用于薄膜太阳能电池的层结构和制造方法技术

用于薄膜太阳能电池的层结构和制造方法。本发明专利技术涉及一种用于薄膜太阳能电池(1)的层结构，包括光伏吸收剂层(5)，所述光伏吸收剂层(5)至少在与光伏吸收剂层的表面(6)邻近的区域中掺杂有至少一种碱金属。本发明专利技术还涉及一种用于制造这种层结构的方法。根据本发明专利技术，所述层结构在光伏吸收剂层(5)的表面(6)上具有，设计成保护光伏吸收剂层免受腐蚀的氧化钝化层(8)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于薄膜太阳能电池的层结构和制造方法本专利技术涉及用于薄膜太阳能电池的层结构，所述层结构包括光伏吸收剂层，光伏吸收剂层至少在与光伏吸收剂层的表面邻近的区域中掺杂有至少一种碱金属。本专利技术还涉及用于制造这种层结构的方法。通用的层结构和相关的制造方法从WO2014/097112A1而被公众所知。通常，将具有光伏吸收剂层的层结构整合到薄膜太阳能电池中。研究表明，碱金属掺杂可以有利地影响与光电活性相关的吸收剂层(其通常包含化合物半导体材料)的性质，并且可以使得薄膜太阳能电池的效率显著提高。然而，碱金属掺杂并不是没有一定的困难。具体来说，与相同构造的其他薄膜太阳能电池相比，一些这种类型的薄膜太阳能电池的填充因子可能显著降低并且因此效率也可能显著降低。本专利技术解决的技术问题是提供一种具有改善的化学性能和物理性能的层结构以提高具有这种层结构的薄膜太阳能电池的效率，并且还提供一种制造这种层结构的方法。本专利技术通过提供一种具有权利要求1所述的特征的层结构和一种具有权利要求9所述的特征的用于制造层结构的方法来解决这个问题。本专利技术的层结构在光伏吸收剂层的表面上具有氧化钝化层，氧化钝化层设计成保护光伏吸收剂层免受腐蚀。氧化钝化层包含具有氧化合物的材料或由具有氧化合物的材料组成。氧化钝化层可设置在表面上和/或可内置在到光伏吸收剂层中的表面上。内置可意味着可以在表面上使光伏吸收剂层转化。氧化钝化层无间隙地覆盖光伏吸收剂层；氧化钝化层不中断。除了与掺杂区域邻近的表面之外，光伏吸收剂层可具有例如与导电的背接触件层相对的界面。通常，通过掺杂引入的碱金属使得吸收剂层材料在环境条件下、至少在表面处的区域中更易受化学腐蚀，特别是在吸收剂层包含化合物半导体材料的情况下。这种腐蚀对薄膜太阳能电池的光电性能造成不利影响。因为作为由于与大气氧交换电子的氧化还原事件的结果或作为由于与环境空气中的水分相互作用的水解过程的结果的腐蚀可能在光伏吸收剂层的表面处出现材料缺陷，伴随着三维分布的单独氧化物的形成。这些材料缺陷导致光诱导载流子的复合增加。三维分布的氧化物不具有钝化作用。它们也不会保护光伏吸收剂层免受进一步的腐蚀，特别是在表面下方的光伏吸收剂层的体积中，例如沿着多晶吸收剂层结构的晶界。通常，作为常规CdS缓冲层(硫化镉CdS)的可选方案，在薄膜太阳能电池的进一步处理期间，将至少一个含氧缓冲层施加到光伏吸收剂层。通常，缓冲层包含氧化材料(例如，氧化锌ZnO、氧化锌镁ZnMgO)和/或氧代硫化材料(例如，氧代硫化锌Zn(O、S))或者由这些材料中的至少一种组成。这些纯的或部分氧化的材料或施加的含氧缓冲层不能提供具有充分防腐蚀保护的光伏吸收剂层。本专利技术的氧化钝化层允许有效保护包含碱金属掺杂的光伏吸收剂层免受腐蚀，并且与所述光伏吸收剂层联合以免形成电活性杂质，特别是在封装薄膜太阳能电池之前的进一步的层结构和/或薄膜太阳能电池处理期间和/或在较长时间内未完全密封封装的情况下。防腐蚀保护至少包括腐蚀过程在时间上的延迟。此外，氧化钝化层允许减少或防止光诱导的载流子在光伏吸收剂层的表面上的复合。更具体地，氧化钝化层可以设计成防止在光伏吸收剂层的表面或界面处的光电流损失。换句话说，氧化钝化层可设计成使不饱和键(被称为“悬空键”)饱和，具体地通过形成氧化合物，以防止在表面或界面处形成正电荷和/或避免表面处的电活动。通过这种方式，可以利用碱金属掺杂的优点，并且避免了其缺点，使得由此生成的薄膜太阳能电池的效率特别高并且理论上在薄膜太阳能电池的整个寿命期间都保持为高的。此外，可以通过氧化钝化层来促进例如由CdS、Zn(O、S)或In2S3构成的缓冲层的应用，从而使得可以提高缓冲层的质量，并且从而降低缓冲层厚度。此外，对于光伏吸收剂层与缓冲层之间的界面区域中的原子/离子扩散，氧化钝化层可以充当弱扩散屏障。在本专利技术的开发中，光伏吸收剂层包括黄铜矿材料(并且具体地Cu(In1-xGax)Se1-ySy)2(铜Cu、铟In、镓Ga、硒Se、硫S)(其中0≤x、y≤1))和/或包括硫铜锡锌矿材料(例如Cu2ZnSn(Se1-xSx)4(锡Sn)(其中0≤x≤1))或者由这些材料中的至少一种组成。这些化合物半导体材料具有几个eV(电子伏特)的直接电带隙。此外，它们可以有效地掺杂有碱金属。因此，它们理想地应用到薄膜太阳能电池中。由于固有缺陷，化合物半导体层通常为轻度p-掺杂的。通常，薄膜太阳能电池中的p-n反转部通过将重度n-掺杂Al(铝)的ZnO层施加到至少一个上述缓冲层来获得。通过p-n反转部，在薄膜太阳能电池的各层上生成电场，并且由此，由光子吸收生成的电子-空穴对可在空间上分离。在本专利技术的开发中，与光伏吸收剂层的表面邻近的区域以为了呈现p-n反转部的方式进行掺杂。这可以通过在整个掺杂区域中、具有较高掺杂的适当掺杂分布来实现。因此，在光伏吸收剂层中生成的电子-空穴对可以更有效地分离。更具体地，可以减少电子-空穴对的复合。因此，可以实现对薄膜太阳能电池的效率的提高。有利地，光伏吸收剂层可在表面上为n-掺杂的。迄今用于掺杂光伏吸收剂层的碱金属是钠(Na)和钾(K)。Na通常不会在表面处的区域中实现p-n反转部。用K来提高薄膜太阳能电池的效率是不稳定的；换句话说，这种高效率的薄膜太阳能电池的重现性较低。在本专利技术的一种开发中，所述至少一种碱金属是铷Rb和/或铯Cs。这些碱金属可以被固定在光伏吸收剂层的表面上，从而使得可以在光伏吸收剂层的表面上的区域中实现p-n反转部。出人意料地，结果显示，具有这些特定碱金属的薄膜太阳能电池的效率可以显著提高，并且提高的效率的重现性得以改善。在本专利技术的开发中，氧化钝化层包含(In、Ga)2O3、Mx(In、Ga)yOz(氧O)(其中M＝K、Rb、Cs并且其中0<x、y、z)和/或氧化铝Al2O3，或者由这些材料中的至少一种组成。可选地或另外，氧化钝化层可以包含ZnO和/或SnOx(其中x＝1至2)和/或这两种材料的混合物，或者可以由这些材料中的至少一种组成，并且碱金属部分也可能由于从表面或界面的扩散而存在。换句话说，所述材料在每种情况下都不能以掺杂量浓度存在，而是以化学计量的量存在。对于由黄铜矿材料构成或包含黄铜矿材料的光伏吸收剂层，可以由光伏吸收剂层和氧生成或生长具有例如(In、Ga)2O3、Mx(In、Ga)yOz的氧化钝化层；在这种情况下，可以使光伏吸收剂层的表面转化。对于由硫铜锡锌矿材料组成或包含硫铜锡锌矿材料的光伏吸收剂层，可以由光伏吸收剂层和氧生长或生成具有例如ZnO、SnOx的氧化钝化层；在这种情况下，可以使光伏吸收剂层的表面转化。另外或可选地，可以通过将Al2O3施加到光伏吸收剂层来生成具有Al2O3的氧化钝化层。具体地，Al2O3不仅可以保护Al层而且可以保护其他材料层免受腐蚀。在本专利技术的开发中，氧化钝化层的厚度在1nm至50nm(纳米)的范围内，优选在3nm至5nm的范围内。通过这种方式，一方面可以实现有效地保护光伏吸收剂层免受腐蚀。另一方面，仍然可以确保从光伏吸收剂层通过氧化钝化层并且到任选的缓冲层和/或前接触件层的有效电输送。在氧化钝化层由光伏吸收剂层和氧生成或生长的情况下，这种生成或生长通过存在至少一种碱金属来促进，优选地通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于薄膜太阳能电池的层结构，包括光伏吸收剂层(5)，所述光伏吸收剂层(5)至少在与所述光伏吸收剂层的表面(6)邻近的区域中掺杂有至少一种碱金属，其特征在于位于所述光伏吸收剂层(5)的所述表面(6)上的氧化钝化层(8)，所述氧化钝化层设计成保护所述光伏吸收剂层免受腐蚀。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.18 DE 102014223485.91.一种用于薄膜太阳能电池的层结构，包括光伏吸收剂层(5)，所述光伏吸收剂层(5)至少在与所述光伏吸收剂层的表面(6)邻近的区域中掺杂有至少一种碱金属，其特征在于位于所述光伏吸收剂层(5)的所述表面(6)上的氧化钝化层(8)，所述氧化钝化层设计成保护所述光伏吸收剂层免受腐蚀。2.如权利要求1所述的层结构，其特征在于，所述表面(6)上的所述氧化钝化层(8)内置于所述光伏吸收剂层(5)中，所述光伏吸收剂层在所述表面上被转化。3.如权利要求1或2所述的层结构，其特征在于，所述光伏吸收剂层(5)包含：Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2，其中0≤x，y≤1；和/或Cu2ZnSn(Se1-xSx)4，其中0≤x≤1。4.如权利要求1至3中任一项所述的层结构，其特征在于，与所述光伏吸收剂层(5)的所述表面(6)邻近的所述区域被掺杂以使得其呈现p-n反转部(9)。5.如权利要求1至4中任一项所述的层结构，其特征在于，所述至少一种碱金属是铷和/或铯。6.如权利要求1至5中任一项所述的层结构，其特征在于，所述氧化钝化层(8)包含：(In,Ga)2O3、Mx(In,Ga)yOz，其中M＝K、Rb、Cs并且其中0<x、y、z；和/或Al2O3；和/或ZnO、SnOx，其中x＝1至2。7.如权利要求1至6中任一项所述的层结构，其特征在于，所述氧化钝化层(8)的厚度(D)在从1nm至50nm的范围内。8.如权利要求1至7中任一项所述的层结构，其特征在于，所述氧化钝化层(8)承载施加的缓冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兰·伍尔兹，迈克尔·颇瓦拉，菲利普·杰克逊，迪米特里奥斯·哈里斯科斯，
申请(专利权)人：巴登符腾堡太阳能和氢研究中心，
类型：发明
国别省市：德国,DE