TW201115754A - Photovoltaic device back contact - Google Patents

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Description

201115754 六、發明說明： C 明所屬才支斗餘々真]| 優先權之主張 本申請案主張於2009年8月1〇日提出申請的美國臨時 專利申請案第61/232,767號之優先權，其於此係以全文引用 方式併入本案以為參考資料。 發明領域 本發明係有關於具有一改良式背接點的光伏打元件。 發明背景 為了與一光伏打元件電連接，該背接點層可包括金 屬。就薄膜太陽能電池而言，該金屬背接點可具有一背接 點阻障效果。所存在之該背接點阻障主要地因阻礙電洞轉 移’一電流限制效應通常視為“反轉(rollover)，，而會影響薄 膜太陽能電池之電流-電壓特性。因此’其會顯著地降低該 光伏打元件性能。 【^'明内j 依據本發明之一實施例，係特地提出一種光伏打元 件，其包含：一基板；一透明的傳導性氧化物層，其與該 基板鄰接；一半導體層，其與該透明的傳導性氧化物層鄰 接，該半導體層包含一半導體吸收體層及一半導體窗層； 以及一背接點層，其與該半導體層鄰接’其中該背接點層 包含一氮化銦。 依據本發明之另一實施例，係特地提出一種製造一光 £ 3 201115754 伏打元件的方法，其包含以下步驟：將一透明的傳導性氧 化物層沉積與一基板鄰接；將一半導體窗層沉積與該透明 的傳導性氧化物層鄰接；將一半導體吸收體層沉積與該半導 體窗層鄰接；以及將一背接點沉積與該半導體吸收體層鄰接 其中該背接點層包括一氮化銦。 圖式簡單說明 第1圖係為具有複數層及一金屬背接點層的一光伏打 元件的一概略能帶圖。 第2圖係為具有複數層及一新式背接點的一光伏打元 件的一概略圖。 第3圖係為具有複數層及一新式背接點的一光伏打元 件的一概略圖。 第4圖係為具有複數層及一新式背接點的一光伏打元 件的一概略能帶圖。 I：實施方式3 較佳實施例之詳細說明 為了與一光伏打元件電連接，該背接點層可包括金 屬。發展具有一改良式背接點的一光伏打元件，用以降低 該背接點阻障並使元件性能強化。 一光伏打元件可包括一透明的傳導性氧化物層與一基 板鄰接以及半導體材料層。該等半導體材料層能夠包括一 雙層，其可包括一 η型半導體窗層（window layer)，以及一 p 型吸收體層（absorber layer)。該η型窗層與該p型吸收體層可 經定位而相互接觸，用以產生一電場。一經與該η型窗層接 201115754 觸，光子能夠釋放電子空洞對，將電子輸送至該η側以及電 洞輸送至該Ρ側。電子能夠經由一外部電流路徑往回流動至 該ρ側。該合成電子流提供電流，與源自於該電場的合成電 壓結合，產生電力。該結果係為將光子能量轉換成電力。 為了與一光伏打元件電連接，該背接點層能夠包括金屬。 一金屬接點會產生一背接點阻障，其會限制電流流動。 於一觀點中，一光伏打元件可包括一基板、一透明的 傳導氧化物層與該基板鄰接、一半導體窗層與該透明的傳 導氧化物層鄰接、一半導體吸收體層與該半導體窗層鄰接 以及一背接點層與該半導體吸收體層鄰接，其中該背接點 層能夠包括一氮化銦。該元件與一金屬背接點相較具有一 降低的背接點阻障影響。該光伏打元件可進一步包括一背 支撐與該背接點鄰接。該基板可包括一玻璃。該半導體窗 層可包括硫化鎘。該半導體吸收體層可包括碲化鎘。該透 明的傳導氧化物層可包括氧化辞。該透明的傳導氧化物層 可包括氧化錫。該透明的傳導氧化物層可包括錫酸鎘。 於另一觀點中，製造一光伏打元件的一方法包括將一 透明的傳導氧化物層沉積與一基板鄰接，將一半導體窗層 沉積與該透明的傳導氧化物層鄰接，將一半導體吸收體層 沉積與該半導體窗層鄰接，以及將一背接點沉積與該半導 體吸收體層鄰接之該等步驟，其中該背接點層包括氮化 銦。該元件能夠具有與金屬背接點相較為降低的背接點阻 障效應。該方法可進一步包括附裝一背支撐與該背接點層 鄰接。該基板可包括玻璃。該沉積背接點層之步驟可包括 .¾ 5 201115754 蒸發。該沉積背接點層之步驟可包括活化反應性蒸發。該 /儿積老接點層之步驟可包括化學蒸氣沉積。該沉積背接點 層之步驟可包括低壓有機金屬化學蒸氣沉積。該沉積背接 點層之步驟可包括濺鍍。該沉積背接點層之步驟可包括反 應性賤鑛。該半導體窗層可包括硫化鎘。該半導體吸收體 層可包括碲化鎘。該透明的傳導氧化物層可包括氧化鋅。 該透明的傳導氧化物層可包括氧化錫。該透明的傳導氧化 物層可包括锡酸鎘。 參考第1圖，一光伏打元件可具有一硫化鎘層作為—半 導體㈤層，以及一蹄化錢層作為一半導體吸收體層。由於 太陽能電池中使用的該碲化鎘係為一相對為寬的能隙p型 半導體，所以在區域130中供電洞所用可限制電流流動的一 大肖特基位障（Schottky barrier)，能夠構成在碲化鎘層11〇 與金屬背接點Π0之間的金屬/p型半導體介面M〇上。肖特 基位障或月接點位障150之面度係為蹄化鶴之價帶最高點 (valence band maximum) 160 與金屬費米能階（Fermi level)170之差。於一電路模式中，該背接點對該主要接合 構成一相反極性的二極體。其能夠以一方式限制電流流 動，通常視為該“反轉”效應。因此，該“反轉，，效應會降低 該光伏打元件性能。 一光伏打元件可包括一半導體窗層，其包括硫化鎘以 及一半導體吸收體層，其包括碲化鎘。一光伏打元件可具 有一背接點層其包括一背接點材料，與由一金屬背接點構 成的該阻障相較能夠減少該背接點阻障。該背接點材料可 201115754 包括任何適合的減少阻障材料。例如，該f接點材料可包 括-含銦材料’諸如氮化銦或是任何其他適合的材料。 參考第2圖，-光伏打元件可包括—透明的傳導氧 化物層22G其經沉積與—基板21_接。藉㈣鍍或是蒸發 或任何其他適合的方法，可將透日㈣料氧化物層2麻積 在基板2!0上。基板21〇可包括任一適合的材料，包括玻璃， 諸如_玻璃(soda-lime glass)。透明的傳導氧化物層— 可包括任何適合的透明傳導性氧化物材料，包括錫酸编、 摻雜銦的錫氧化物、或是捧雜錫的銦氧化物或摻雜氣的錫 氧化物。可將-半導體雙層23〇沉積與透明的傳導氧化物層 220鄰接。半導體雙層23〇可包括半導體窗層231及半導體吸 收體層232。半導體雙層23〇之半導體窗層加可經沉積與透 明的傳導氧化物層220鄰接，其能夠經退火。半導體窗層231 可包括任何適合的窗層材料，諸如硫化鎘，並且能夠藉由 任何適合的沉積方法構成，諸如噴濺或蒸氣運送沉積或是 密閉空間昇華。可將半導體吸收體層232沉積與半導體窗層 231鄰接。可將半導體吸收體層232沉積在半導體窗層231 上。半導體吸收體層232可為任何適合的吸收體材料，諸如 碲化鎘’並且能夠藉由任何適合的方法構成，諸如噴賤或 蒸氣運送沉積或是密閉空間昇華。 可將背接點240沉積與半導體吸收體層232鄰接。可將 背接點層240沉積與半導體雙層230相鄰。背接點層24〇可包 括一背接點材料，與一金屬背接點相較能夠減少該背接點 阻障效應。該背接點材料包括氮化銦。 201115754 可藉由活化反應性蒸發(ARE)沉積背接點層240。於特 定的具體實施例中，氮化銦(InN)薄膜能夠藉由使用與氮氣 電漿耦合之平行板的活化反應性蒸發(ARE)製程，以及藉由 電阻性或電子束加熱的純銦粉末之蒸發而沉積。可藉由以 13.56 MHz之射頻源變化射頻電漿而完成該沉積。可在室溫 下於1·〇6 X 10·1 pa(8 X 1〇_4 Torr)的氮氣壓力下維持該製 程。亦能夠藉由化學蒸氣沉積(CVD)、低壓有機金屬化學 蒸氣 >儿積(LPOCVD)、或是任何其他適合的蒸氣轉變沉積 (VTD)技術沉積該背接點層。 參考第3圖，光伏打元件300可包括一透明的傳導氧化 物層320其經沉積與一基板310鄰接。藉由濺鍍或是蒸發可 將透明的傳導氧化物層320沉積在基板310上。基板31〇可包 括一玻璃’諸如鈉妈玻璃(soda-lime glass)。透明的傳導氧 化物層320可包括任何適合的透明傳導性氧化物材料，包括 錫酸鎘、摻雜銦的鎘氧化物、或是摻雜錫的銦氧化物或摻 雜氟的錫氧化物。可構成或沉積一半導體雙層330與退火的 透明傳導氧化物層320鄰接。半導體雙層33〇可包括半導體 窗層331及半導體吸收體層332。半導體雙層33〇之半導體窗 層331可經沉積與退火的透明傳導氧化物層32〇鄰接。半導 體窗層331可包括任何適合的窗層材料，諸如硫化鎘，並且 能夠藉由任何適合的沉積方法構成，諸如喷濺或蒸氣運送 沉積或是密閉空間昇華。可將半導體吸收體層332沉積與半 V體_層331鄰接。可將半導體吸收體層332沉積在半導體 窗層331上。半導體吸收體層332可為任何適合的吸收體材 201115754 料，諸如碲化鎘，並且能夠藉由任何適合的方法構成，諸 如喷賤或I氣運送沉積或是密射間昇華。可沉積背接點 350與半導體吸收體層332鄰接。可沉積背接點35〇與半導體 雙層230鄰接。背接點35〇可包括氮化銦34〇。可藉由濺鍍製 程沉積背接點350。背支撐36〇可經定位與背接點35〇相鄰。 參考第4圖，一光伏打元件其具有一硫化鎘層作為半導 體iS層410以及一碲化編層作為半導體吸收體層们❹，具有 背接點層430其包括一 n型氮化銦層。在背接點層43〇添加n 型氮化錮可經由複數機構強化元件性能。首先，藉由消除 針對該等電洞的肖特基位障，能夠降低背接點層43〇之電 阻。替代地，可產生再結合路徑44〇，容許在異質介面45〇 之s亥碲化鑛側上構成的該累積層中收集的該等電洞與位在 介面450之該氮化銦側上累積的該等電子再結合，在外部電 路中產生有用電流。再者，藉由介面450之該碲化鎘側上傳 導能帶彎曲，能夠有效地藉由產生電場抑制電子流朝向該 背接點，能夠減少太陽能電池之收集損失。該構形亦容許 減小鎊化鎘(CdTe)層420之厚度而未降低該收集效率。 於特疋具體實施例中’利用該改良的背接點，與該控 制群組(具有金屬背接點）比較’該平均電池性能顯示卓越的 改良性：電壓Voc可由約780 mV增加至約810 mV ;效率能 夠由約11%增加至約11.7%。氮化銦(InN)薄膜之薄層電阻可 位在自約6000歐姆/平方至約8000歐姆/平方的範圍中。氮化 銦薄膜之電阻率可位在自約0.012歐姆-公分至約〇.〇 14歐姆_ 公分的範圍中。氮化銦(InN)薄膜之該載子濃度可位在自約 201115754 2.6 χ ΙΟ20 cm-3至約3.0 x 102() cm·3的範圍中。氮化銦薄膜之 電子遷移率可位在自約1.5 cm2/vs至約1.9 cm2/vs的範圍中。 已說明本發明之複數具體實施例。然而，應瞭解的是 可作不同的修改而不致背離本發明之精神與範疇。亦應瞭 解的是該等附加的圖式並不必要地按比例繪製，稍微簡化 地呈現說明本發明之該等基本原理之不同的較佳特徵。 圖式簡單說明 第1圖係為具有複數層及 元件的一概略能帶圖。 第2圖係為具有複數層及 件的一概略圖。 第3圖係為具有複數層及 件的一概略圖。 第4圖係為具有複數層及 件的一概略能帶圖。 【主要元件符號說明 110…碲化鎘層 120.. .金屬背接點 130.. .區域 140.. .金屬/p型半導體介面 150.. .肖特基位障或背接點位障 160.. .價帶最高點 170.. .金屬費米能階 200.. .光伏打元件 金屬背接點層的一光伏打 新式背接點的一光伏打元 新式背接點的一光伏打元 新式背接點的一光伏打元 210.. .基板 220.. .透明的傳導氧化物層 230.. .半導體雙層 231.. .半導體窗層 232…半導體吸收體層 240…背接點層 300.. .光伏打元件 310…基板
10 201115754 320.. .透明的傳導氧化物層 330.. .半導體雙層 331.. .半導體窗層 332.. .半導體吸收體層 340.. .氮化銦 350…背接點 ...背支撐 ...半導體窗層 ...半導體吸收體層 …背接點層 ...再結合路徑 ...異質介面 11

Claims (1)

  1. 201115754 七、申請專利範圍· 1. 一種光伏打元件，其包含： 一基板； 一透明的傳導性氧化物層，其與該基板鄰接； 一半導體層，其與該透明的傳導性氧化物層鄰接， 該半導體層包含一半導體吸收體層及一半導體窗層；以及 一背接點層，其與該半導體層鄰接，其中該背接點 層包含一氮化姻。 2. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該元件具有 與金屬背接點相較為降低的一背接點阻障效應。 3. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其進一步包含一背 支撐與該背接點鄰接。 4. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該基板包含一 玻璃。 5. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該半導體窗 層包含一硫化鎘。 6. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該半導體吸 收體層包含一碲化鎘。 7. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該透明的傳 導性氧化物層包含一氧化辞。 8. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該透明的傳 導性氧化物層包含一氧化錫。 9. 如申請專利範圍第1項之光伏打元件，其中該透明的傳 導性氧化物層包含一錫酸錫。 12 201115754 ίο. —種製造一光伏打元件的方法，其包含以下步驟： 將一透明的傳導性氧化物層沉積與一基板鄰接； 將一半導體窗層沉積與該透明的傳導性氧化物層 鄰接； 將一半導體吸收體層沉積與該半導體窗層鄰接；以及 將一背接點沉積與該半導體吸收體層鄰接其中該 背接點層包括一氮化銦。 11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該元件具有與金屬 背接點相較為降低的一背接點阻障效應。 12. 如申請專利範圍第10項之方法，其進一步包含附裝一背 支撐與該背接點鄰接。 13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該基板包含一玻璃。 14. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含蒸發。 15. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含活化反應性蒸發。 16. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含化學蒸氣沉積。 17. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含低壓有機金屬化學蒸氣沉積。 18. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含濺鍍。 19. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該沉積背接點層之 步驟包含反應性藏鑛。 S 13 201115754 2〇.如申請專利範圍第10項之方法，其中該半導體窗層包含 一硫化編。 21. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該半導體吸收體層 包^—碑化福。 22. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該透明的傳導性氧 化物層包含一氧化辞。 23. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該透明的傳導性氧 化物層包含一氧化錫。 24. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該透明的傳導性氧 化物層包令—錫酸錫。 14
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