具有一个空间调制本征层的薄膜太阳能电池制造技术

一个或多个薄膜太阳能电池（１０），在其中基本非晶的半导体合金材料本征层（１８）包括至少一个第一带隙部分和一个较窄带隙部分。在一部分体厚度中本征层是空间渐变的，渐变部分包括离开本征层一掺杂层（１６，２０）界面的一个区域。本征层的带隙总是小于掺杂层的带隙。本征层的渐变是有效的，因此，提高了一个或一组太阳能电池结构的开路电压和（或）填充系数。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是按能源部签订的NO·ZB-7-0600003-4号合同，利用政府资助下完成的，政府对这项专利技术具有当然的权利。一般说来，这项专利技术是关于太阳能电池，更具体地说是关于由一个或者一组以电学和光学方式串接的叠层太阳能电池形成的薄膜光生伏特结构。这一组太阳能电池中至少有一个电池的本征层在其体厚度的主要部分是“空间渐变”的，所说的部分是从本征层一掺杂层界面之间取出的，这样做的目的是增强开路电压和(或)填充系数。要指出的是，本专利技术的受让人已经达到了发表的最高薄膜太阳能电池光转换效率，其效率约为百分之十三。这一纪录是利用三个分立的P-i-n型太阳能电池以串联方式光学和电学地叠在一起形成的光生伏特结构获得的，每个电池用以吸收太阳能谱中一个特定部分的入射光子。通过这一“光谱分裂”技术，使得制造具有一组相当薄的光产生层的叠层光生伏特结构成为可能，其结果是由掺杂层产生的内建电场有效地收集光生带电载流子，从而减少由于“Staebler/wronski”退化(degradation)引起的复合损失。叠层电池减小复合损失的工作原理在本背景材料的后面部分中将详细描述。利用多重叠层电池增加光生伏特器件的效率的原理早在1955年就有人描述过。1955年公开的多重电池结构局限于利用由单晶半导体器件形成的p-n结。一般说来，叠层电池的原理是利用不同带隙的器件更有效地吸收太阳能谱的不同部分和增加Voc(开路电压)。在最上面一个电池。或者叫做光入射电池中，相当大带隙的半导体材料仅吸收短的、高能量波长的光;而在其后的电池中，带隙较小的材料依次吸收通过第一个电池的较长的、能量较低的波长的光。通过实现各个串接电池产生的光生电流基本上匹配，总的开路电压就成为每个电池开路电压的和;而每个电池的短路电流(Jsc)基本上保持不变。通过使用以前提到过的用于依次沉积非晶和微晶半导体合金材料薄膜层的连续制备技术，本专利技术的受让人已把这种串联结构商业化地用于与上文有关的大面积光生伏特器件。在下面的描述中，要记住所使用的非晶性和微晶性的特殊定义，这里所用的“非晶”这个词定义为包括显示长程无序的合金或材料，但是这些合金或材料可以显示短程或中程有序，甚至可包含晶态杂质。这里所用的“微晶”这个词定义为特殊的一类非晶材料，其特征为材料中晶态杂质具有一定体积比，而且这个体积比要大于一个阈值，当达到这个阈值时，某些关键的参数，例如电导率、光学带隙和吸收常数，将开始发生显著变化。特别要指出的是，按照上述定义，微晶材料仍归在非晶材料这个总类中。本专利技术的受让人还从事下列的发展工作，(1)改善半导体合金材料，包括宽的和更窄带隙的材料，其特征为具有降低的缺陷态密度(低到1016厘米-3电子伏特-1)。(2)改善背反射器材料，包括双层高反射材料(如以氧化锌为过渡层的银);(3)改善的宽带隙半导体合金材料掺杂层，其特征为高电导率和提高掺杂层所在的太阳能电池的内建电场。所有这些改善对发展上面提到的具有13%光转换效率世界纪录的三重叠层光生伏特器件都是必不可少的。然而，正如已指出的那样，即使这样一个世界纪录的效率也仍无法使得光生伏特产生的电能在价格上与传统的、可耗尽能源产生的电能进行有效的竞争。所从事的通过本项专利技术导致电池性能改善的发展工作就是要致力于进一步提高太阳能电池的光伏转换效率。本专利技术采取的策略是重新回到那些影响薄膜太阳能电池设计的基本依据上去，即那些本领域的研究者现在所接受的依据，重新审查那些“传统学问”，和已知的关于多层之间工作中相互影响的事实。前述专利技术人特别感兴趣的是研究单个和串联的太阳能电池的半导体合金材料本征层的工作的物理机制，以寻找一种方法，既能提高产生的开路电压，又不影响光生带电载流子的有效收集。应该指出，作为基本的条件，迄今为止的光生伏特设计要求在P型和n型半导体合金材料之间夹着一个均匀的非晶硅合金材料薄膜层(作为1.7电子伏特光学带隙材料)或者一个均匀的非晶硅锗合金材料薄膜层(作为小于1.7电子伏特的光学带隙材料)。在概述本文要公开的专利技术原理之前，详述一下本领域的研究者们在通过改变半导体合金材料的均匀性质，即上述的“基本要求”，来改善太阳能电匦史矫嫠鞯呐怯幸娴摹 在下面的分析中，本专利技术者回顾一下太阳能电池制造领域其他人的工作，以考察一下过去已经考虑过的“非寻常”的本征层设计的类型。例如，S.wiedman和E.A.Fagen在1984年5月1-4日在佛罗里达Kissimmee举行的IEEE第17届光生伏特年会上发表的题为“利用亲合梯度获得较高效率的非晶硅锗太阳能电池”的文章中所公开的一种在本征层的一个窄的部分中具有变化带隙的光生伏特器件，它是由非晶硅锗合金形成的n-i-p光生伏特器件，在这个器件中，光入射面以下几百个埃的范围内，半导体合金材料本征层的组分呈现一种变化分布。这一带隙变化是通过在几百个埃的范围内逐渐改变硅锗比来实现的。这一带隙变化的目的是在半导体合金材料本征层光入射表面附近建立一个具有变化强度的电场，这样的场用以减小，如果不是消除，带电载流子在n型层和本征层界面的损失。这种损失是由带电载流子垮过n层与本征层的界面时产生的反向扩散所引起的。文章作者声称，由于上述电场的存在，光生伏特器件的光电转换效率比原来增加29%。在共同转让的题为“稳定的光生伏特器件及其制造方法”U.S.PatentNO.3，547，621中，(本文介绍的公开内容包括参考文献)，M.Hack和S.Guha把光入射n-i-p型光生伏特器件硅合金材料本征层的带隙渐变(graded)，这样较宽带隙部分安排在邻近光入射表面。宽带隙部分具有如下特点(a)它的厚度小于其余的窄能隙部分的厚度的一半，(b)它包含有至少一种窄能隙部分所没有的带隙展宽元素。作者利用这种方法试图使得至少在本征层一个主要部分中入射辐射中的短波、高能光子有一个均匀的吸收，以在本征层的一个主要部分中提高电子-空穴对的产生率和减少带电载流子在其中的复合。作者声称用这种方法改善了长期稳定性。在共同转让的题为“电流增强的光生伏特器件”U.S.PatentNo.4，379，943中，(本文涉及的公开内容包括参考文献内容)，C.rang，A.Madan，S.Ovshinsky和D.Adler公开了一种新的光生伏特结构制造方法，在这种方法中，半导体合金材料本征层包括两部分，第一本征层是由非腐蚀的(非氟化物的)混合反应气体形成的，第二本征层最好是由硅和氟形成。第一和第二本征层的厚度要调整到与各自的电压降相匹配，结果第一本征层相对来说薄，第二本征层相对来说厚。由于第一与第二本征层是用不同带隙材料制备，因此在这些层中产生了一个场，据称光生伏特器件的短路电流被增强了。在共同转让的题为“具有增强开路电压的窄带隙光生伏特器件”U.S.PatentNo.4，471，155中(本文涉及的公开内容包括参考文献内容)，R.Mohr和V.Cannella设计了一种提供增强的开路电压的光生伏特器件，其方法是，在器件中制备一种窄能隙本征半导体合金材料，这样使得器件中能包括一个具有比第一本征区能隙更宽的第二本征区。第二本征区按排在第一带隙区和一个掺杂层之间。这种开路电压增强结构还可以包括一第三本征区，第三本征区具有比第一本征区宽的带隙，按本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括至少一个本征层（１８ａ）的太阳能电池（１２ａ），该本征层是薄膜本征的，基本上非晶的半导体合金材料；该本征层的特征是，至少有具有一个带隙一部分厚度和具有比第一个带隙更窄的另一个带隙的另一部分厚度；本征层夹在两个相反掺杂的半导体合金材料层（１６ａ，２０ａ）之间；与本征层一掺杂层界面不连接的所有本征层部分的带隙都小于掺杂层的带隙；总起来，改进措施包括：至少一种带隙调整元素引入到本征层体厚度的至少一个主要部分中，以使本征层带隙在其体厚度的一个主要部分实现空间渐变，所指的渐变部 分包括离开本征层一掺杂层界面的一个区域。

【技术特征摘要】
US 1987-8-19 087,2641.包括至少一个本征层(18a)的太阳能电池(12a)，该本征层是薄膜本征的，基本上非晶的半导体合金材料；该本征层的特征是，至少有具有一个带隙一部分厚度和具有比第一个带隙更窄的另一个带隙的另一部分厚度；本征层夹在两个相反掺杂的半导体合金材料层(16a，20a)之间；与本征层一掺杂层界面不连接的所有本征层部分的带隙都小于掺杂层的带隙；总起来，改进措施包括至少一种带隙调整元素引入到本征层体厚度的至少一个主要部分中，以使本征层带隙在其体厚度的一个主要部分实现空间渐变，所指的渐变部分包括离开本征层一掺杂层界面的一个区域。2.一个如权利要求1中的太阳能电池，在其中，锗是带隙调整元素，本征层体厚度的一个主要部分是由硅锗合金材料制备的。3.一个如权利要求2中的太阳能电池，其中，掺入到硅锗合金材料中的锗的百分比在本征层体厚度的一个主要部分的整个范围内是变化的。4.一个如权利要求3中的太阳能电池，在其中，掺入到硅锗合金中的锗的百分比在本征层体厚度一个主要部分中是渐变的。5.一个如权利要求4中的太阳能电池，在其中，掺入到本征层中的锗的百分比的渐变是从每个本征层与掺杂层界面附近的一个最小值到本征层体厚度内部的一个最大值。6.一个如权利要求5中的太阳能电池，在其中，掺入到硅锗层的锗的渐变在至少500埃的厚度维持在最大值。7.一个如权利要求5中的太阳能电池，在其中，掺入到硅锗层的锗的渐变达到一个尖锐的最小值。8.一个如权利要求5中的太阳能电池，在其中，硅锗合金材料本征层在本征层与掺杂层界面处包括一个基本上无锗区。9.一个如权利要求4中的太阳能电池，在其中，硅锗合金材料本征层的带隙在其体厚度的内部渐变达到约为1.2～1.6电子伏特的一个最小值。10.一个如权利要求4中的太阳能电池，在其中，硅锗合金材料本征层的带隙在其体厚度的内部渐变达到一个约为1.4～1.5电子伏特的最小值。11.一个如权利要求4中的太阳能电池，在其中，从本征层与光入射掺杂层的界面起到本征层体厚度中最大锗掺入区域为止，进入到本征层的锗的渐变掺入，要比从本征层与相对于光入射掺杂层的掺杂层的界面起到上面说的最大锗掺入区止锗的渐变掺入更快。12.一个如权利要求11的太阳能电池，在其中，最大锗掺入区域在至少500埃范围内保持不变。13.一个如权利要求4中的太阳能电池，在其中，硼掺入到本征层的硅锗合金材料中以改善光生带电载流子的收集。14.一个如权利要求13中的太阳能电池，在其中，掺入到本征层中的硼是空间渐变的，以补偿锗的渐变掺入。15.一个如权利要求8中的太阳能电池，在其中，本征层进一步包括一种掺入到它与掺杂层界面附近的带隙展宽元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨亨杜古哈，杨纪宗，斯坦福R奥夫辛斯基，
申请(专利权)人：能源变换设备有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]