專利名稱：制作薄膜太陽能電池的過程的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及光伏領域或太陽能電池領域。具體地說，本發明涉及在太陽能電 池設備和由此制成的太陽能面板中使用的背接觸(back contact)。
背景技術：
太陽能在世界上許多地方一年中都是充足的。遺憾的是，可用的太陽能一般不能 有效地用于發電。傳統的太陽能電池，以及由這些電池產生的電的成本通常非常高。例如， 典型的太陽能電池達到的轉換效率低于約百分之二十。并且，太陽能電池通常包含襯底上 形成的多個層，因而太陽能電池的制造過程通常也需要相當多數量的處理步驟。因此，高數 目的處理步驟、層、界面和復雜性增加了制造這些太陽能電池所需的時間和金錢的數量。相應地，一直存在對于解決低效且復雜的太陽能轉換設備以及制造方法的長期存 在問題的改進技術方案的需要。
發明內容
本發明的實施例針對在薄膜太陽能電池上制作背接觸的工藝。根據本發明的一個實施例，提供一種制作薄膜太陽能電池的部件的工藝。此工藝 包括按以下順序制作該部件的步驟在透明襯底上沉積吸收層，在吸收層上沉積背接觸層， 以及活化該吸收層。吸收層包含碲。在另一實施例中，制作薄膜太陽能電池的部件的過程包括以下順序的步驟在透 明襯底上沉積吸收層，在吸收層上沉積背接觸層并且實施氯化鎘處理。吸收層包含碲化鎘。 實施氯化鎘處理以用以活化吸收層。另一實施例是制作薄膜太陽能電池的過程。該過程包含以下描述的順序的步驟。 首先，一層透明的導電氧化物沉積在透明襯底上；下一步驟中，窗口層沉積在透明導電氧化 層上，然后吸收層在接下來的步驟中沉積在窗口層上。吸收層包括碲。下一步，背接觸層沉 積在吸收層上。該過程包含活化吸收層的另一步驟。在又另一實施例中，提供了制作一種薄膜太陽能電池的過程。該過程包含按以下 描述的順序的步驟。首先，一層透明導電氧化物沉積在透明襯底上；下一步驟中，硫化鎘層 沉積在透明導電氧化層上，以及在接下來的步驟中，碲化鎘吸收層沉積在硫化鎘層上。該過 程還包含在碲化鎘吸收層上沉積背接觸層的步驟以及然后是實施氯化鎘處理的步驟。該過 程的最后一步包括在背接觸層上沉積金屬接觸。
本發明的這些和其他特征，方面以及優點當參照附圖閱讀了下面詳細的描述時可 以被更好地理解，其中圖1圖示了根據本發明的某些實施例，在制作薄膜太陽能電池的部件的過程的流 程圖。
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圖2圖示了根據本發明的某些實施例，在制作薄膜太陽能電池的過程的流程圖。
具體實施例方式在本說明書和權利要求書中全文使用的大概性語言，可以用于修飾任何可以在容 許范圍內變動的數量表述，而不影響其所關聯的基本功能的改變。相應地，一個數值被一個 術語或者幾個術語修飾，例如“大約”，其并不限制于指定的精確數值。在某些情況下，大概 性語言對應于測量數值的儀器的精確度。在接下來的說明書和權利要求書里，單數形式“一”和“該”包含了復數個所指物， 除非上下文另有明確的說明。術語“包含”，“包括”和“具有”意指包含的，且意味著除了列 出來的元件之外還可能存在其他的元件。并且，“頂部”，“底部”，“在上面”，“在下面”，以及 這些詞的變化形式的使用是為了方便，而不要求任何特別的部件取向，除非另有強調。如在
本文使用的，術語“沉積在......上”或者“沉積在......之上”指的是直接與之接觸地
固定或者設置以及通過在其之間介入層的非直接式固定或設置。本文使用的術語“可以”和“可以是”表明了一組情況中出現的可能性、具有指定性 能、特征或者功能，和/或限制修飾另外的動詞(通過表達關聯該限制修飾的動詞的一種或 多種能力、性能或者可能性)。相應地，“可以”和“可以是”的使用表明了被修飾的詞語顯然 是對指定的性能，功能或者功用是恰當的，能夠的或者適合的，同時也考慮了在某些情況下 修飾的詞有時候是不恰當的，不能的或者不適合的。例如，在某些情形下，一個事件或者能 力可以被預期，然而在其他情形下該事件或者能力不能發生-這種差別通過該術語“可以” 和“可以是”來記載。基于碲化鎘(CdTe)的太陽能電池設備典型地表現出相對低的功率轉換效率，該 低功率轉換效率的原因可以是相對低的開路電壓(V。。)。CdTe材料的高功函數是在CdTe吸 收層和背接觸之間達到良好歐姆接觸的最主要的勢壘之一。P型CdTe通常具有大約5. 5電 子伏特或者更高的功函數，這取決于電荷載流子的濃度或者電荷載流子的密度。本文使用 的短語“載流子密度”涉及材料中主要的電荷載流子的濃度，在P型CdTe中空穴代表大多數 的電荷載流子。P型CdTe材料的平均載流子密度在每立方厘米IX IO14和IX IO15之間變 化。沒有金屬或者合金有如此高的功函數，因此對于金屬以及合金與P型CdTe形成良好的 歐姆接觸變得非常困難。這種功函數的錯配在金屬或合金接觸和P型CdTe層之間的結處 形成了勢壘。該勢壘阻礙了大多數電荷載流子的輸運，進而降低了電池的填充因子(FF)。填充因子在太陽能電池技術的上下文中被定義為實際最大可獲得的功率與理論 功率(非實際獲得的)的比率(通常以百分比來給出)。這是評價太陽能電池性能的一個 關鍵參數。通常，太陽能電池具有的填充因子在大約0. 7與大約0之間。通常，本領域內已知有兩種方法用以克服以上討論的接觸問題，以便實現良質的 歐姆接觸。一種方法包括在CdTe吸收層背面形成薄層的擁有比ρ型CdTe高的功函數的半 導體材料，比如碲化汞(HgTe)，碲化鋅(ZnTe)，碲化銅(CuxTe)，碲化砷(As2Te3)，或者碲化 銻(Sb2Te3)。另一種方法是通過在CdTe吸收層中反應或者擴散入摻雜劑材料，來在背接觸 下面形成P+層。本文使用的“P+層”指的是一種高摻雜的半導體層，其中具有比吸收層中P 型電荷載流子濃度更高的P型電荷載流子濃度。典型地，P+層的載流子密度大于或者等于 大約IX IO17每立方厘米。
這些方法幫助減少上述ρ型CdTe層和背接觸之間勢壘的影響。因此，背接觸通常 包含主接觸(通常是P+層)和次接觸(其是電流傳輸導體或者金屬接觸)。在次接觸附近 以較高的載流子密度形成高摻雜層，可以幫助降低與P型CdTe吸收層的接觸電阻，這是因 為更高數量的大多數電荷載流子。當金屬被用作金屬接觸，眾所周知地金屬會在該設備的壽命期間擴散通過ρ型 CdTe層，導致相當大的降級。例如，銅(Cu)典型地用于金屬接觸并且是基于CdTe的太陽能 電池設備降級的眾所周知的來源。另一種備選技術出現了，即在CdTe吸收層上制造鎳金屬接觸，用以提供可接受的 機械和電性能。該方法涉及鎳-磷合金涂層的退火處理。這些涂層在CdTe吸收層中擴散入 磷，以及增加CdTe層的電荷載流子密度。增加的電荷載流子密度導致了上述勢壘的減少。作為對上述問題的補充，CdTe膜的表面形態和晶粒特性是影響CdTe太陽能電池 性能的重要參數。例如，由于在晶粒邊界的勢壘(potential barrier)，CdTe膜或層的橫向 電阻率通常非常高，為IO5-IO8歐姆厘米。應該注意的是，晶界勢壘高度可以通過改變晶粒 大小以及通過沿晶粒邊界擴散合適雜質而被改變。因此在電池制作的典型步驟中有一步是 P型CdTe吸收層的處理。該步驟通常涉及暴露于CdCl2和氧氣中，接著是高溫退火，并且一 般被稱作"CdCl2處理”。CdCl2處理在ρ型CdTe吸收層中加入或者擴散入氯，并且產生受 主態或者空穴，進而提供載流子密度額外的增加。更進一步，該處理通過減少表面缺陷而提 高了材料品質以及具有P型CdTe吸收層的橫向電阻率相應降低。因此，CdCl2處理通過降 低ρ型CdTe層的電阻率(由于額外的電荷載流子(空穴)形成和材料品質的提升的組合 效應)而改變了電子性能。已經發現，如果對P型CdTe吸收層的背面沒有合適的處理，與 背接觸相關的電阻非常高，并且該設備的開路電壓(Voc)和填充因子減少，因而降低該設 備的效率。CdCl2處理之后通常是腐蝕或者清洗過程，用以去除在處理ρ型CdTe吸收層背面 時形成的氧化物。氧化物的形成歸結于暴露在氧氣中。該腐蝕通常留下與含碲的背接觸層 配合良好的富碲的表面。然而，富碲的表面不能和其他類型背接觸良好的配合，例如上述的 氫化硅或者鎳-磷。因為晶界相對晶粒更快的腐蝕速度，腐蝕還可能會導致吸收層中形成 針孔。本文描述的本發明的實施例，針對的是所指出的目前本領域內技術缺點。根據本 發明的一個實施例，制作薄膜太陽能電池部件的過程包括圖1中的流程圖10所示的順序的 步驟。步驟12在透明襯底上沉積吸收層。通常地，襯底包括一層透明的導電層(沉積在襯 底上)和η型窗口層(沉積在透明導電層上)。吸收層沉積在窗口層上。吸收層是含碲的 半導體層。在一個實施例中，襯底包括玻璃。在另一實施例中，襯底包括聚合物。在步驟14 中，背接觸層沉積在吸收層的背面。該方法進一步提供步驟16以活化吸收層。本文使用的術語“吸收層的活化”或者“活化吸收層”指的是用含氯物質處理吸收 層(也稱為“氯處理”)，其中通過在吸收層內擴散氯和增加載流子密度，以將吸收層從幾乎 本征型提高至P型。對吸收層的活化進一步包括在氯處理后的高溫退火或者熱處理步驟。 該熱處理通常在大約350攝氏度到大約500攝氏度之間范圍內的溫度進行。而且經證明， 活化處理通過減少表面缺陷，改善吸收層和η型窗口層間的界面，和改變取決于材料的早 先晶粒尺寸的晶粒尺寸，來提高吸收層的材料品質。
本發明的一種或者多種具體的實施例將在下面詳述。為了盡量提供關于這些實施 例的簡潔描述，實際實現的全部特征可能不會在說明書中盡數描述。應該認識到，在任何這 樣實際實現的開發過程中，例如在任何工程或者設計項目中，必須做出大量的特定實現的 決定以達到開發者的特定目標，例如遵從系統或者商業相關的約束，這對于一種實現到另 一種實現是變化的。并且，應該認識到，這種開發的努力可能是復雜且費時的，但是無論如 何卻是對于得益于該公開的普通技術人員來說的設計，制作以及制造所采用的例程。典型地，當光照在薄膜太陽能電池上，吸收層中的電子被激發，從低能量的“基 態”(其中電子被束縛于固體中的特定原子)激發到較高的“激發態”(其中電子可以在固 體中移動)。因為大部分太陽光和人造光能量是在電磁輻射的可見光范圍內，太陽能電池吸 收層在吸收這些波長的輻射應是高效的。在一個實施例中，吸收層包含P型半導體。在一 個實施例中，吸收層具有在約1.3電子伏到約1.7電子伏特的范圍內的帶隙。在另一實施 例中，吸收層具有在約1. 35電子伏到約1. 55電子伏范圍內的帶隙。在又另一實施例中，吸 收層具有在約1.4電子伏到約1.5電子伏范圍內的帶隙。在一個實施例中，吸收層具有約5. 1電子伏到約5. 9電子伏范圍內的功函數。在 另一實施例中，吸收層具有在約5. 2電子伏到約5. 8電子伏范圍內的功函數。在又另一實 施例中，吸收層具有在約5. 5電子伏到約5. 7電子伏范圍內的功函數。吸收層包括含碲的ρ型半導體。在一個實施例中，吸收層從碲化鎘，碲化鋅鎘，富 碲碲化鎘(即，碲與鎘的比大于1的碲化鎘)，碲化硫鎘，碲化鎘錳和碲化鎘鎂構成的組中選 擇。在一個實施例中，吸收層含碲化鎘。在另一實施例中，吸收層包括ρ型碲化鎘。在某些 實施例中，吸收層是幾乎不含硅。背接觸層，如圖1中步驟14顯示的，沉積在吸收層上。在一個實施例中，背接觸層 包含從Zn，Cu，Ni, Si, Mo, Mg，Mn,或者其中兩種或者兩種以上的組合構成的組中選擇的金 屬。背接觸層可包含這些金屬的氮化物，磷化物，砷化物或者銻化物。在一個實施例中，背 接觸層包含鎳化磷。在另一實施例中，背接觸層含有氮化鉬。在某些實施例中，背接觸層包含P+層。P+層包括硅并且具有與吸收層載流子密度 相比更高的載流子密度。本文所述的P+層具有如目前本領域所知的典型P+型材料中可獲 得的較高載流子密度。在這些實施例中，吸收層和P+層成分上不同，吸收層幾乎不含硅。本 文使用的短語“幾乎不含硅”指的是至多包含每一百萬份中一百份硅作為雜質的半導體材 料。換句話說，短語“幾乎不含硅”意味著硅不是膜的主要成分，但是其可能會作為污染物 或者摻雜物存在于吸收層中。 在一個實施例中，P+層可具有的空穴載流子密度大于約5 X IO17每立方厘米。在另 一實施例中，該層可具有的空穴載流子密度大于約IO18每立方厘米。在又另一實施例中，該 層可具有的空穴載流子密度大于約2 X IO18每立方厘米。該層的載流子密度越高，該層最小 化背接觸和吸收層之間勢壘的能力就越好。在某些實施例中，P+層也具有比吸收層更高的 帶隙。在有些實施例中，該層具有比吸收層更高的功函數。進一步，在某些實施例中，該層 具有的電子親和勢(electron affinity)小于或者等于吸收層的電子親和勢。
一個實施例中，ρ+層包含氫化非晶硅(a-Si:H)、氫化非晶硅碳(a-SiC:H)、 晶體硅(c-Si)、氫化微晶硅(mc-Si:H)、氫化非晶硅鍺(a-SiGe:H)、氫化微晶非晶硅鍺 (mc a-SiGe: H)、砷化鎵(GaAs)，或者它們的組合。一個實施例中，該層包含a-Si:H或a-SiC:H。該層可以用射頻等離子體增強化學氣相沉積技術(RF-PECVD)生長。通過向等 離子體添加二硼烷或三甲基硼烷(TMB)以便在該層中摻雜硼，從而使得該層具有期望高的 載流子濃度。層的帶隙可以通過調整層中的硼，鍺，碳，和/或者氫的濃度而修改。本領域 技術人員會意識到一般進行這樣的成分調整的各種方法。根據本發明的某些實施例，吸收層的活化通過用含氯的物質對太陽能電池處理來 實施。活化步驟可進一步地包含隨后的熱處理。在一個實施例中，熱處理可以在約350攝 氏度到約500攝氏度范圍內的溫度實施。在一個實施例中，含氯的物質可包含氯化物。合 適的氯化物示例包括氯化鎘，氯化亞錫，氯化鈉，鹽酸或它們的組合。在另一實施例中，吸收 層可用含氯的惰性氣體處理。吸收層的處理通常在真空環境使用含氯的惰性氣體實施。惰 性氣體可包括氯氟烴(CFC)，氫化氯氟烴(hydrochlofluorocarbon)或者二者都包括。在特定的實施例中，吸收層被通過氯化鎘處理來活化。有各種方法可以用于實施 氯化鎘處理。在一個實施例中，該處理通過在背接觸層上靠簡單蒸發沉積CdCl2膜來實施。 該0(1(12膜非均勻地沉積并且沒有完全覆蓋背接觸層的表面。在另一實施例中，吸收層可用 CdCl2的鹽溶液處理。例如，目前為止所制備的太陽能電池是浸泡在含CdCl2的甲醇溶液。 在又另一個實施例中，通過把太陽能電池暴露在CdCl2蒸氣中，吸收層可以用CdCl2蒸氣來 處理。本發明的實施例提供在沉積背接觸層之后的對吸收層的處理或者活化，背接觸層 必須經歷活化/處理過程。像上面討論的，背接觸層包含能耐經吸收層的活化處理過程的 材料，并且允許氯通過背接觸層擴散至吸收層中。一些實施例提供了按照圖2中流程圖所示的薄膜太陽能電池的制造過程。過程20 包含如圖2中流程圖給出的順序的步驟。步驟22中，一層透明的導電氧化物沉積在透明襯 底上。這些透明導電氧化物可被摻雜或者不被摻雜。在一種示范性的實施例中，該透明導 電氧化物會包含氧化鋅，氧化錫，摻鋁氧化鋅，氟摻雜的氧化錫，氧化鎘錫和氧化鋅錫。在另 一實施例中，該透明導電氧化物可包含含銦氧化物。合適的含銦氧化物的一些例子是銦錫 氧化物(ITO)，Ga-In-Sn-0, Zn-In-Sn-0, Ga-In-0, Zn-In-O，和它們的組合。過程20中的下一步M給出窗口層沉積在透明導電氧化物頂部上。在一個實施 例中，窗口層包括η型半導體。合適窗口層的材料可包括，但不限于，硫化鎘(CdS)、碲化鋅 (SiTe)、硒化鋅(a^e)、硒化鎘(CcKe)、硫化鋅(ZnS)、硒化銦(Inje3)、硫化銦(I S3)、氫 氧化鋅(Zn(OH))、硫化碲鎘(含碲小于約10摩爾百分數)以及它們的組合。根據步驟沈 提供的，吸收層沉積在窗口層頂部上面。吸收層是含碲的P型半導體層。η型窗口層和ρ型 吸收層組成了太陽能電池需要的ρ-η結。在示范性的實施例中，窗口層是η型CdS層，且吸 收層是P型CdTe層。過程20還包括步驟觀，其提供沉積在吸收層頂部上的背接觸層。吸收層通過實施 上面實施例中討論的處理方法來在步驟30中被活化。過程20可進一步包含腐蝕步驟32。在一個實施例中，腐蝕可通過使用鹽酸實施。 在一個實施例中，執行腐蝕步驟以去除吸收層的處理過程中在背接觸層上形成的氧化物。 在另一實施例中，腐蝕步驟被用于移除表面的殘留物，且與實際的腐蝕相比更像清洗步驟。 腐蝕用于移除在處理過程中形成在表面的非化學計量材料。通常地，吸收層用CdCl2處理 之后是腐蝕步驟。目前本領域已知的可能導致界面的化學計量碲化鎘的其他腐蝕技術也可被采用。在步驟34中，金屬層進一步沉積在背接觸層的表面上形成背接觸。在一個實施例 中，背接觸包括一種或者多種從鉬，鋁，鉻和鎳中選擇的金屬。在某些實施例中，另一種金屬 層，例如鋁，被沉積在背接觸層上用以提供與外部電路的橫向傳導。在一個實施例中，這些層通過采用從近距離升華技術(CSQ，氣相傳輸法(VTM)， 離子輔助物理氣相沉積法(IAPVD)，無線電頻率或者脈沖磁控濺射(RFS或PMQ，等離子體 增強化學氣相沉積(PECVD)和電化學浴沉積法(ECD)中選擇一種或者多種方法來沉積。因此，該工藝有利地提供了具有較低接觸電阻的改進型背接觸和更好質量的吸收 層(在界面處)，并且由相對簡化的工藝步驟構成。本工藝利用其他材料用于背接觸層且 并不限于碲化物。并且，本發明的工藝能避免腐蝕期間靠近界面的吸收層中形成針孔，因為 背接觸層沉積在吸收層之上后進行吸收層的活化，然后腐蝕。背接觸層保護了吸收層的表 面，并且不允許腐蝕吸收層以及層中針孔的形成。結果，上面討論的實施例中的工藝通過提 高電池的并聯電阻，開路電壓和填充因數，加強/提高了電池的性能和效率。上述制作背接觸的工藝/方法能容易地被開發以用于工業生產線。多個上述太陽 能電池可以串聯裝配以構成太陽能電池面板。雖然本發明的僅某些特征被圖示和描述，許多修改和變化對于該領域的技術人員 是可以想到的。因此，必須理解附上的權利要求書目的在于覆蓋所有這些修改和變化，它們 落入本發明的真實精神范圍內。
部件列表 10 流程圖
12 14 20
28 16
沉積吸收層的步驟 沉積背接觸層的步驟 流程圖
22沉積氧化層的步驟
24沉積窗口層的步驟
26沉積吸收層的步驟
32腐蝕的步驟
34沉積金屬層的步驟
實施對吸收層的活化處理的步驟 實施對吸收層的活化處理的步驟t
權利要求
1.一種制作薄膜太陽能電池部件的過程，該過程包括采用以下順序的步驟 在透明襯底上沉積含碲的吸收層，在吸收層上沉積背接觸層；以及 活化所述吸收層。
2.如權利1的過程，其中活化所述吸收層包括用含氯物質處理該吸收層。
3.如權利2的過程，其中含氯物質包括從氯化鎘，氯化亞錫，氯化鈉，鹽酸或它們的組 合構成的組中選擇的氯化物。
4.如權利2的過程，其中含氯物質包括從氯氟烴(CFC)和氫化氯氟烴中之一或二者選 擇的含氯的惰性氣體。
5.如權利1的過程，其中活化所述吸收層進一步包括在大約350攝氏度到大約500攝 氏度范圍內的溫度的高溫退火。
6.如權利1的過程，其中所述背接觸層包括從鋅，銅，鎳，硅，鎂，或者它們組合構成的 組中選出的金屬。
7.如權利1的過程，其中背接觸層包括非晶Si:H，非晶SiC:H,晶體硅，微晶Si:H、微晶 Si、a-SiGe:H，微晶a-SiGe:H、砷化鎵或者它們的組合。
8.一種制作薄膜太陽能電池部件的過程，該過程包含按照下列順序的步驟 在透明襯底上沉積含碲化鎘的吸收層；在吸收層上沉積背接觸層；以及 實施氯化鎘處理。
9.一種制作薄膜太陽能電池的過程，該過程包括下列順序的步驟 在透明襯底上沉積透明導電層；在透明導電層上沉積窗口層； 在窗口層上沉積含碲的吸收層； 在吸收層上沉積背接觸層； 活化該吸收層，以及 在背接觸層上沉積金屬接觸。
10.一種制作薄膜太陽能電池的過程，該過程包括以下順序的步驟 在透明襯底上沉積透明導電氧化物層，在透明導電氧化物層上沉積硫化鎘(CdS)層， 在CdS層上沉積碲化鎘(CdTe)吸收層， 在CdTe吸收層上沉積背接觸層， 實施氯化鎘處理，以及 在背接觸層上沉積金屬接觸。
全文摘要
提供制作薄膜太陽能電池部件的過程。該過程包括下列順序的制作上述部件的步驟在透明襯底上沉積吸收層，在吸收層上沉積背接觸層且活化吸收層。吸收層包含碲。還呈現制作薄膜太陽能電池的過程。
文檔編號H01L31/18GK102097537SQ20101059214
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月10日 優先權日2009年12月11日
發明者B·A·科雷瓦爾 申請人:通用電氣公司