制作薄膜太阳能电池的过程的制作方法

专利名称：制作薄膜太阳能电池的过程的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光伏领域或太阳能电池领域。具体地说，本发明涉及在太阳能电 池设备和由此制成的太阳能面板中使用的背接触(back contact)。
背景技术：
太阳能在世界上许多地方一年中都是充足的。遗憾的是，可用的太阳能一般不能 有效地用于发电。传统的太阳能电池，以及由这些电池产生的电的成本通常非常高。例如， 典型的太阳能电池达到的转换效率低于约百分之二十。并且，太阳能电池通常包含衬底上 形成的多个层，因而太阳能电池的制造过程通常也需要相当多数量的处理步骤。因此，高数 目的处理步骤、层、界面和复杂性增加了制造这些太阳能电池所需的时间和金钱的数量。相应地，一直存在对于解决低效且复杂的太阳能转换设备以及制造方法的长期存 在问题的改进技术方案的需要。

发明内容
本发明的实施例针对在薄膜太阳能电池上制作背接触的工艺。根据本发明的一个实施例，提供一种制作薄膜太阳能电池的部件的工艺。此工艺 包括按以下顺序制作该部件的步骤在透明衬底上沉积吸收层，在吸收层上沉积背接触层， 以及活化该吸收层。吸收层包含碲。在另一实施例中，制作薄膜太阳能电池的部件的过程包括以下顺序的步骤在透 明衬底上沉积吸收层，在吸收层上沉积背接触层并且实施氯化镉处理。吸收层包含碲化镉。 实施氯化镉处理以用以活化吸收层。另一实施例是制作薄膜太阳能电池的过程。该过程包含以下描述的顺序的步骤。 首先，一层透明的导电氧化物沉积在透明衬底上；下一步骤中，窗口层沉积在透明导电氧化 层上，然后吸收层在接下来的步骤中沉积在窗口层上。吸收层包括碲。下一步，背接触层沉 积在吸收层上。该过程包含活化吸收层的另一步骤。在又另一实施例中，提供了制作一种薄膜太阳能电池的过程。该过程包含按以下 描述的顺序的步骤。首先，一层透明导电氧化物沉积在透明衬底上；下一步骤中，硫化镉层 沉积在透明导电氧化层上，以及在接下来的步骤中，碲化镉吸收层沉积在硫化镉层上。该过 程还包含在碲化镉吸收层上沉积背接触层的步骤以及然后是实施氯化镉处理的步骤。该过 程的最后一步包括在背接触层上沉积金属接触。


本发明的这些和其他特征，方面以及优点当参照附图阅读了下面详细的描述时可 以被更好地理解，其中图1图示了根据本发明的某些实施例，在制作薄膜太阳能电池的部件的过程的流 程图。
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图2图示了根据本发明的某些实施例，在制作薄膜太阳能电池的过程的流程图。
具体实施例方式在本说明书和权利要求书中全文使用的大概性语言，可以用于修饰任何可以在容 许范围内变动的数量表述，而不影响其所关联的基本功能的改变。相应地，一个数值被一个 术语或者几个术语修饰，例如“大约”，其并不限制于指定的精确数值。在某些情况下，大概 性语言对应于测量数值的仪器的精确度。在接下来的说明书和权利要求书里，单数形式“一”和“该”包含了复数个所指物， 除非上下文另有明确的说明。术语“包含”，“包括”和“具有”意指包含的，且意味着除了列 出来的元件之外还可能存在其他的元件。并且，“顶部”，“底部”，“在上面”，“在下面”，以及 这些词的变化形式的使用是为了方便，而不要求任何特别的部件取向，除非另有强调。如在
本文使用的，术语“沉积在......上”或者“沉积在......之上”指的是直接与之接触地
固定或者设置以及通过在其之间介入层的非直接式固定或设置。本文使用的术语“可以”和“可以是”表明了一组情况中出现的可能性、具有指定性 能、特征或者功能，和/或限制修饰另外的动词(通过表达关联该限制修饰的动词的一种或 多种能力、性能或者可能性)。相应地，“可以”和“可以是”的使用表明了被修饰的词语显然 是对指定的性能，功能或者功用是恰当的，能够的或者适合的，同时也考虑了在某些情况下 修饰的词有时候是不恰当的，不能的或者不适合的。例如，在某些情形下，一个事件或者能 力可以被预期，然而在其他情形下该事件或者能力不能发生-这种差别通过该术语“可以” 和“可以是”来记载。基于碲化镉(CdTe)的太阳能电池设备典型地表现出相对低的功率转换效率，该 低功率转换效率的原因可以是相对低的开路电压(V。。)。CdTe材料的高功函数是在CdTe吸 收层和背接触之间达到良好欧姆接触的最主要的势垒之一。P型CdTe通常具有大约5. 5电 子伏特或者更高的功函数，这取决于电荷载流子的浓度或者电荷载流子的密度。本文使用 的短语“载流子密度”涉及材料中主要的电荷载流子的浓度，在P型CdTe中空穴代表大多数 的电荷载流子。P型CdTe材料的平均载流子密度在每立方厘米IX IO14和IX IO15之间变 化。没有金属或者合金有如此高的功函数，因此对于金属以及合金与P型CdTe形成良好的 欧姆接触变得非常困难。这种功函数的错配在金属或合金接触和P型CdTe层之间的结处 形成了势垒。该势垒阻碍了大多数电荷载流子的输运，进而降低了电池的填充因子(FF)。填充因子在太阳能电池技术的上下文中被定义为实际最大可获得的功率与理论 功率(非实际获得的)的比率(通常以百分比来给出)。这是评价太阳能电池性能的一个 关键参数。通常，太阳能电池具有的填充因子在大约0. 7与大约0之间。通常，本领域内已知有两种方法用以克服以上讨论的接触问题，以便实现良质的 欧姆接触。一种方法包括在CdTe吸收层背面形成薄层的拥有比ρ型CdTe高的功函数的半 导体材料，比如碲化汞(HgTe)，碲化锌(ZnTe)，碲化铜(CuxTe)，碲化砷(As2Te3)，或者碲化 锑(Sb2Te3)。另一种方法是通过在CdTe吸收层中反应或者扩散入掺杂剂材料，来在背接触 下面形成P+层。本文使用的“P+层”指的是一种高掺杂的半导体层，其中具有比吸收层中P 型电荷载流子浓度更高的P型电荷载流子浓度。典型地，P+层的载流子密度大于或者等于 大约IX IO17每立方厘米。
这些方法帮助减少上述ρ型CdTe层和背接触之间势垒的影响。因此，背接触通常 包含主接触(通常是P+层)和次接触(其是电流传输导体或者金属接触)。在次接触附近 以较高的载流子密度形成高掺杂层，可以帮助降低与P型CdTe吸收层的接触电阻，这是因 为更高数量的大多数电荷载流子。当金属被用作金属接触，众所周知地金属会在该设备的寿命期间扩散通过ρ型 CdTe层，导致相当大的降级。例如，铜(Cu)典型地用于金属接触并且是基于CdTe的太阳能 电池设备降级的众所周知的来源。另一种备选技术出现了，即在CdTe吸收层上制造镍金属接触，用以提供可接受的 机械和电性能。该方法涉及镍-磷合金涂层的退火处理。这些涂层在CdTe吸收层中扩散入 磷，以及增加CdTe层的电荷载流子密度。增加的电荷载流子密度导致了上述势垒的减少。作为对上述问题的补充，CdTe膜的表面形态和晶粒特性是影响CdTe太阳能电池 性能的重要参数。例如，由于在晶粒边界的势垒(potential barrier)，CdTe膜或层的横向 电阻率通常非常高，为IO5-IO8欧姆厘米。应该注意的是，晶界势垒高度可以通过改变晶粒 大小以及通过沿晶粒边界扩散合适杂质而被改变。因此在电池制作的典型步骤中有一步是 P型CdTe吸收层的处理。该步骤通常涉及暴露于CdCl2和氧气中，接着是高温退火，并且一 般被称作"CdCl2处理”。CdCl2处理在ρ型CdTe吸收层中加入或者扩散入氯，并且产生受 主态或者空穴，进而提供载流子密度额外的增加。更进一步，该处理通过减少表面缺陷而提 高了材料品质以及具有P型CdTe吸收层的横向电阻率相应降低。因此，CdCl2处理通过降 低ρ型CdTe层的电阻率(由于额外的电荷载流子(空穴)形成和材料品质的提升的组合 效应)而改变了电子性能。已经发现，如果对P型CdTe吸收层的背面没有合适的处理，与 背接触相关的电阻非常高，并且该设备的开路电压(Voc)和填充因子减少，因而降低该设 备的效率。CdCl2处理之后通常是腐蚀或者清洗过程，用以去除在处理ρ型CdTe吸收层背面 时形成的氧化物。氧化物的形成归结于暴露在氧气中。该腐蚀通常留下与含碲的背接触层 配合良好的富碲的表面。然而，富碲的表面不能和其他类型背接触良好的配合，例如上述的 氢化硅或者镍-磷。因为晶界相对晶粒更快的腐蚀速度，腐蚀还可能会导致吸收层中形成 针孔。本文描述的本发明的实施例，针对的是所指出的目前本领域内技术缺点。根据本 发明的一个实施例，制作薄膜太阳能电池部件的过程包括图1中的流程图10所示的顺序的 步骤。步骤12在透明衬底上沉积吸收层。通常地，衬底包括一层透明的导电层(沉积在衬 底上)和η型窗口层(沉积在透明导电层上)。吸收层沉积在窗口层上。吸收层是含碲的 半导体层。在一个实施例中，衬底包括玻璃。在另一实施例中，衬底包括聚合物。在步骤14 中，背接触层沉积在吸收层的背面。该方法进一步提供步骤16以活化吸收层。本文使用的术语“吸收层的活化”或者“活化吸收层”指的是用含氯物质处理吸收 层(也称为“氯处理”)，其中通过在吸收层内扩散氯和增加载流子密度，以将吸收层从几乎 本征型提高至P型。对吸收层的活化进一步包括在氯处理后的高温退火或者热处理步骤。 该热处理通常在大约350摄氏度到大约500摄氏度之间范围内的温度进行。而且经证明， 活化处理通过减少表面缺陷，改善吸收层和η型窗口层间的界面，和改变取决于材料的早 先晶粒尺寸的晶粒尺寸，来提高吸收层的材料品质。
本发明的一种或者多种具体的实施例将在下面详述。为了尽量提供关于这些实施 例的简洁描述，实际实现的全部特征可能不会在说明书中尽数描述。应该认识到，在任何这 样实际实现的开发过程中，例如在任何工程或者设计项目中，必须做出大量的特定实现的 决定以达到开发者的特定目标，例如遵从系统或者商业相关的约束，这对于一种实现到另 一种实现是变化的。并且，应该认识到，这种开发的努力可能是复杂且费时的，但是无论如 何却是对于得益于该公开的普通技术人员来说的设计，制作以及制造所采用的例程。典型地，当光照在薄膜太阳能电池上，吸收层中的电子被激发，从低能量的“基 态”(其中电子被束缚于固体中的特定原子)激发到较高的“激发态”(其中电子可以在固 体中移动)。因为大部分太阳光和人造光能量是在电磁辐射的可见光范围内，太阳能电池吸 收层在吸收这些波长的辐射应是高效的。在一个实施例中，吸收层包含P型半导体。在一 个实施例中，吸收层具有在约1.3电子伏到约1.7电子伏特的范围内的带隙。在另一实施 例中，吸收层具有在约1. 35电子伏到约1. 55电子伏范围内的带隙。在又另一实施例中，吸 收层具有在约1.4电子伏到约1.5电子伏范围内的带隙。在一个实施例中，吸收层具有约5. 1电子伏到约5. 9电子伏范围内的功函数。在 另一实施例中，吸收层具有在约5. 2电子伏到约5. 8电子伏范围内的功函数。在又另一实 施例中，吸收层具有在约5. 5电子伏到约5. 7电子伏范围内的功函数。吸收层包括含碲的ρ型半导体。在一个实施例中，吸收层从碲化镉，碲化锌镉，富 碲碲化镉(即，碲与镉的比大于1的碲化镉)，碲化硫镉，碲化镉锰和碲化镉镁构成的组中选 择。在一个实施例中，吸收层含碲化镉。在另一实施例中，吸收层包括ρ型碲化镉。在某些 实施例中，吸收层是几乎不含硅。背接触层，如图1中步骤14显示的，沉积在吸收层上。在一个实施例中，背接触层 包含从Zn，Cu，Ni, Si, Mo, Mg，Mn,或者其中两种或者两种以上的组合构成的组中选择的金 属。背接触层可包含这些金属的氮化物，磷化物，砷化物或者锑化物。在一个实施例中，背 接触层包含镍化磷。在另一实施例中，背接触层含有氮化钼。在某些实施例中，背接触层包含P+层。P+层包括硅并且具有与吸收层载流子密度 相比更高的载流子密度。本文所述的P+层具有如目前本领域所知的典型P+型材料中可获 得的较高载流子密度。在这些实施例中，吸收层和P+层成分上不同，吸收层几乎不含硅。本 文使用的短语“几乎不含硅”指的是至多包含每一百万份中一百份硅作为杂质的半导体材 料。换句话说，短语“几乎不含硅”意味着硅不是膜的主要成分，但是其可能会作为污染物 或者掺杂物存在于吸收层中。 在一个实施例中，P+层可具有的空穴载流子密度大于约5 X IO17每立方厘米。在另 一实施例中，该层可具有的空穴载流子密度大于约IO18每立方厘米。在又另一实施例中，该 层可具有的空穴载流子密度大于约2 X IO18每立方厘米。该层的载流子密度越高，该层最小 化背接触和吸收层之间势垒的能力就越好。在某些实施例中，P+层也具有比吸收层更高的 带隙。在有些实施例中，该层具有比吸收层更高的功函数。进一步，在某些实施例中，该层 具有的电子亲和势(electron affinity)小于或者等于吸收层的电子亲和势。
一个实施例中，ρ+层包含氢化非晶硅(a-Si:H)、氢化非晶硅碳(a-SiC:H)、 晶体硅(c-Si)、氢化微晶硅(mc-Si:H)、氢化非晶硅锗(a-SiGe:H)、氢化微晶非晶硅锗 (mc a-SiGe: H)、砷化镓(GaAs)，或者它们的组合。一个实施例中，该层包含a-Si:H或a-SiC:H。该层可以用射频等离子体增强化学气相沉积技术(RF-PECVD)生长。通过向等 离子体添加二硼烷或三甲基硼烷(TMB)以便在该层中掺杂硼，从而使得该层具有期望高的 载流子浓度。层的带隙可以通过调整层中的硼，锗，碳，和/或者氢的浓度而修改。本领域 技术人员会意识到一般进行这样的成分调整的各种方法。根据本发明的某些实施例，吸收层的活化通过用含氯的物质对太阳能电池处理来 实施。活化步骤可进一步地包含随后的热处理。在一个实施例中，热处理可以在约350摄 氏度到约500摄氏度范围内的温度实施。在一个实施例中，含氯的物质可包含氯化物。合 适的氯化物示例包括氯化镉，氯化亚锡，氯化钠，盐酸或它们的组合。在另一实施例中，吸收 层可用含氯的惰性气体处理。吸收层的处理通常在真空环境使用含氯的惰性气体实施。惰 性气体可包括氯氟烃(CFC)，氢化氯氟烃(hydrochlofluorocarbon)或者二者都包括。在特定的实施例中，吸收层被通过氯化镉处理来活化。有各种方法可以用于实施 氯化镉处理。在一个实施例中，该处理通过在背接触层上靠简单蒸发沉积CdCl2膜来实施。 该0(1(12膜非均勻地沉积并且没有完全覆盖背接触层的表面。在另一实施例中，吸收层可用 CdCl2的盐溶液处理。例如，目前为止所制备的太阳能电池是浸泡在含CdCl2的甲醇溶液。 在又另一个实施例中，通过把太阳能电池暴露在CdCl2蒸气中，吸收层可以用CdCl2蒸气来 处理。本发明的实施例提供在沉积背接触层之后的对吸收层的处理或者活化，背接触层 必须经历活化/处理过程。像上面讨论的，背接触层包含能耐经吸收层的活化处理过程的 材料，并且允许氯通过背接触层扩散至吸收层中。一些实施例提供了按照图2中流程图所示的薄膜太阳能电池的制造过程。过程20 包含如图2中流程图给出的顺序的步骤。步骤22中，一层透明的导电氧化物沉积在透明衬 底上。这些透明导电氧化物可被掺杂或者不被掺杂。在一种示范性的实施例中，该透明导 电氧化物会包含氧化锌，氧化锡，掺铝氧化锌，氟掺杂的氧化锡，氧化镉锡和氧化锌锡。在另 一实施例中，该透明导电氧化物可包含含铟氧化物。合适的含铟氧化物的一些例子是铟锡 氧化物(ITO)，Ga-In-Sn-0, Zn-In-Sn-0, Ga-In-0, Zn-In-O，和它们的组合。过程20中的下一步M给出窗口层沉积在透明导电氧化物顶部上。在一个实施 例中，窗口层包括η型半导体。合适窗口层的材料可包括，但不限于，硫化镉(CdS)、碲化锌 (SiTe)、硒化锌(a^e)、硒化镉(CcKe)、硫化锌(ZnS)、硒化铟(Inje3)、硫化铟(I S3)、氢 氧化锌(Zn(OH))、硫化碲镉(含碲小于约10摩尔百分数)以及它们的组合。根据步骤沈 提供的，吸收层沉积在窗口层顶部上面。吸收层是含碲的P型半导体层。η型窗口层和ρ型 吸收层组成了太阳能电池需要的ρ-η结。在示范性的实施例中，窗口层是η型CdS层，且吸 收层是P型CdTe层。过程20还包括步骤观，其提供沉积在吸收层顶部上的背接触层。吸收层通过实施 上面实施例中讨论的处理方法来在步骤30中被活化。过程20可进一步包含腐蚀步骤32。在一个实施例中，腐蚀可通过使用盐酸实施。 在一个实施例中，执行腐蚀步骤以去除吸收层的处理过程中在背接触层上形成的氧化物。 在另一实施例中，腐蚀步骤被用于移除表面的残留物，且与实际的腐蚀相比更像清洗步骤。 腐蚀用于移除在处理过程中形成在表面的非化学计量材料。通常地，吸收层用CdCl2处理 之后是腐蚀步骤。目前本领域已知的可能导致界面的化学计量碲化镉的其他腐蚀技术也可被采用。在步骤34中，金属层进一步沉积在背接触层的表面上形成背接触。在一个实施例 中，背接触包括一种或者多种从钼，铝，铬和镍中选择的金属。在某些实施例中，另一种金属 层，例如铝，被沉积在背接触层上用以提供与外部电路的横向传导。在一个实施例中，这些层通过采用从近距离升华技术(CSQ，气相传输法(VTM)， 离子辅助物理气相沉积法(IAPVD)，无线电频率或者脉冲磁控溅射(RFS或PMQ，等离子体 增强化学气相沉积(PECVD)和电化学浴沉积法(ECD)中选择一种或者多种方法来沉积。因此，该工艺有利地提供了具有较低接触电阻的改进型背接触和更好质量的吸收 层(在界面处)，并且由相对简化的工艺步骤构成。本工艺利用其他材料用于背接触层且 并不限于碲化物。并且，本发明的工艺能避免腐蚀期间靠近界面的吸收层中形成针孔，因为 背接触层沉积在吸收层之上后进行吸收层的活化，然后腐蚀。背接触层保护了吸收层的表 面，并且不允许腐蚀吸收层以及层中针孔的形成。结果，上面讨论的实施例中的工艺通过提 高电池的并联电阻，开路电压和填充因数，加强/提高了电池的性能和效率。上述制作背接触的工艺/方法能容易地被开发以用于工业生产线。多个上述太阳 能电池可以串联装配以构成太阳能电池面板。虽然本发明的仅某些特征被图示和描述，许多修改和变化对于该领域的技术人员 是可以想到的。因此，必须理解附上的权利要求书目的在于覆盖所有这些修改和变化，它们 落入本发明的真实精神范围内。
部件列表 10 流程图
12 14 20
28 16
沉积吸收层的步骤 沉积背接触层的步骤 流程图
22沉积氧化层的步骤
24沉积窗口层的步骤
26沉积吸收层的步骤
32腐蚀的步骤
34沉积金属层的步骤
实施对吸收层的活化处理的步骤 实施对吸收层的活化处理的步骤t
权利要求
1.一种制作薄膜太阳能电池部件的过程，该过程包括采用以下顺序的步骤 在透明衬底上沉积含碲的吸收层，在吸收层上沉积背接触层；以及 活化所述吸收层。
2.如权利1的过程，其中活化所述吸收层包括用含氯物质处理该吸收层。
3.如权利2的过程，其中含氯物质包括从氯化镉，氯化亚锡，氯化钠，盐酸或它们的组 合构成的组中选择的氯化物。
4.如权利2的过程，其中含氯物质包括从氯氟烃(CFC)和氢化氯氟烃中之一或二者选 择的含氯的惰性气体。
5.如权利1的过程，其中活化所述吸收层进一步包括在大约350摄氏度到大约500摄 氏度范围内的温度的高温退火。
6.如权利1的过程，其中所述背接触层包括从锌，铜，镍，硅，镁，或者它们组合构成的 组中选出的金属。
7.如权利1的过程，其中背接触层包括非晶Si:H，非晶SiC:H,晶体硅，微晶Si:H、微晶 Si、a-SiGe:H，微晶a-SiGe:H、砷化镓或者它们的组合。
8.一种制作薄膜太阳能电池部件的过程，该过程包含按照下列顺序的步骤 在透明衬底上沉积含碲化镉的吸收层；在吸收层上沉积背接触层；以及 实施氯化镉处理。
9.一种制作薄膜太阳能电池的过程，该过程包括下列顺序的步骤 在透明衬底上沉积透明导电层；在透明导电层上沉积窗口层； 在窗口层上沉积含碲的吸收层； 在吸收层上沉积背接触层； 活化该吸收层，以及 在背接触层上沉积金属接触。
10.一种制作薄膜太阳能电池的过程，该过程包括以下顺序的步骤 在透明衬底上沉积透明导电氧化物层，在透明导电氧化物层上沉积硫化镉(CdS)层， 在CdS层上沉积碲化镉(CdTe)吸收层， 在CdTe吸收层上沉积背接触层， 实施氯化镉处理，以及 在背接触层上沉积金属接触。
全文摘要
提供制作薄膜太阳能电池部件的过程。该过程包括下列顺序的制作上述部件的步骤在透明衬底上沉积吸收层，在吸收层上沉积背接触层且活化吸收层。吸收层包含碲。还呈现制作薄膜太阳能电池的过程。
文档编号H01L31/18GK102097537SQ20101059214
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月10日 优先权日2009年12月11日
发明者B·A·科雷瓦尔 申请人:通用电气公司