CN102144296B - 光伏电池及光伏电池制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏电池包括透明导电氧化物的电极层(1_b)，其沉积在透明载体衬底(7_b)上。接着为第一类型掺杂的非晶硅的接触层(11_b)，其具有至多10nm的厚度。接着为第一类型掺杂的非晶硅化合物的层(26)，其带隙大于所提及的接触层(11_b)的材料的带隙。在第一类型掺杂的非晶硅化合物层(2_b)之后，接着为本征型硅化合物的层(3_b)和第二类型掺杂的硅化合物的层(5_b)。

Description

光伏电池及光伏电池制造方法

技术领域

本发明针对一种光伏电池及其制造方法。

背景技术

光伏太阳能转换为提供环境友好方式的发电提供了前景。但是，目前，由光伏能量转换单元提供的电能与传统发电站提供的电相比仍然要昂贵得多。因此，开发更加节省成本的生产光伏能量转换单元的方式近些年引起关注。在不同的生产低成本太阳能电池的方法中，薄膜硅太阳能电池结合了几个有利方面：首先，薄膜硅电池可通过已知的薄膜沉积技术(如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD))来制备，并且由此通过利用过去例如在其它薄膜沉积技术领域(例如从显示器制造技术中)获得的经验，提供降低制造成本的协同前景。第二，薄膜硅太阳能电池可获得高能量转换效率，争取为10％及更大的效率。第三，生产薄膜硅基太阳能电池的主要原材料充足且无毒。

如图1示意性所示且沿入射光的方向L进行考虑，经受本发明的进一步发展的以及如本领域技术人员通常已知的薄膜太阳能电池包括透明导电氧化物(TCO)的电极层1。在所提及的方向L上，接着是第一类型掺杂的硅化合物的第一有源层2。

定义：

我们理解在掺杂“类型”下有正-p-和负-n-掺杂。

我们还理解“硅化合物”是指主要包括硅，但还附加包括一种或不止一种的附加元素的材料。

在提及的第一有源层2之后，还提供第二有源层3，其占据该薄膜结结构的厚度的主要部分，并且主要负责光伏转换。该层3为本征型，并且为硅化合物。

定义：

我们理解术语“本征型”材料是指未掺杂或仅掺杂可忽略的量或者以相应掺杂类型相互抵消这样的方式进行两种类型掺杂的材料。

在所提及的方向L上，在也在后续描述中被称为“i-层”的第二有源层3之后跟着第二类型掺杂的硅化合物的第三有源层5。

依赖于其中关于如图1所示的太阳能电池结构来提供用于薄层的载体衬底的事实，选择层沉积的相应顺序。因此考虑图1，如果提供如7所示的玻璃衬底作为载体衬底，所提及的各层的沉积由TCO的电极层1开始。然而，还可能的是在例如如图1中由9所示的反射金属衬底上沉积太阳能电池的层结构。那么所提及的各层的沉积顺序相反。

考虑所提及的各层的材料结构，已知的是提供非晶或微晶(也常称为纳米晶)结构的第二有源层3(即i-层)。

定义：

我们理解微晶结构的材料是指其中体积的20％至80％(包括两个界限)是晶体的材料。与此相反，如果材料体积的小于20％是晶体的，则我们将该材料定义为是非晶结构的。不管该第二有源层3(i-层3)是非晶还是微晶结构，已知的是作为非晶材料层来施加第一有源层2。

本发明针对太阳能电池，在所述太阳能电池中所述第一类型掺杂的硅化合物的第一有源层是非晶结构的。

为了避免在面向电池照射侧的第一有源层2中由相应吸收导致的光损失，典型地施加宽带隙材料层。然而，这增加了在电极层1(TCO层)和提及的第一类型掺杂的第一有源层2之间的界面处的串联电阻。如果选择ZnO作为电极层1的材料，尤其如此。为了减弱该影响，已知的是在电池的第一有源层2和电极层1之间施加接触层11。因此，该接触层11是微晶硅化合物的且是第一类型掺杂的。

提供微晶第一类型掺杂的硅化合物的这样的接触层仅在相对较低沉积速率下才可实现，并且由于用于这种沉积的较高功率密度，另外需要更加先进的设备。这导致增加的装备成本以及由此增加的产品成本。此外，用于以微晶结构沉积层的沉积工艺的精确控制更加困难和关键，如果要在大面积上沉积这种层则尤其如此。除厚度均匀和掺杂均匀之外，附加地，这种层的范围上的结晶度分布必须被可再生产地控制。低的沉积速率限制了高制造产量。必须记住为了大规模的工业生产，实际上在沉积时间上节省的每秒种都直接有助于产量和用于制造的功率量。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏电池，其中，如上所述，提供根据图1的接触层11，但与所提及的已知光伏电池相比其能够以显著降低的整体成本进行生产。

因此，根据本发明的光伏电池包括：

·透明载体衬底上的透明导电氧化物的电极层，继之以

·第一类型掺杂的硅化合物的接触层，继之以

·第一类型掺杂的、非晶硅化合物的第一有源层，继之以

·本征型硅化合物的第二有源层，继之以

·第二类型掺杂的硅化合物的第三有源层，

其中该接触层是非晶硅化合物的，且至多10nm厚，所述接触层的材料的带隙小于该第一有源层的材料的带隙。

迄今，因为非晶硅化合物材料对光的相对高的吸收，提供非晶材料结构的接触层的方法被本领域技术人员所放弃。根据本发明，通过施加厚度非常小(如所提及的，至多10nm)的接触层而把这种吸收损失降低到最低程度来对此进行考虑。

与针对微晶硅化合物沉积的沉积速率相比，根据本发明的接触层的沉积还可在高的沉积速率下执行。这导致在工业制造中尤其重要的明显提升的产量。此外，根据本发明的接触层的沉积可在确切更低的功率密度下以及从而以明显更低量的功率执行。典型地，与针对非晶层的大约300w/m²相比，在约2kw/m²的功率密度下沉积微晶硅层。这不仅导致显著降低的功耗，而且还导致更加流水线化的处理设置。由于第一类型硅化合物的第一有源层是非晶材料结构的，用于沉积根据本发明的接触层和这种第一有源层的处理设备可被调整以施加每m²仅仅数百瓦的范围内的功率密度。

因此，至少对于沉积这两层，相应的处理设备可被调整用于相对较低的功率密度，从而避免了用于施加比如果按照惯例以微晶结构提供所提及的接触层所需要的高大约十倍的功率密度的设备。

此外，关于气体流动时间以及必需的气体总量，通过以非晶结构施加所提及的接触层还显著减小了气流。举例来说，如果接触层的硅化合物至少抵消了氢化硅，则对于第一类型(例如p-掺杂)的微晶氢化硅而言，氢气流总计大约10000sccm。对于作为非晶材料层沉积这种第一类型掺杂的接触层，必需的气流仅为约500sccm。

根据本发明提供的接触层的带隙小于第一有源、第一类型掺杂层的带隙的事实意味着接触层材料中的以及因此在与电极层材料的界面处的价带的顶部接近所提及的电极层的材料中的费米能级。因此，在所提及的材料之间的界面处的电子和空穴之间的能差变得较小，其导致复合率提高以及由此导致出现的(appearing)串联电阻降低。

在根据本发明的光伏电池的一个实施例中，作为i-层的第二有源层是氢化硅材料的。

在另一实施例中，提及的第二有源层是非晶硅化合物的。在该实施例中，不仅接触层、第一有源层，而且额外地第二有源层(i-层)是非晶材料结构的。因此，上述提到的有关降低的功率密度和减少的气流的优点(如果该第二有源层是氢化硅的话尤其如此)可以被进一步充分利用。用于沉积所有接触层、第一和第二有源层的处理设备可被调整以用于低功率密度，并且用于沉积提及的三个层的气体消耗也明显地减少。

在根据本发明的光伏电池的一个实施例中，电极层是ZnO的。一方面，该材料已经显示出对于提及的电极层是非常有利的，但是关于微晶结构的接触层则导致串联电阻的明显增加。通过提供根据本发明的接触层，一方面变得有可能进一步充分利用ZnO电极层材料的优点，并且还避免跨电极层材料和接触层材料的界面的相对较高的串联电阻。

在根据本发明的光伏电池的另一实施例中，第一有源层的材料包括具有第一原子百分比的碳，并且该接触层的材料包括具有第二原子百分比的碳。其中该第二百分比低于该第一百分比。由此，通过分别地一方面选择第一有源层中的碳的量，以及另一方面选择接触层中的碳的量，这两个层的材料的带隙可准确地错开(stagger)以适应上面提到的电极层的材料。

在根据本发明的光伏电池的一个实施例中，通过将接触层的厚度选择为至多3nm来进一步最小化接触层中的吸收损失。本发明还针对一种光伏转换板，其包括提到的至少一个电池。

根据本发明的光伏电池制造方法包括沉积透明导电氧化物的电极层，并且与之接触有

·在透明载体衬底上的第一类型掺杂硅的接触层，与之接触有

·第一类型掺杂的非晶硅化合物的第一有源层，与之接触有

·本征型硅化合物的第二有源层，与之接触有

·第二类型掺杂的硅化合物的第三有源层，

其中以至多10nm的厚度沉积非晶材料的接触层，以及控制接触层的材料的带隙小于第一有源层的材料的带隙。

在根据本发明的方法的一个实施例中，接触层材料以及第一有源层中的带隙通过分别选择这些层的材料中的碳的量来控制。

在根据本发明的方法的一个实施例中，用ZnO来沉积电极层。

在根据本发明的方法的一个实施例中，以至多为3nm的厚度沉积接触层。

在根据本发明的方法的一个实施例中，用氢化硅来沉积第二有源层，以及在另一实施例中以非晶材料结构沉积第二有源层的材料。

附图说明

现在进一步通过例子、借助附图来例证本发明。

附图中：

图2示意地示出根据本发明实现的光伏电池；

图3示出创造性地施加接触层(I)和未施加这种接触层(II)的根据图2的电池的光电流相对于电压的特性。

根据图2，在玻璃衬底7_b上沉积ZnO的电极层1_b。在电极层1_b上，沉积非晶氢化硅的接触层11_b。提及的接触层11_b是p掺杂的。

随后，沉积非晶p掺杂SiC的第一有源层2_b。随后，作为第二有源层3_b，沉积氢化硅的非晶层，接着沉积n型掺杂的非晶氢化硅的第三有源层5_b。然后沉积n掺杂ZnO的第二电极层13和宽带金属反射器层15。该接触层为2nm。

在图3中通过曲线I示出根据本发明并由图2所例证的光伏电池的特性，而通过曲线II示出了与图2的光伏电池同样的且同样地制造的但没有接触层11_b的光伏电池的特性。

可以看出，通过施加非晶氢化硅的薄接触层7_b，同时通过分别地选择这两层的材料中的C含量，相对于p掺杂非晶SiC的第一有源层中的带隙，带隙被减小，效率(ETA)从8.54％提高到9.4％，开环电压V_∝从0.8705提高至0.8878V，填充因子从67.28提高至72.56，而电池的串联电阻从7.1966Ω降低到5.2666Ω。

因此，当施加接触层11_b时可考虑减小第一有源层2_b的厚度，由此保持电池的总体性能。

必须强调的是例证和讨论的光伏电池可以是多于一种电池结构的一个电池，在所述电池结构中，例如，在入射光的方向L上，在具有非晶材料结构的电池之后提供具有例如微晶材料第二有源层作为i-层的另外的电池。

Claims (9)

1.一种光伏电池，包括：

在透明载体衬底上的透明导电氧化物的电极层，然后

第一类型掺杂的硅化合物的接触层，然后

第一类型掺杂的、非晶硅化合物的第一有源层，所述第一类型掺杂的、非晶硅化合物具有硅、掺杂物和具有第一原子百分比的碳，然后

本征型硅化合物的第二有源层，然后

第二类型掺杂的硅化合物的第三有源层，

其中所述接触层是非晶硅化合物的且至多3nm厚，以及

其中选择在所述第一有源层中的所述碳的第一原子百分比，以超过在所述接触层中的所述碳的第二原子百分比，使得所述接触层被沉积，其具有的带隙小于所述有源层的第一类型掺杂的、非晶硅化合物的带隙。

2.如权利要求1所述的光伏电池，所述第二有源层是氢化硅的。

3.如权利要求1或2所述的光伏电池，所述第二有源层是非晶硅化合物的。

4.如权利要求1或2所述的光伏电池，所述电极层是ZnO的。

5.一种包括根据权利要求1-4之一的至少一个光伏电池的光伏转换板。

6.一种光伏电池的制造方法，包括：

在透明载体衬底上沉积透明导电氧化物的电极层；

沉积第一类型掺杂的硅化合物的接触层，电极层与接触层相接触；

沉积第一类型掺杂的、非晶硅化合物的第一有源层，所述第一类型掺杂的、非晶硅化合物具有硅、掺杂物和第一原子百分比的碳，接触层与第一有源层相接触；

选择在所述第一有源层中的所述碳的第一原子百分比，以超过在所述接触层中的所述碳的第二原子百分比，使得所述接触层的硅化合物的带隙被控制为小于所述第一有源层的硅化合物的带隙；

沉积本征型硅化合物的第二有源层，第一有源层与第二有源层相接触；以及

沉积第二类型掺杂的硅化合物的第三有源层，第二有源层与第三有源层相接触，

其中以至多3nm的厚度沉积非晶材料的所述接触层。

7.如权利要求6所述的方法，包括沉积ZnO的所述电极层。

8.如权利要求6所述的方法，包括沉积氢化硅的所述第二有源层。

9.如权利要求6所述的方法，包括沉积非晶材料的所述第二有源层。