一种利用无缓冲剂制造工艺形成薄膜太阳能电池的方法。一种薄膜太阳能电池及其形成方法。该太阳能电池包括底部电极层、光吸收半导体层、以及顶部电极层。该吸收剂层包括p-型内部区和在该层的周界周围由p-型内部区的改性本征区域形成的n-型外部区，从而形成作为吸收剂层固有部分的有源n-p结。该顶部电极层经由在限定侧壁的吸收剂层中形成的划线电连接于底部电极层。该吸收剂层的n-型外部区沿着吸收剂层的水平顶部延伸并在划线的垂直侧壁上延伸，以增加太阳能电池中的可用n-p结的面积，从而改善太阳光转化效率。
【技术实现步骤摘要】
技术介绍
本专利技术总体上涉及光伏太阳能电池，并且更加具体地涉及薄膜太阳能电池。
技术介绍
薄膜光伏(PV)太阳能电池是一类以将光转化为可用于多种应用的有用电能的形式产生可再生能源的能源器件。薄膜太阳能电池是通过将不同的半导体薄层和膜以及其他材料沉积在衬底上形成的多层半导体结构。这些太阳能电池可由一些由多个单独的电连接电池构成的形式的轻量级柔性片制成。图1A示出了这样的由电互连的多个单独的薄膜太阳能电池形成的传统太阳能电池片。轻量级和柔性的属性赋予了薄膜太阳能电池板作为电源的潜在应用，用于便携式电子产品、航空抗天、以及其中薄膜太阳能电池板能够被结合到各种建筑构件(例如屋顶瓦片、立面以及天窗)中的家用和商用建筑。薄膜太阳能电池利用了将光转化为电能的有源光吸收层。吸收层已由各种材料制成，包括无定形娃、締化镉(CdTe)、以及二硒化铜铟镓(copperindium galliumdiselenide，CIGS)。前述材料中的后两种被包括在被称为硫属化物的半导体化合物的组中，其是二元化合物，也包括硫化镉(CdS)。硫属化物包括元素周期表的VIA族元素,包括硫、硒(Se)、碲(Te)、和钋(Po)。已知硫属化物是具有高吸光系数的良好光导体。基于CIGS的薄膜太阳能电池是尤其有前途的并且已经报道了太阳光转化效率高达百分之19.9(国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory))。图1B是图1A所示的传统薄膜太阳能电池的部分细节放大横截面图。如图所示，传统的半导体太阳能电池基本上包括:衬底，其可以是玻璃；在其上的形成底部电极的钥(Mo)层；在其上形成的掺杂的P-型吸收剂层，其可以是CIGS ;在其上形成以产生电活性的η-ρ结的η-型缓冲剂层，其可以是CdS ；以及在其上形成的掺杂的η-型顶部电极，其可以是TCO (例如透明导电氧化物)材料，例如ZnO。CdS缓冲剂层产生有源η-ρ结以用于由光能产如图1C进一步所示，单个的薄膜太阳能电池均具有相关的电功率产生输出并且通常被互连至串联或并联连接的太阳能电池的阵列，以形成产生给定量的电流和/或电压的PV模块。这些单个的太阳能电池如所示的被连接至通常位于模块相对端的总线，以用于连接至外电路。单个的模块又可以被连接至其他模块和/或连接至接线盒(junctionbox)，从而合并以及增加从PV模块阵列的功率输出的能量。如图1B所示，微通道被图案化并划线在半导体结构上以使不同的导电材料互连并隔离相邻的太阳能电池。这些现有技术中所指的微通道或“划线”给出与其功能和在半导体太阳能电池制造工艺中的步骤有关的“P”标示。Pl和P3划线对于电池分离而言是必不可少的。P2划线形成连接。P2划线除去吸收材料以使得顶部TCO电极与底部Mo电极互连，从而避免中间缓冲剂层起到顶部电极和底部电极之间的隔板的作用。P3划线完全延伸通过TC0、缓冲剂层、以及吸收剂层，至底部Mo电极，从而隔离通过Pl和P2划线限定的每一个电池。在传统方法中，仅有被CdS缓冲剂覆盖的CIGS吸收剂层的顶部形成高质量的有源η-ρ结，以用于收集由吸收剂层产生的电流。如图1B所示，尽管来自顶部TCO电极层的材料向下延伸通过Ρ2划线，但Ρ2划线的垂直壁仍不能提供使得侧壁本质上是无源的以用于收集电流的良好界面和高质量的有源η-ρ结。这限制了这样的仅顶部CdS缓冲剂层位于吸收剂层上方的薄膜太阳能电池的电流密度、功率输出电势、以及效率。需要具有产生更大电功率的增加电势和更高的太阳能转化效率的改进的薄膜太阳能电池。
技术实现思路
本专利技术提供了一种与现有技术的薄膜电池相比有利地产生较高能量输出和增加的太阳能转化效率的薄膜太阳能电池。在本专利技术中，这是通过利用并形成在之前没有被用于收集电流的可用的侧壁Ρ2划线上的有源高质量η-ρ结区域来实现的。这通过提供太阳能电池上的较大面积区域的有源η-ρ区从而改善电流收集和密度来增加太阳能电池的效率，而不需增加电池的尺寸。效率的增加可归因于在吸收剂层和TCO顶部电极层之间的接口处载流子的较少捕获和重组。在本专利技术的工艺中不需使用分离的缓冲剂层，如现有技术方法中使用的CdS。其中，本专利技术提供的薄膜太阳能电池包括:底部电极层，形成在衬底上；半导体吸收剂层，形成在底部电极层上，吸收剂层具有P-型内部区和由P-型内部区的改性本征部分形成的η-型外部区，其中，η-型区和P-型区形成η-ρ结，η-ρ结是吸收剂层的固有部分；以及顶部电极层，形成在吸收剂层上，顶部电极层经由限定吸收剂层中的侧壁的划线电连接至底部电极层；其中，吸收剂层的η-型外部区在划线中的侧壁上延伸。其中，η-型外部区包括吸收剂层的水平顶部部分和吸收剂层的沿着划线的侧壁延伸的垂直部分。其中，η-型外部区的顶部部分和垂直部分是相邻的。其中，划线是Ρ2划线，Ρ2划线通过吸收剂层将垂直通道形成至底部电极的顶表面，划线填充有来自接触吸收剂层的垂直η-型外部区的顶部电极层的材料。其中，η-型外部区的深度等于或小于200nm。其中，η-型外部区的深度为大于或等于约20nm至小于或等于约lOOnm。其中，吸收剂层包括硫属化物材料。其中，吸收剂层包括选自由Cu (In，Ga) Se2, Cu (In, Ga) (Se，S) 2, CuInSe2, CuGaSe2,CuInS2、和Cu (In, Ga) S2组成的组的材料。其中,顶部电极选自由氧化锌、氧化氟锡、氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铺锡(ΑΤΟ)、和碳纳米管层组成的组。其中，底部电极层为钥。其中，衬底为玻璃。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于形成所披露的前述薄膜太阳能电池的无缓冲剂方法和工艺。这种工艺消除了在P-型吸收剂层上形成传统Cds缓冲剂层的步骤。而代之以，本专利技术的方法优选包括以下步骤:将现有的吸收剂层的P-型表面区改性或转化为用于电流收集的掺杂的η-型材料，从而形成埋入的η-ρ结。该η-型外表面区不仅在吸收剂层的顶部表面部分上延伸，而且还有益地沿着Ρ2划线中的垂直侧壁部分向下延伸。有益的是，由于转化步骤可由缓冲剂层形成步骤代替，因而不需要额外的工艺步骤或发生额外的成本。因此，工艺流程不会中断或被彻底改变。本专利技术提供的用于形成薄膜太阳能电池的方法具体包括:在衬底上形成导电的底部电极层；在底部电极层上形成P-型吸收剂层；在吸收剂层中形成开放的划线，划线限定吸收剂层上露出的侧壁；以及将划线中的P-型吸收剂层的露出侧壁转化为η-型外部区。其中，η-型外部区是吸收剂层的改性固有部分。其中，使用部分电解质的化学浴沉积(CBD)工艺将划线中的P-型吸收剂层的侧壁区转化为η-型外部区。其中，η-型外部区下方的吸收剂层的内部区在转化步骤之后仍为P-型材料。该方法进一步包括以下步骤:将导电的顶部电极材料沉积在吸收剂层上，包括沉积在划线中，侧壁的η-型外部区设置在划线中的顶部电极材料和吸收剂层的P-型内部区之间。其中，划线使吸收剂层之下的底部电极层的顶表面露出，从而将底部电极层连接至在吸收剂层上方形成的顶部电极层。在根据本专利技术的一个实施例中，薄膜太阳能电池包括在衬底上形成的底部电极层、在该底部电极层上形成并具有P-型内部区和由该P-型区域的改性本征部分(modifiednative port本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种薄膜太阳能电池，包括：底部电极层，形成在衬底上；半导体吸收剂层，形成在所述底部电极层上，所述吸收剂层具有p‑型内部区和由所述p‑型内部区的改性本征部分形成的n‑型外部区，其中，n‑型区和p‑型区形成n‑p结，所述n‑p结是所述吸收剂层的固有部分；以及顶部电极层，形成在所述吸收剂层上，所述顶部电极层经由限定所述吸收剂层中的侧壁的划线电连接至所述底部电极层；其中，所述吸收剂层的所述n‑型外部区在所述划线中的侧壁上延伸。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文钦，余良胜，严文材，邱永升，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：台湾;71
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