494，WCPEC-3，Osaka(2003))，除了CdTe吸收体层厚度增加到4.5微米和CdTe吸收体层中的深陷阱性质从“施主”改变为中性。CdSe参数设置成与CdTe参数具有相同的值，除了CdSe中的深陷阱密度低至1/10以及带隙是1.7eV。构造了合金材料CdTe1-xSex的性能中的变化作为x的函数的模型，x为分数的Se替代。模型假定CdTe的Eg等于1.5eV，CdSe的带隙等于1.7，并且弯曲系数b＝0.8。由下式给出合金的带隙：
Eg，alloy＝xEg，Cdse+(1-x)Eg，CdTe+bx(1-x)。
诸如载流子迁移率和介电常数值的其它材料性质假定是独立于合金成分并且在CdTe和CdSe值间线性变化的深施主浓度作为x的函数取值。
在示例2中，仿真使用检测的DSIMSSe分布作为输入来进行。检测的DSIMS分布拟合成双指出衰减分布并且使用拟合的参数来计算贯穿4.5微米厚的吸收体层的Se浓度分布。
在示例3中，假定指数的Se浓度分布，从背面中的约x＝0.006增加到前面中的0.2。装置中的Se总量约是示例1中描述的装置的Se总量的约4.4倍。
在示例4中，假定Se浓度的顶帽分布。在具体的顶帽分布中，从装置背面直到离前界面约0.4微米x＝0，在离前界面约0.4处x上升。从这点直到到达吸收体层前面x＝0.4。装置中的Se总量约是示例1中描述的装置的Se总量的3倍。
对于常规CdS/CdTe光伏装置的比较的示例1仿真测试
对于这个仿真，装置没有Se并且使用如由Gloecker所指定的输入(除了前面说明的修改)。计算的这个模型电池的性能量度(效率、Voc、Jsc和填充因子(FF))用作其它示例的参考等级并且它们(所述其它示例)相应的性能量度标准化至这个基准情况。
对于CdTe层中线性Se浓度分布的比较的示例2仿真测试
对于这个仿真，使用线性Se浓度分布，假定与经由DSIMS分布确定的量相同的Se总量。在此计算中，输入Se浓度的线性梯度到装置模型中。x值设置成在背接触为0而在前面为约0.025。
对于CdTe层中常数Se浓度分布的比较的示例3仿真测试
对于这个仿真，假定贯穿装置吸收体层的具有x＝0.4的常数Se浓度分布。装置中的Se总量是示例1中描述的装置的Se总量的约32倍。
对于CdTe层中线性Se浓度分布的比较的示例4仿真测试
对于这个仿真，假定Se浓度分布是线性斜升，在背接触从x＝0开始并在装置前面增加到x＝0.4。装置中的Se总量是示例1中描述的装置的Se总量的约16倍。
表1中公布了示例2-4和相对于比较的示例1的基准电池的比较的示例2-4的性能量度。图11示出比较的示例2-4和示例2-4的Se浓度分布作为CdTe厚度的函数。
如在表1中所示，装置性能参数示出当与没有CdTeSe层的装置(比较的示例1)比较时具有非线性梯度的CdTeSe层(示例2-4)的装置得到改善。对于同样量的Se，装置性能参数进一步示出了当与在CdTeSe层中具有线性梯度的Se的装置(比较的示例2)相比时，具有非线性梯度的CdTeSe层(示例2)的装置得到改善。“指数”和“顶帽”非线性Se浓度分布(示例3-4)示出优于具有常数或线性梯度Se浓度分布(比较的示例3和4)电池的效率，尽管具有在层中存在的低得多的Se总量。
应当注意，虽然试样设置中的分布主要限制前面，但是Se分布的一些程度的偏移可以导致整体装置性能中的改善，特别是如果前和背接触的掺杂分布或能级被调整。在此类情况下，可能Se峰的最佳位置不在靠近缓冲层的前界面。
表1对于CdTe中不同Se浓度分布的性能参数的仿真结果
所附权利要求意在与其已经所构思的一样广泛地来主张本发明的权利，且本文呈现的示例是从多种的所有可能的实施例中选择的实施例的说明。因此，所附权利要求并不由用于示出本发明的特征的示例的选择所限制正是申请者的意图。如权利要求中所使用的，词语“包括”以及其语法上的变形逻辑上也对着(subtend)和包括变化和不同程度的短语，诸如例如，但不限于此，“实质上由......组成”和“由......组成”。在必要的情形，已提供范围；这些范围包含其间的所有子范围。将预期，本领域普通技术人员将想起在这些范围内的变化，并且在还没有献出给公众的情况下，那些变化应当在可能的情况下被解释为由所附权利要求覆盖。还预料的是，科学和技术上的发展将使得等同和替代(其由于语言不精确的原因，现在不可设想)成为可能，并且这些变化在可能的情况下也应当被解释为由所附权利要求覆盖。

Claims (26)

1.一种光伏装置，包括：
层叠；以及
吸收体层，安置在所述层叠上，其中所述吸收体层包括硒，且其中硒的原子浓度跨所述吸收体层的厚度非线性变化。
2.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述硒的原子浓度跨所述吸收体层的厚度非单调地变化。
3.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层中的硒的原子浓度具有包括指数分布、顶帽分布、阶跃改变分布、锯齿分布、方波分布、幂律分布或其组合的分布。
4.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层包括第一区域和第二区域，所述第一区域安置成相对于所述第二区域接近所述层叠，以及
其中，所述第一区域中硒的平均原子浓度大于所述第二区域中硒的平均原子浓度。
5.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层包括第一区域和第二区域，所述第一区域安置成相对于所述第二区域接近所述层叠，以及
其中，所述第一区域中硒的平均原子浓度低于所述第二区域中硒的平均原子浓度。
6.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层包括第一区域和第二区域，所述第一区域安置成相对于所述第二区域接近所述层叠，以及
其中，所述第一区域具有比所述第二区域的带隙更低的带隙。
7.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层还包括镉和碲。
8.如权利要求7所述的光伏装置，其中所述吸收体层还包括硫、氧、铜、氯或其组合。
9.如权利要求1所述的光伏装置，其中在所述吸收体层中，至少部分硒以三元化合物、四元化合物或其组合的形式存在。
10.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述吸收体层包括多个层，且其中硒的浓度跨所述多个层变化。
11.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述层叠包括：
安置在支撑件上的透明传导层；以及
安置在所述透明传导层和所述吸收体层之间的缓冲层。
12.如权利要求11所述的光伏装置，其中所述层叠还包括安置在所述缓冲层和所述吸收体层之间的中间层。
13.如权利要求11所述的光伏装置，其中所述层叠还包括安置在所述缓冲层和所述吸收体层之间的窗口层。
14.如权利要求13所述的光伏装置，其中所述窗口层包括硫化镉、氧化硫化镉、硫化锌、硫化镉锌、硒化镉、硒化铟、硫化铟或其组合。
15.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述装置基本没有硫化镉层。
16.一种光伏装置，包括：
层叠，包括：
安置在支撑件上的透明传导氧化物层、安置在所述透明传导氧化物层上的缓冲层和安置在所述缓冲层上的窗口层；以及
吸收体层，安置在所述层叠上，其中所述吸收体层包括硒，以及其中硒的原子浓度跨所述吸收体层的厚度非线性变化。
17.一种制作光伏装置的方法，包括：
提供层叠上的吸收体层，其中所述吸收体层包括硒，以及其中硒的原子浓度跨所述吸收体层的厚度非线性变化。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述硒的原子浓度跨所述吸收体层的厚度非单调地变化。
19.如权利要求17所述的方法，其中提供吸收体层的步骤包括采用硒源与半导体材料接触。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述硒源包括元素硒、硒化镉、硒化氢、有机金属硒或其组合。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述半导体材料包括镉和碲。
22.如权利要求17所述的方法，其中提供吸收体层的步骤包括：
(a)在所述层叠上安置硒源层；
(b)在所述硒源层上安置吸收体层；以及
(c)将硒从所述硒源层引入至所述吸收体层的至少部分中。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述硒源层具有从约1纳米到约1000纳米范围内的平均厚度。
24.如权利要求17所述的方法，其中提供吸收体层的步骤包括共沉积硒源材料和半导体材料。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述硒源材料包括元素硒、硒化镉、硒化碲化镉或其组合。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述半导体材料包括镉和碲。
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