專利名稱：光伏電池及光伏電池制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對一種光伏電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
光伏太陽能轉(zhuǎn)換為提供環(huán)境友好方式的發(fā)電提供了前景。但是，目前，由光伏能量 轉(zhuǎn)換單元提供的電能與傳統(tǒng)發(fā)電站提供的電相比仍然要昂貴得多。因此，開發(fā)更加節(jié)省成 本的生產(chǎn)光伏能量轉(zhuǎn)換單元的方式近些年引起關(guān)注。在不同的生產(chǎn)低成本太陽能電池的方 法中，薄膜硅太陽能電池結(jié)合了幾個(gè)有利方面首先，薄膜硅電池可通過已知的薄膜沉積技 術(shù)(如等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD))來制備，并且由此通過利用過去例如在其它 薄膜沉積技術(shù)領(lǐng)域(例如從顯示器制造技術(shù)中)獲得的經(jīng)驗(yàn)，提供降低制造成本的協(xié)同前 景。第二，薄膜硅太陽能電池可獲得高能量轉(zhuǎn)換效率，爭取為10%及更大的效率。第三，生 產(chǎn)薄膜硅基太陽能電池的主要原材料充足且無毒。如圖1示意性所示且沿入射光的方向L進(jìn)行考慮，經(jīng)受本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展的以 及如本領(lǐng)域技術(shù)人員通常已知的薄膜太陽能電池包括透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的電極層1。 在所提及的方向L上，接著是第一類型摻雜的硅化合物的第一有源層2。定義我們理解在摻雜“類型”下有正-ρ-和負(fù)-η-摻雜。我們還理解“硅化合物”是指主要包括硅，但還附加包括一種或不止一種的附加元 素的材料。在提及的第一有源層2之后，還提供第二有源層3，其占據(jù)該薄膜結(jié)結(jié)構(gòu)的厚度的 主要部分，并且主要負(fù)責(zé)光伏轉(zhuǎn)換。該層3為本征型，并且為硅化合物。定義我們理解術(shù)語“本征型”材料是指未摻雜或僅摻雜可忽略的量或者以相應(yīng)摻雜類 型相互抵消這樣的方式進(jìn)行兩種類型摻雜的材料。在所提及的方向L上，在也在后續(xù)描述中被稱為“i_層”的第二有源層3之后跟著 第二類型摻雜的硅化合物的第三有源層5。依賴于其中關(guān)于如圖1所示的太陽能電池結(jié)構(gòu)來提供用于薄層的載體襯底的事 實(shí)，選擇層沉積的相應(yīng)順序。因此考慮圖1，如果提供如7所示的玻璃襯底作為載體襯底，所 提及的各層的沉積由TCO的電極層1開始。然而，還可能的是在例如如圖1中由9所示的 反射金屬襯底上沉積太陽能電池的層結(jié)構(gòu)。那么所提及的各層的沉積順序相反?？紤]所提及的各層的材料結(jié)構(gòu)，已知的是提供非晶或微晶(也常稱為納米晶)結(jié) 構(gòu)的第二有源層3(即i-層)。定義我們理解微晶結(jié)構(gòu)的材料是指其中體積的20%至80% (包括兩個(gè)界限)是晶體 的材料。與此相反，如果材料體積的小于20%是晶體的，則我們將該材料定義為是非晶結(jié)構(gòu) 的。不管該第二有源層3 (i-層3)是非晶還是微晶結(jié)構(gòu)，已知的是作為非晶材料層來施加第一有源層2。本發(fā)明針對太陽能電池，在所述太陽能電池中所述第一類型摻雜的硅化合物的第
一有源層是非晶結(jié)構(gòu)的。 為了避免在面向電池照射側(cè)的第一有源層2中由相應(yīng)吸收導(dǎo)致的光損失，典型地 施加寬帶隙材料層。然而，這增加了在電極層1 (TC0層)和提及的第一類型摻雜的第一有 源層2之間的界面處的串聯(lián)電阻。如果選擇ZnO作為電極層1的材料，尤其如此。為了減 弱該影響，已知的是在電池的第一有源層2和電極層1之間施加接觸層11。因此，該接觸層 11是微晶硅化合物的且是第一類型摻雜的。提供微晶第一類型摻雜的硅化合物的這樣的接觸層僅在相對較低沉積速率下才 可實(shí)現(xiàn)，并且由于用于這種沉積的較高功率密度，另外需要更加先進(jìn)的設(shè)備。這導(dǎo)致增加的 裝備成本以及由此增加的產(chǎn)品成本。此外，用于以微晶結(jié)構(gòu)沉積層的沉積工藝的精確控制 更加困難和關(guān)鍵，如果要在大面積上沉積這種層則尤其如此。除厚度均勻和摻雜均勻之外， 附加地，這種層的范圍上的結(jié)晶度分布必須被可再生產(chǎn)地控制。低的沉積速率限制了高制 造產(chǎn)量。必須記住為了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)際上在沉積時(shí)間上節(jié)省的每秒種都直接有助 于產(chǎn)量和用于制造的功率量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光伏電池，其中，如上所述，提供根據(jù)圖1的接觸層11， 但與所提及的已知光伏電池相比其能夠以顯著降低的整體成本進(jìn)行生產(chǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的光伏電池包括·透明載體襯底上的透明導(dǎo)電氧化物的電極層，繼之以·第一類型摻雜的硅化合物的接觸層，繼之以·第一類型摻雜的、非晶硅化合物的第一有源層，繼之以·本征型硅化合物的第二有源層，繼之以·第二類型摻雜的硅化合物的第三有源層，其中該接觸層是非晶硅化合物的，且至多IOnm厚，所述接觸層的材料的帶隙小于 該第一有源層的材料的帶隙。迄今，因?yàn)榉蔷Ч杌衔锊牧蠈獾南鄬Ω叩奈?，提供非晶材料結(jié)構(gòu)的接觸層 的方法被本領(lǐng)域技術(shù)人員所放棄。根據(jù)本發(fā)明，通過施加厚度非常小(如所提及的，至多 IOnm)的接觸層而把這種吸收損失降低到最低程度來對此進(jìn)行考慮。與針對微晶硅化合物沉積的沉積速率相比，根據(jù)本發(fā)明的接觸層的沉積還可在高 的沉積速率下執(zhí)行。這導(dǎo)致在工業(yè)制造中尤其重要的明顯提升的產(chǎn)量。此外，根據(jù)本發(fā)明 的接觸層的沉積可在確切更低的功率密度下以及從而以明顯更低量的功率執(zhí)行。典型地， 與針對非晶層的大約300w/m2相比，在約2kw/m2的功率密度下沉積微晶硅層。這不僅導(dǎo)致 顯著降低的功耗，而且還導(dǎo)致更加流水線化的處理設(shè)置。由于第一類型硅化合物的第一有 源層是非晶材料結(jié)構(gòu)的，用于沉積根據(jù)本發(fā)明的接觸層和這種第一有源層的處理設(shè)備可被 調(diào)整以施加每m2僅僅數(shù)百瓦的范圍內(nèi)的功率密度。因此，至少對于沉積這兩層，相應(yīng)的處理設(shè)備可被調(diào)整用于相對較低的功率密度， 從而避免了用于施加比如果按照慣例以微晶結(jié)構(gòu)提供所提及的接觸層所需要的高大約十倍的功率密度的設(shè)備。此外，關(guān)于氣體流動(dòng)時(shí)間以及必需的氣體總量，通過以非晶結(jié)構(gòu)施加所提及的接 觸層還顯著減小了氣流。舉例來說，如果接觸層的硅化合物至少抵消了氫化硅，則對于第一 類型(例如P-摻雜)的微晶氫化硅而言，氫氣流總計(jì)大約lOOOOsccm。對于作為非晶材料 層沉積這種第一類型摻雜的接觸層，必需的氣流僅為約500sCCm。 根據(jù)本發(fā)明提供的接觸層的帶隙小于第一有源、第一類型摻雜層的帶隙的事實(shí)意 味著接觸層材料中的以及因此在與電極層材料的界面處的價(jià)帶的頂部接近所提及的電極 層的材料中的費(fèi)米能級(jí)。因此，在所提及的材料之間的界面處的電子和空穴之間的能差變 得較小，其導(dǎo)致復(fù)合率提高以及由此導(dǎo)致出現(xiàn)的(appearing)串聯(lián)電阻降低。在根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的一個(gè)實(shí)施例中，作為i_層的第二有源層是氫化硅材 料的。在另一實(shí)施例中，提及的第二有源層是非晶硅化合物的。在該實(shí)施例中，不僅接觸 層、第一有源層，而且額外地第二有源層(i_層)是非晶材料結(jié)構(gòu)的。因此，上述提到的有 關(guān)降低的功率密度和減少的氣流的優(yōu)點(diǎn)(如果該第二有源層是氫化硅的話尤其如此)可以 被進(jìn)一步充分利用。用于沉積所有接觸層、第一和第二有源層的處理設(shè)備可被調(diào)整以用于 低功率密度，并且用于沉積提及的三個(gè)層的氣體消耗也明顯地減少。在根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的一個(gè)實(shí)施例中，電極層是ZnO的。一方面，該材料已經(jīng) 顯示出對于提及的電極層是非常有利的，但是關(guān)于微晶結(jié)構(gòu)的接觸層則導(dǎo)致串聯(lián)電阻的明 顯增加。通過提供根據(jù)本發(fā)明的接觸層，一方面變得有可能進(jìn)一步充分利用ZnO電極層材 料的優(yōu)點(diǎn)，并且還避免跨電極層材料和接觸層材料的界面的相對較高的串聯(lián)電阻。在根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的另一實(shí)施例中，第一有源層的材料包括具有第一原子 百分比的碳，并且該接觸層的材料包括具有第二原子百分比的碳。其中該第二百分比低于 該第一百分比。由此，通過分別地一方面選擇第一有源層中的碳的量，以及另一方面選擇接 觸層中的碳的量，這兩個(gè)層的材料的帶隙可準(zhǔn)確地錯(cuò)開(stagger)以適應(yīng)上面提到的電極 層的材料。在根據(jù)本發(fā)明的光伏電池的一個(gè)實(shí)施例中，通過將接觸層的厚度選擇為至多3nm 來進(jìn)一步最小化接觸層中的吸收損失。本發(fā)明還針對一種光伏轉(zhuǎn)換板，其包括提到的至少 一個(gè)電池。根據(jù)本發(fā)明的光伏電池制造方法包括沉積透明導(dǎo)電氧化物的電極層，并且與之接 觸有·在透明載體襯底上的第一類型摻雜硅的接觸層，與之接觸有·第一類型摻雜的非晶硅化合物的第一有源層，與之接觸有·本征型硅化合物的第二有源層，與之接觸有·第二類型摻雜的硅化合物的第三有源層，其中以至多IOnm的厚度沉積非晶材料的接觸層，以及控制接觸層的材料的帶隙 小于第一有源層的材料的帶隙。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，接觸層材料以及第一有源層中的帶隙通過 分別選擇這些層的材料中的碳的量來控制。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，用ZnO來沉積電極層。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，以至多為3nm的厚度沉積接觸層。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，用氫化硅來沉積第二有源層，以及在另一 實(shí)施例中以非晶材料結(jié)構(gòu)沉積第二有源層的材料。


現(xiàn)在進(jìn)一步通過例子、借助附圖來例證本發(fā)明。附圖中圖2示意地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的光伏電池；圖3示出創(chuàng)造性地施加接觸層(I)和未施加這種接觸層(II)的根據(jù)圖2的電池 的光電流相對于電壓的特性。根據(jù)圖2，在玻璃襯底7b上沉積ZnO的電極層lb。在電極層Ib上，沉積非晶氫化 硅的接觸層lib。提及的接觸層Iib是P摻雜的。隨后，沉積非晶P摻雜SiC的第一有源層2b。隨后，作為第二有源層3b，沉積氫化 硅的非晶層，接著沉積η型摻雜的非晶氫化硅的第三有源層5b。然后沉積η摻雜ZnO的第 二電極層13和寬帶金屬反射器層15。該接觸層為2nm。在圖3中通過曲線I示出根據(jù)本發(fā)明并由圖2所例證的光伏電池的特性，而通過 曲線II示出了與圖2的光伏電池同樣的且同樣地制造的但沒有接觸層Ilb的光伏電池的 特性?？梢钥闯觯ㄟ^施加非晶氫化硅的薄接觸層7b，同時(shí)通過分別地選擇這兩層的材 料中的C含量，相對于ρ摻雜非晶SiC的第一有源層中的帶隙，帶隙被減小，效率(ETA)從 8. 54%提高到9. 4%，開環(huán)電壓Voc從0. 8705提高至0. 8878V，填充因子從67. 28提高至 72. 56，而電池的串聯(lián)電阻從7. 1966 Ω降低到5. 2666 Ω。因此，當(dāng)施加接觸層Ilb時(shí)可考慮減小第一有源層2b的厚度，由此保持電池的總體 性能。必須強(qiáng)調(diào)的是例證和討論的光伏電池可以是多于一種電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)電池，在所 述電池結(jié)構(gòu)中，例如，在入射光的方向L上，在具有非晶材料結(jié)構(gòu)的電池之后提供具有例如 微晶材料第二有源層作為i_層的另外的電池。
權(quán)利要求
1.一種光伏電池，包括 在透明載體襯底上的透明導(dǎo)電氧化物的電極層，然后 第一類型摻雜的硅化合物的接觸層，然后 第一類型摻雜的、非晶硅化合物的第一有源層，然后 本征型硅化合物的第二有源層，然后 第二類型摻雜的硅化合物的第三有源層，其中所述接觸層是非晶硅化合物的且至多IOnm厚，所述接觸層的材料的帶隙小于所 述第一有源層的材料的帶隙。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，所述第二有源層是氫化硅的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電池，所述第二有源層是非晶硅化合物的。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的電池，所述電極層是SiO的。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的電池，所述第一有源層的材料包括具有第一原子百分 比的C，以及所述接觸層的材料包括具有第二原子百分比的C，所述第二百分比低于所述第 一百分比，直至為零。
6.如權(quán)利要求1-5所述的電池，所述接觸層至多3nm厚。
7.一種包括根據(jù)權(quán)利要求1-6之一的至少一個(gè)光伏電池的光伏轉(zhuǎn)換板。
8.一種光伏電池的制造方法，包括沉積 在透明載體襯底上的透明導(dǎo)電氧化物的電極層，與之接觸有 第一類型摻雜的硅化合物的接觸層，與之接觸有 第一類型摻雜的、非晶硅化合物的第一有源層，與之接觸有 本征型硅化合物的第二有源層，與之接觸有 第二類型摻雜的硅化合物的第三有源層，其中以至多IOnm的厚度沉積非晶材料的所述接觸層，并且控制所述接觸層的材料的 帶隙小于所述第一有源層的材料的帶隙。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，包括通過所述材料中的相應(yīng)的碳的量來控制所述帶隙。
10.如權(quán)利要求8或9之一所述的方法，包括沉積SiO的所述電極層。
11.如權(quán)利要求8-10之一所述的方法，包括以至多3nm的厚度沉積所述接觸層。
12.如權(quán)利要求8-11之一所述的方法，包括沉積氫化硅的所述第二有源層。
13.如權(quán)利要求8-12之一所述的方法，包括沉積非晶材料的所述第二有源層。
全文摘要
一種光伏電池包括透明導(dǎo)電氧化物的電極層(1b)，其沉積在透明載體襯底(7b)上。接著為第一類型摻雜的非晶硅的接觸層(11b)，其具有至多10nm的厚度。接著為第一類型摻雜的非晶硅化合物的層(26)，其帶隙大于所提及的接觸層(11b)的材料的帶隙。在第一類型摻雜的非晶硅化合物層(2b)之后，接著為本征型硅化合物的層(3b)和第二類型摻雜的硅化合物的層(5b)。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102144296SQ200980132438
公開日2011年8月3日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月19日
發(fā)明者B·梅羅, H·戈德巴赫, S·貝納格利, T·羅舍克 申請人:歐瑞康太陽能股份公司(特呂巴赫)