具有背面反射体的光伏器件的制作方法

本发明总的来说涉及光伏器件，更具体地，涉及用于提高薄膜太阳能电池的性能的背面反射体。

背景技术：

薄膜太阳能电池，也被称为薄膜光伏电池，其用于将光能直接转换成电能。薄膜太阳能电池的制造包括依次在衬底之上沉积一个或多个薄膜层的步骤。典型的薄膜太阳能电池包括正面接触层、缓冲层、吸收层、背面电极层和衬底。

正面接触层，也叫做顶部接触层或窗口层，其通常是具有抗反射涂层的n型透明导电氧化物层。缓冲层通常是n型层，而吸收层通常是p型层。吸收层可以是“基于cigs”的吸收层，其中，“cigs”一般是指铜铟镓硒或cu(in,ga)se2。背面电极层通常为金属且通常包括钼(mo)。衬底通常由玻璃、塑料或金属箔制成。在具有金属箔衬底的薄膜太阳能电池中，背面电极层可以省去，因为衬底起着背面电极层的作用。

当来自太阳光的光子经过薄膜太阳能电池时，在光敏吸收层中产生电子空穴对。由于在缓冲层-吸收层结内的内建电场，使得它们可以分开。由此产生的空穴和电子分别由背面电极和顶部接触层收集，从而产生光电流。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种光伏器件，包括：衬底；背面电极层，形成在衬底之上；背面反射体，形成在背面电极层之上；吸收层，形成在背面电极层和背面反射体之上；缓冲层，形成在吸收层之上；以及正面接触层，形成在缓冲层之上。

优选地，背面反射体形成为多条平行线。

优选地，背面反射体形成为网格结构。

优选地，背面反射体由具有1.2和3.0之间的折射率的第一反射体材料形成。

优选地，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上。

优选地，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率。

优选地，第一反射体材料的折射率介于1.5和4.5之间，而第二反射体材料的折射率介于1.2和2.5之间。

优选地，形成背面反射体的至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料的每一层的深度介于30nm和300nm之间。

优选地，背面反射体对于背面电极层的表面积的覆盖率介于20％和90％之间。

优选地，使用掩模通过溅射形成背面反射体。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成光伏器件的方法，包括：在衬底之上形成背面电极层；在背面电极层之上形成包括多条平行线的背面反射体；在背面电极层和背面反射体之上形成吸收层；在吸收层之上形成缓冲层；以及在缓冲层之上形成正面接触层。

优选地，背面反射体形成为网格结构。

优选地，背面反射体由具有1.2和3.0之间的折射率的第一反射体材料形成。

优选地，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上。

优选地，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率。

优选地，第一反射体材料的折射率介于1.5和4.5之间，而第二反射体材料的折射率介于1.2和2.5之间。

优选地，形成背面反射体的至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料的每一层的深度介于大约30nm和300nm之间。

优选地，背面反射体对于背面电极层的表面积的覆盖率介于20％和90％之间。

优选地，使用掩模通过溅射形成背面反射体。

根据本发明的又一方面，提供了一种光伏器件，包括：衬底，包括玻璃、塑料或金属箔；背面电极层，位于衬底之上；背面反射体，位于背面电极层之上且覆盖背面电极层的表面积的20％到90％，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上，其中，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率；吸收层，位于背面电极层和背面反射体之上；缓冲层，位于吸收层之上；以及正面接触层，形成在缓冲层之上。

附图说明

当结合附图阅读下面详细的说明书时，可最佳理解本发明。应该强调，根据普遍实践，各个部件没有必要按比例绘制。与此相反，为了清楚起见，各个部件的尺寸可任意扩大或减小。贯穿说明书和附图，相同的数字表示相同的部件。

图1是根据本发明的一些实施例的具有背面反射体的薄膜太阳能电池的简化框图。

图2是根据本发明的一些实施例的具有背面反射体的薄膜太阳能电池的简化框图。

图3是根据本发明的一些实施例的包括背面反射体的多条线的俯视图。

图4a是根据本发明的一些实施例的背面反射体的单条线的截面图的简化框图。

图4b是根据本发明的一些实施例的形成在背面电极层与吸收层之间的背面反射体的截面图的简化框图。

图5是根据一些实施例的方法的流程图。

图6是比较具有和不具有背面反射体的钼背面电极层的光反射系数的初步实验数据的曲线图。

具体实施方式

本示例性实施例的说明书旨在结合附图进行阅读，附图被认为是整个书面说明书的一部分。在说明书中，诸如“下部”、“上部”、“水平的”、“垂直的”、“在…之上”、“在…之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相关术语应该解释为是指讨论的附图中所描述或所示的方位。这些相关术语是为了方便说明，而不要求装置以特定的方位进行构造或操作。除非另有明确描述，诸如“连接”和“互连”的关于连接、耦合等的术语，是指结构间直接或通过介入结构间接地彼此固定或连接的关系以及两个都是可移动的或刚性的连接或关系。

当进入薄膜太阳能电池的光子的能量大于光吸收层的能带隙时，很多光子被电池吸收。然而，进入薄膜太阳能电池的光子的不可忽视的部分未被电池吸收而到达背面电极层。这些光子反射回吸收层，潜在地创造更多的电能或为背面电极层所吸收。

由钼(mo)制作的背面电极层反射光子的能力较差。在基于cigs的吸收层的形成期间引入硒原子使得在背面电极层的表面上产生硒化钼(mose2)，其进一步减小了背面电极层反射光子的能力。

本发明提供了背面反射体，其配置在背面电极层和吸收层之间以提高薄膜太阳能电池中的光子反射。本发明公开了一种提高薄膜太阳能电池中的光子反射的方法，该方法包括在衬底上依次沉积包括背面反射体层的薄膜层以形成薄膜太阳能电池。

提高背面电极层的反射率引起更多的光子反射回吸收层并转换为电能。因此，提高背面电极层的反射率提高了薄膜太阳能电池的效率。

图1是根据本发明的一些实施例的薄膜太阳能电池100的截面图的简化框图。正面接触层101，也叫做顶部接触层或窗口层，其通常是具有抗反射涂层的n型透明导电氧化物(tco)以防止太阳光光子从薄膜太阳能电池100的表面反射出来。正面接触层101可包括单层或多层。用于正面接触层101的合适材料的实例包括但不限于诸如氧化铟锡(ito)、氟掺杂氧化锡(fto)、铝掺杂氧化锌(azo)、镓掺杂zno(gzo)、铝和镓共掺杂zno(agzo)、硼掺杂zno(bzo)和它们的任何组合的透明导电氧化物。用于正面接触层101的合适材料也可以是包括透明导电氧化物(tco)的至少一种和另一种导电材料的复合材料，另一种导电材料不显著降低正面接触层101的电导率或光学透明性。正面接触层101的厚度大约是纳米级或微米级，例如，在一些实施例中，正面接触层101的厚度介于大约0.3nm和大约2.5μm之间。

缓冲层103通常是n型层。在一些实施例中，缓冲层103由cds、zns、zno、in2s3、in2se3、zn1-xmgxo或znse形成。可以使用其他合适的缓冲层材料。缓冲层103的厚度大约为纳米级，例如，在一些实施例中，缓冲层103的厚度介于大约5nm和大约100nm之间。

在一些实施例中，缓冲层103通过诸如溅射或化学气相沉积的合适工艺形成。例如，在一些实施例中，缓冲层103是通过溶液中的水热反应或化学浴沉积(cbd)沉积的cds、zns或cds和zno的混合物的层。例如，在一些实施例中，包括zns薄膜的缓冲层103形成于包括“基于cigs”的吸收层的吸收层105之上，其中，“cigs”一般是指铜铟镓硒或cu(in,ga)se2。缓冲层103形成于80摄氏度的包括znso4、氨和硫脲的水溶液中。在一些实施例中，合适的溶液包括0.16m的znso4、7.5m的氨和0.6m的硫脲。

结104形成于缓冲层103和吸收层105之间。

吸收层105通常是p型层。在一些实施例中，吸收层105是“基于cigs”的吸收层。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)溅射吸收层105。在一些其他实施例中，首先溅射cuga材料以形成一个金属前体层，然后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，同时或以交替的方式溅射cuga材料和基于铟的材料。

在其他实施例中，吸收层105包括铜(cu)、镓(ga)、铟(in)、铝(al)、硒(se)、硒化物(s)或它们的组合。在其他一些实施例中，吸收层105包括不同的材料，诸如cuinse2(cis)、cugase2(cgs)、cu(in,ga)se2(cigs)、cu(in,ga)(se,s)2(cigss)、cdte和非晶硅。其他实施例包括其他吸收层材料。

在另一个实施例中，吸收层105通过提供成分的适当均匀性的不同技术形成。例如，可通过化学气相沉积(cvd)共蒸且同时释放cu、in、ga和se2，然后加热至介于400℃和600℃之间的温度。在其他实施例中，首先释放cu、in和ga，然后在介于400℃和600℃之间的温度下在se气体中对吸收层进行退火。

在其他实施例中，吸收层105使用诸如化学气相沉积、印刷、电沉积等的方法形成。

吸收层105的厚度大约是纳米级或微米级，例如，从大约0.2μm到大约10μm。在一些实施例中，吸收层105的厚度从大约200nm到大约3μm。在一些实施例中，吸收层105的厚度为大约1微米或更大。

背面电极层107，也叫做背面接触或底部接触层，其通常是含金属的且通常包括钼(mo)或钼复合物。其他实施例包括代替mo的诸如pt、au、ag、ni或cu的其他合适的背面接触材料。例如，在一些实施例中，提供了铜或镍的背面电极层107，在其之上可形成碲化镉(cdte)吸收层105。背面电极层107的厚度大约为纳米级或微米级，例如，在一些实施例中，背面电极层107的厚度介于大约100nm和大约20μm之间。

衬底109通常由玻璃、塑料或金属箔制成。在具有金属箔衬底109的薄膜太阳能电池100中，由于衬底109起着背面电极层107的作用，所以背面电极层107可以省去。将参照图2进一步描述这个实施例。

当来自太阳光的光子经过薄膜太阳能电池100时，在吸收层105中产生电子空穴对。由于结104的形成，电子空穴对通过内建电场分开。电子通过n型正面接触层101收集；空穴通过背面电极层107收集。

背面反射体111配置在吸收层105内且邻近背面电极层107。背面反射体111是用于总体描述形成在背面电极层107顶部的多条线113的术语，使得第一面117与背面电极层107接触。然后吸收层105形成在背面电极层107和背面反射体111的顶部上，使得多条线113的每条线的第二面118、第三面115和第四面116与吸收层105接触。背面反射体111的厚度大约为纳米级或微米级，例如，从大约0.1μm到大约2μm。在一些实施例中，背面反射体111的厚度介于100nm和500nm之间。

图2是根据本发明的一些实施例的可选的薄膜太阳能电池200的截面图的简化框图。可选的薄膜太阳能电池200具有由金属箔形成的衬底109。金属箔衬底109起着衬底109和电导体的作用，省去了对背面电极层107的需要。因此，背面反射体111配置在吸收层105内且邻近衬底109。

图3是根据本发明的一些实施例的构成背面反射体111的多条线113的俯视图。多条线113作为平行于第一轴a且互相平行的多条平行线113形成在背面电极层107的表面上。在图3中，线113示出为阴影区，而在下面的背面电极层107示出为非阴影区。

在一些实施例中，添加平行于第二轴的额外的线113，其中，第一轴a和第二轴b互相垂直或互相不平行以产生用于背面反射体111的网眼或网格结构。

在形成多条线113的材料的沉积期间，可使用掩模或遮掩物以产生多条平行线113。在一些实施例中，使用掩模将反射体材料溅射到背面电极层107的表面上。在其他实施例中，使用掩模通过汽相沉积将反射体沉积到背面电极层107的表面上。

背面反射体111形成在多条平行线113中以允许提高反射率，同时保证吸收层105与背面电极层107之间保持直接接触，从而最小化对背面电极层107处的空穴收集的妨碍。

在一些实施例中，通过调整多条线113中的一条或多条的宽度(w)来调整背面反射体111对吸收层105的覆盖率。覆盖率应该最大化薄膜太阳能电池100的反射率，同时也对薄膜太阳能电池100的电气性能具有最小或可接受的影响。增加多条线113中的一条或多条的宽度(w)将增加薄膜太阳能电池100的电阻，导致电气性能的下降。在一些实施例中，背面反射体111对吸收层105的覆盖率介于20％和90％之间。在一些实施例中，背面反射体111对吸收层105的覆盖率介于50％和80％之间。

图4a是根据本发明的一些实施例的背面反射体111的单条线113的简化框图。在一些实施例中，线113由至少一层第一反射体材料402和至少一层第二反射体材料404形成。在一些实施例中，使用第一反射体材料402和第二反射体材料404以外的额外材料。

在一些实施例中，一些或所有线113包括单层第一反射体材料402和单层第二反射体材料404，从而形成材料对，其被表示为p。在一些实施例中，一些或所有线113包括多个材料对p。

选择第一反射体材料402和第二反射体材料404以获得高光子反射率。在一些实施例中，基于折射率选择第一反射体材料402和第二反射体材料404，其中，折射率衡量光通过材料传播的方式。通过选择具有更高或更低折射率的材料作为第一反射体材料402和第二反射体材料404，可以调整在不同光波长下的背面反射体111的反射率。

在一些实施例中，第一反射体材料402的折射率介于1.5和4.5之间。在一些实施例中，第二反射体材料404的折射率介于1.2和2.5之间。

基于选择用于第一反射体材料402和第二反射体材料404的材料，可以调整第一反射体材料402和第二反射体材料404的每层的深度(d)以提高反射率。在一些实施例中，第一反射体材料402和第二反射体材料404的每层的深度(d)介于30nm和300nm之间。

在一些实施例中，第一反射体材料402为具有3.6的折射率的硅(si)，且第二反射体材料404为具有1.46的折射率的氧化硅(siox)。

在一些实施例中，背面反射体111的线113只在厚度介于30nm和2000nm之间的层中由具有1.2和3.0之间的折射率的第一反射体材料402形成。

图4b是根据本发明的一些实施例的配置在背面电极层107与吸收层105之间的背面反射体111的截面图的简化框图。第二反射体材料404形成为与背面电极层107接触。第一反射体材料402添加到第二反射体材料404的顶部。在图4b所示的实施例中，线113包括单层第一反射体材料402和单层第二反射体材料404，从而形成材料对，其被表示为p。

在一些实施例中，图4b中未示出，背面反射体111由多个材料对p形成。额外的第一反射体材料402和第二反射体材料404层随后添加到与背面电极层107接触的第二反射体材料404的起始层之上。

薄膜太阳能电池100通过在衬底109上依次沉积薄膜层形成。通过包括化学沉积或诸如溅射的物理沉积的任何合适方法可以在衬底109上沉积薄膜层。本发明还提供了形成具有背面反射体111的薄膜太阳能电池100的方法。

图5是根据本发明的一些实施例的方法500的流程图。

在方法500从方框502开始之后，在方框504中，背面电极层107形成在衬底109之上。在一些实施例中，钼背面电极层107通过溅射形成在衬底109上。

在方框506中，包括多条线113的背面反射体111作为多条平行线113形成在背面电极层107之上。在一些实施例中，该步骤包括在背面电极层107上溅射第一层第二反射体材料404并在第一层第二反射体材料404上溅射第二层第一反射体材料402，其中，用于形成第一层和第二层的反射体材料具有互不相同的折射率。

在方框508中，在背面电极层107和背面反射体111之上形成吸收层105。

在方框510中，在吸收层105之上形成缓冲层103。在方框512中，在缓冲层103之上形成正面接触层101，该工艺在方框514结束。

图6是比较具有和不具有背面反射体111的钼背面电极层107的光反射系数的实验数据的曲线图。背面反射体包括作为第一反射体材料402的si和作为第二反射体材料404的siox。为了光学测量的特定目的，背面反射体完全覆盖背面电极层。对于没有背面反射体111的钼背面电极层107，光子波长在400nm和1200nm之间的太阳光光子反射率介于大约50％和大约65％之间。然而，对于具有背面反射体111的钼背面电极层107，在光子波长介于750nm和1200nm之间的反射率上升至80％以上之前，太阳光光子反射率在大约580nm的光子波长处降至20％以下。因此，图6示出了在钼背面电极层107上引入背面反射体111而实现的太阳光光子反射率的潜在增益。

上面描述的具有背面反射体的薄膜太阳能电池具有若干优势。第一，背面反射体提供的改进的光子反射率引起太阳能电池中更多太阳光光子的吸收。这产生了更加高效的太阳能电池，对于不变的太阳光输入，具有更大的电力输出。

第二，改进的反射率可允许制造者减小吸收层的深度，这可以减少太阳能电池的制造成本。可以减小吸收层的深度以产生完全耗尽的电池。在完全耗尽的电池中，整个吸收层位于由缓冲层和吸收层形成的pn结的耗尽区内。耗尽区是具有用于有效分离电子空穴对的内建电场的区域，因为没有使用额外的或不必要的吸收材料，所以具有与耗尽区的深度相配的深度的吸收层有效利用了吸收材料。在一些实施例中，吸收层的深度为大约1μm时产生完全耗尽的电池。

此外，通过使用多条平行线，背面反射体基本上没有不可接受地干扰太阳能电池的电气性能。通过在背面反射体的沉积期间使用金属掩模，线结构易于制造，因此包含背面反射体应该基本上不影响制造成本。

虽然在此描述和示出了实例，但是实施例不限于示出的细节，因为在权利要求的等效物范围内，本领域一般技术人员可作出各种改变和结构变化。虽然本发明针对薄膜太阳能电池，但是背面反射体还可以应用于其他类型的太阳能电池、其他光伏系统和装置以及其他半导体或光学器件。

在一些实施例中，一种光伏器件包括衬底、形成在衬底之上的背面电极层、形成在背面电极层之上的背面反射体、形成在背面电极层和背面反射体之上的吸收层、形成在吸收层之上的缓冲层以及形成在缓冲层之上的正面接触层。在一些实施例中，背面反射体形成为多条平行线。在一些实施例中，背面反射体形成为网格结构。在一些实施例中，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上。在一些实施例中，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率。在一些实施例中，第一反射体材料的折射率介于1.5和4.5之间，而第二反射体材料的折射率介于1.2和2.5之间。在一些实施例中，形成背面反射体的至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料的每一层的深度介于30nm和300nm之间。在一些实施例中，背面反射体覆盖了背面电极层的表面积的20％到90％。在一些实施例中，背面反射体覆盖了背面电极层的表面积的50％到80％。在一些实施例中，背面反射体使用掩模通过溅射形成。在一些实施例中，背面反射体使用掩模通过化学气相沉积形成。

在一些实施例中，一种在衬底上形成光伏器件的方法包括：在衬底之上形成背面电极层；在背面电极层之上形成包括多条平行线的背面反射体；在背面电极层和背面反射体之上形成吸收层；在吸收层之上形成缓冲层；以及在缓冲层之上形成正面接触层。在一些实施例中，背面反射体形成为网格结构。在一些实施例中，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上。在一些实施例中，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率。在一些实施例中，第一反射体材料的折射率介于1.5和4.5之间，而第二反射体材料的折射率介于1.2和2.5之间。在一些实施例中，形成背面反射体的至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料的每一层的深度介于大约30nm和300nm之间。在一些实施例中，背面反射体覆盖了背面电极层的表面积的20％到90％。在一些实施例中，背面反射体覆盖了背面电极层的表面积的50％到80％。在一些实施例中，背面反射体使用掩模通过溅射形成。在一些实施例中，背面反射体使用掩模通过化学气相沉积形成。

在一些实施例中，一种光伏器件包括：包含玻璃、塑料或金属箔的衬底；在衬底之上的背面电极层；在背面电极层之上且覆盖背面电极层的表面积的20％到90％的背面反射体，背面反射体由至少一层第一反射体材料和至少一层第二反射体材料形成，第二反射体材料形成为与背面电极层接触，且第一反射体材料形成在第二反射体材料之上，其中，第一反射体材料的折射率大于第二反射体材料的折射率；在背面电极层和背面反射体之上的吸收层；在吸收层之上的缓冲层；以及形成在缓冲层之上的正面接触层。

虽然在此描述和示出了实例，但是实施例不限于示出的细节，因为在权利要求的等效物范围内那些一般技术人员可作出各种改变和结构变化。