薄膜太阳能电池及其形成方法
【专利摘要】太阳能电池包括：背面接触层、背面接触层上的吸收层、吸收层上的缓冲层以及缓冲层之上的正面接触层。正面接触层具有第一部分和第二部分。正面接触层的第一部分和第二部分的厚度或掺杂浓度相互不同。本发明提供了薄膜太阳能电池及其形成方法。
【专利说明】薄膜太阳能电池及其形成方法
[0001]本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请第61/782，057号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
【技术领域】
[0002]本发明涉及薄膜光电太阳能电池及其制造方法。
【背景技术】
[0003]太阳能电池是用于通过太阳光直接生成电流的光电组件。由于对清洁能源的日益增长的要求，太阳能电池的制造近年来急剧扩张并且继续扩张。多种类型的太阳能电池存在并且继续进行开发。太阳能电池包括吸收被转换为电流的太阳光的吸收层。
[0004]当前存在多种太阳能收集模块。太阳能收集模块通常包括很大的平坦基板，并且包括背面接触层、吸收层、缓冲层和正面接触层，该正面接触层可以是透明导电氧化物(TCO)材料。多个太阳能电池形成在一个基板上，并且通过每个天阳能电池中的各个互连结构进行串联连接，以形成太阳能电池模块。
[0005]每个互连结构都包括三条划线，被称为P1、P2和P3。Pl划线延伸穿过背面接触层并且填充有吸收材料。P2划线延伸穿过缓冲层和吸收层,并且填充有(导电)正面接触材料。因此，P2划线将第一太阳能电池的正面电极连接至相邻太阳能电池的背面电极。P3划线延伸穿过正面接触层、缓冲层和吸收层。
[0006]因为互连结构不会有助于太阳能电池吸收和电流的生成，所以太阳能电池位于互连结构外部的一部分被称为有效电池。因此，太阳能电池模块的一系列电阻在很大程度上取决于正面接触层的电阻和正面接触层和背面接触层之间的接触电阻。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种太阳能电池，包括:背面接触层；吸收层，位于所述背面接触层上；缓冲层，位于所述吸收层上；以及正面接触层，位于所述缓冲层之上，所述正面接触层具有第一部分和第二部分，其中，所述正面接触层的所述第一部分和所述第二部分在由厚度和掺杂浓度所构成的组中的一个方面相互不同。
[0008]在该太阳能电池中，所述正面接触层的所述第二部分的面积大于所述第一部分的面积。
[0009]在该太阳能电池中，所述第一部分位于所述太阳能电池的互连结构区域中，并且所述第二部分的50%以上的面积位于所述太阳能电池的所述互连结构区域的外部，并且所述正面接触层的所述第二部分的掺杂浓度低于所述第一部分的掺杂浓度。
[0010]根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能电池，包括:背面接触层；吸收层，位于所述背面接触层上；缓冲层，位于所述吸收层上；以及第一正面接触层，位于所述缓冲层之上，所述第一正面接触层具有第一掺杂浓度；以及第二正面接触层，位于所述缓冲层的一部分之上，所述第二正面接触层覆盖的面积小于所述第一正面接触层覆盖的面积，所述第二正面接触层的第二掺杂浓度不同于所述第一掺杂浓度。
[0011]在该太阳能电池中，所述第一正面接触层的掺杂浓度低于所述第二正面接触层的掺杂浓度，并且所述第一正面接触层形成在所述第二正面接触层上。
[0012]在该太阳能电池中，所述第一正面接触层的掺杂浓度低于所述第二正面接触层的掺杂浓度，并且所述第二正面接触层形成在所述第一正面接触层上。
[0013]在该太阳能电池中，所述第一正面接触层的掺杂浓度在lX1012atoms.cnT3到5X 102Clatoms.cnT3之间，并且所述第二正面接触层的掺杂浓度在lX1017atoms.cnT3到8 X 1022atoms.cm 3 之间。
[0014]在该太阳能电池中，所述太阳能电池具有包括多条划线的互连结构；以及所述第二正面接触层形成在与所述多条划线垂直地延伸的一个或多个区域中。
[0015]在该太阳能电池中，所述第二正面接触层具有连接至所述一个或多个区域并且远离所述一个或多个区域进行延伸的至少一个附加区域。
[0016]在该太阳能电池中，所述第二正面接触层具有连接在所述一个或多个区域的相对侧并且延伸所述太阳能电池的大部分宽度的两个所述附加区域。
[0017]在该太阳能电池中，所述太阳能电池的所述互连结构具有多条划线；以及所述第二接触层贯穿其长度延伸到所述多条划线中的至少一条之上。
[0018]在该太阳能电池中，所述互连结构具有位于所述背面接触层中的第一划线和延伸穿过所述吸收层、所述缓冲层以及所述第一正面接触层的第二划线；其中，所述第二正面接触层在所述第一划线和所述第二划线之间延伸但不越过所述第一划线和所述第二划线。
[0019]在该太阳能电池中，所述互连结构具有延伸穿过所述吸收层和所述缓冲层的划线，所述划线具有边缘；其中，所述第二正面接触层在所述划线的边缘之间延伸但不越过所述划线的边缘。
[0020]在该太阳能电池中，所述互连结构具有延伸穿过所述吸收层和所述缓冲层的划线，所述划线填充有导电性高于所述第一正面接触层的导电性的材料。
[0021]在该太阳能电池中，所述太阳能电池包括多个矩形区域，每个矩形区域都多个侧面，所述第二正面接触层沿着所述侧面形成在所述缓冲层之上，每个矩形区域都具有中心区域但其中不具有所述第二正面接触层。
[0022]根据本发明的又一方面，提供了一种制造太阳能电池的方法，包括:在基板上形成背面接触层；在所述背面接触层上形成吸收层；在所述吸收层上形成缓冲层；以及在所述缓冲层之上形成第一正面接触层；以及在部分所述缓冲层之上形成第二正面接触层，所述第二正面接触层覆盖的面积小于所述第一正面接触层的面积。
[0023]在该方法中，所述第一正面接触层具有第一掺杂浓度，并且所述第二正面接触层具有第二掺杂浓度，所述第一掺杂浓度小于所述第二掺杂浓度。
[0024]在该方法中，所述太阳能电池具有包括多条划线的互连结构，并且形成所述第二正面接触层的步骤包括:在与所述划线垂直地延伸的至少一个延长部分中形成所述第二接触层。
[0025]在该方法中，形成所述第二正面接触层的步骤进一步包括:在与所述划线平行地延伸的至少一个延长部分中形成所述第二接触层。
[0026]在该方法中，所述划线包括具有第一边缘的第一划线和具有远离所述第一划线的所述第一边缘的第二边缘的第二划线，以及所述至少一个延长部分形成在所述第一边缘和所述第二边缘之间但没有越过所述第一边缘和所述第二边缘。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本文中所描述的太阳能电池的实施例的截面图，其中，低掺杂正面接触层位于高掺杂正面接触层之上。
[0028]图2是图1的太阳能电池的变型例的截面图，其中，高掺杂正面接触层位于低掺杂正面接触层之上。
[0029]图3是包括图1的太阳能电池的太阳能电池模块的平面图。
[0030]图4是通过剖面线4-4所截取的图3的太阳能电池模块的截面图。
[0031]图5是图3的太阳能电池模块的变型例的平面图。
[0032]图6是通过剖面线6-6所截取的图5的太阳能电池模块的截面图。
[0033]图7是图3的太阳能电池模块的变型例的平面图。
[0034]图8是通过剖面线8-8所截取的图7的太阳能电池模块的截面图。
[0035]图9A是包括图7和图8的太阳能电池的变型例的太阳能电池模块的平面图。
[0036]图9B是图9A的太阳能电池模块的截面图，其中，低掺杂正面接触层位于高掺杂正面接触层之上。
[0037]图9C是图9B的太阳能电池模块的变型例，高掺杂正面接触层位于低掺杂正面接触层之上。
[0038]图1OA是包括图7和图8的太阳能电池的变型例的太阳能电池模块的平面图。
[0039]图1OB是图1OA的太阳能电池模块的截面图，其中，低掺杂正面接触层位于高掺杂正面接触层之上。
[0040]图1OC是图1OB的太阳能电池模块的变型例，高掺杂正面接触层位于低掺杂正面接触层之上。
[0041]图11是图3的太阳能电池模块的变型例的平面图。
[0042]图12是通过剖面线12-12所截取的图9的太阳能电池模块的截面图。
[0043]图13是如本文中所示和所述的制造太阳能电池的方法的流程图。
[0044]图14是用于图案化图3和图4的第二正面接触层的光掩模的示图。
【具体实施方式】
[0045]旨在结合附图阅读示例性实施例的该描述，附图被认为是整个编写的说明书的一部分。附图不按比例绘制。在多个图中，除非文本中另外明确指出，否则相同的参考数字指示相同的项。
[0046]在说明书中，诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的空间相对位置的术语应该被解释为是指在随后所述的或在论述的附图中所示的定向。这些空间相对位置的术语用于便于说明并且不要求以特定定向构建或操作装置。除非另外明确地描述，否则关于诸如“连接”和“互连”的附接、耦合等的术语是指结构相互直接固定或附接或者通过中间结构相互间接地固定或附接的关系，以及可移动或刚性附接或关系。
[0047]太阳能电池的正面接触(TCO)层执行导电功能，同时是透光的。为了减小太阳能电池的串联电阻Rs，可以增加TCO层的掺杂浓度，或者增加TCO层的厚度。任一种技术都可以改进导电性，但是降低TCO层的光透明度。TCO层的透明度的减小又减小了到达吸收层并且可用于转换为电的能量的量。相反地，具有较低掺杂浓度的较薄TCO层提供到达吸收层的更好光透射率，但是增大了太阳能电池模块的串联电阻Rs。
[0048]在本文中所述的一些实施例中，可以通过选择性地控制太阳能电池的至少两个不同区域中的TCO层厚度和/或TCO层掺杂浓度来改进TCO层的光透射率和电阻。例如，通过选择性地使用互连结构之上的较高掺杂浓度将一个太阳能电池连接至另一个太阳能电池，减小了总体TCO电阻，并且同时可以增加光透射率。由于高TCO透射率和电流导致的较高光载流子生成主要由高掺杂的TCO区域收集以减小电阻。Rs和填充因数(FF)的改进使得太阳能电池1旲块具有更闻的效率。
[0049]在一些实施例中，TCO层的选择性掺杂包括:互连结构中的较高掺杂浓度、以及有效电池区域中(位于互连结构外部)的较低掺杂浓度。因为互连结构区域不会有助于光电流，所以该区域中的高掺杂可以进一步减小载体电阻并互连接触电阻，而不减少光收集。
[0050]在一些实施例中，TCO层的选择性掺杂包括:互连结构外部的选择区域中的较高掺杂浓度、以及有效电池区域(位于互连结构外部)的非选择区域的较低掺杂浓度。较高掺杂浓度区域占用有效电池区域的相对很小的部分。
[0051]在其他实施例中，TCO层的选择性掺杂包括:互连结构中的较高掺杂浓度，并且还分配在有效区域域的一部分(子电池区域)中的高掺杂区域，其中，该部分的面积小于有效区域的整个面积。较高掺杂区域的分布取决于电池宽度、TCO电阻、吸收层质量(absorberquality)等。
[0052]在多种实施例中，对于多种器件应用，(高掺杂TCO面积)/ (总电池面积)的比率在1%至85%的范围内。
[0053]图1和图2示出适用于本文中所述的太阳能电池100的互连结构170 (或171)的两个实例。这两个互连结构均包括具有第一层160 (或161)和第二层150 (或151)的多层正面电极155。除了在图1中第一正面接触层160位于第二正面接触层150上方，而在图2中第二正面接触层151位于第一正面接触层161上方之外，这两个结构相互相同。
[0054]首先参考图1，太阳能电池100包括基板110、背面接触层120、背面接触层120上的吸收层130、吸收层130上的缓冲层140、以及缓冲层之上的正面接触层150、160。
[0055]在一些实施例中，基板110是玻璃基板，诸如，钠钙玻璃。在其他实施例中，基板110是柔性金属箔或聚合物(例如，聚酰亚胺)。在一些实施例中，基板110的厚度在0.1mm至5mm的范围内。
[0056]在一些实施例中，背面接触层120由钥(Mo)形成，在背面接触层之上可以形成CIGS吸收层130。在一些实施例中，通过溅射来形成Mo背面接触层120。其他实施例包括其他合适背面接触材料(代替Mo)，诸如，Pt、Au、Ag、Ni或Cu。例如，在一些实施例中，提供铜或镍的背面接触层，在背面接触层之上可以形成碲化镉(CdTe)吸收层。在形成背面接触层120之后，在背面接触层120中形成Pl划线。Pl划线要填充有吸收层材料。在一些实施例中，背面接触层120的厚度为约10 μ m至约300 μ m。
[0057]诸如p型吸收层(absorber)130的吸收层130形成在背面接触层120上。在一些实施例中，吸收层130是基于黄铜矿的吸收层，包括Cu (In，Ga) Se2 (CIGS)，具有约I微米或更大的厚度。在一些实施例中，使用CuGa溅射靶(未示出)和基于铟的溅射靶(未示出)来溅射吸收层130。在一些实施例中，首先溅射CuGa材料，以形成一个金属前体层，并且接下来溅射基于铟的材料，以在CuGa金属前体层上形成含铟金属前体层。在其他实施例中，同时溅射或者交替地溅射CuGa材料和基于铟的材料。
[0058]在其他实施例中，吸收层包括不同材料，诸如，CuInSe2 (CIS)、CuGaSe2 (CGS)、Cu (In, Ga) Se2 (CIGS)、Cu (In, Ga) (Se, S) 2 (CIGSS)、CdTe 和无定形硅。其他实施例还包括其他吸收层材料。
[0059]其他实施例通过提供合成物的合适均匀性的不同技术来形成吸收层。例如，可以在加热到在400°C至600°C的范围内的温度之后，通过化学汽相沉积(CVD)来共同蒸发并同时释放(deliver) Cu、In、Ga和Se2。在其他实施例中，首先释放Cu、In和Ga，然后在400°C至600°C的范围内的温度下吸收层在Se环境中进行退火。
[0060]在一些实施例中，吸收层130的厚度为约0.3 μ m至约8 μ m。
[0061]在一些实施例中，缓冲层可以是由CdS、ZnS、In2S3、In2Se3以及ZrvxMgxCK (例如，ZnO)所构成的组中的一种。可以使用其他合适的缓冲层材料。在一些实施例中，缓冲层140具有的厚度为约Inm至约500nm。
[0062]正面接触层包括第一正面接触层160 (161)和第二正面接触层150 (151)，这两者均形成在缓冲层之上。在多种实施例中，第一正面接触层160 (161)和第二正面接触层150 (151)可以由表1所列出的任何材料形成,并且掺杂有对应于表1中的每种材料的掺杂物中的任一种。
[0063]表1
[0064]
【权利要求】
1.一种太阳能电池，包括: 背面接触层； 吸收层，位于所述背面接触层上； 缓冲层，位于所述吸收层上；以及 正面接触层，位于所述缓冲层之上，所述正面接触层具有第一部分和第二部分，其中，所述正面接触层的所述第一部分和所述第二部分在由厚度和掺杂浓度所构成的组中的一个方面相互不同。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述正面接触层的所述第二部分的面积大于所述第一部分的面积。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第一部分位于所述太阳能电池的互连结构区域中，并且所述第二部分的50%以上的面积位于所述太阳能电池的所述互连结构区域的外部，并且所述正面接触层的所述第二部分的掺杂浓度低于所述第一部分的掺杂浓度。
4.一种太阳能电池，包括: 背面接触层； 吸收层，位于所述背面接触层上； 缓冲层，位于所述吸收层上；以及 第一正面接触层，位于所述缓冲层之上，所述第一正面接触层具有第一掺杂浓度；以及第二正面接触层，位于所述缓冲层的一部分之上，所述第二正面接触层覆盖的面积小于所述第一正面接触层覆盖的面积，所述第二正面接触层的第二掺杂浓度不同于所述第一掺杂浓度。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述第一正面接触层的掺杂浓度低于所述第二正面接触层的掺杂浓度，并且所述第一正面接触层形成在所述第二正面接触层上。
6.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述第一正面接触层的掺杂浓度低于所述第二正面接触层的掺杂浓度，并且所述第二正面接触层形成在所述第一正面接触层上。
7.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，所述第一正面接触层的掺杂浓度在I X 1012atoms.cnT3到5X102°atoms.cnT3之间，并且所述第二正面接触层的掺杂浓度在IX 1017atoms.cm 3 到 8X 1022atoms.cm 3 之间。
8.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中: 所述太阳能电池具有包括多条划线的互连结构；以及 所述第二正面接触层形成在与所述多条划线垂直地延伸的一个或多个区域中。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中，所述第二正面接触层具有连接至所述一个或多个区域并且远离所述一个或多个区域进行延伸的至少一个附加区域。
10.一种制造太阳能电池的方法，包括: 在基板上形成背面接触层； 在所述背面接触层上形成吸收层； 在所述吸收层上形成缓冲层；以及 在所述缓冲层之上形成第一正面接触层；以及 在部分所述缓冲层之上形成第二正面接触层，所述第二正面接触层覆盖的面积小于所述 第一正面接触层的面积。
【文档编号】H01L31/0224GK104051551SQ201310306356
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】程子桓, 蔡明典 申请人:台积太阳能股份有限公司