[發明專利]薄膜光電池、制造方法及應用

有效

• 申請號: 201080058546.2
• 申請日: 2010-12-22
• 公開（公告）號: CN102742033A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: J·史卡波
• 申請（專利權）人: 貝尼科公司
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;H01L31/072
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;劉明

發明領域

本發明一般涉及光電池。它涉及形成光電池關鍵工作部分的半導體層結構。更具體而言，本發明專注于碲化鎘(CdTe)基光電池，尤其是n型半導體層，即，所謂的這種電池的窗口層(window?layer)。

發明背景

光電池被用于各種應用中，以將電磁輻射轉換成電能。光電池工業和行業中的一個具體領域是利用陽光作為主要能源的太陽能電池領域。

光電池在本文中一般意為半導體基組件，其通過光電效應將入射電磁輻射轉換成電能。本文所論述類型的光電池的簡化的基本結構通常包括第一導電型半導體材料的窗口層和第二導電型半導體材料的吸收層。pn結(pn?junction)位于這兩個不同類型半導體層之間的界面處。能量低于窗口層材料帶隙能（band?gap?energy）的入射光的光子通過窗口層穿透到吸收層。在吸收層中，能量等于或大于吸收層材料帶隙能的光子被吸收，因而激發電子從價帶到達導帶。以這種方式產生的自由電荷載體然后通過與pn結的不同面連接的電極裝置被收集。

在光電池發展中的一個有前景的技術趨勢是薄膜電池領域。在薄膜光電池中，認識到裝置的半導體層為薄層，其厚度在幾納米到幾十微米的范圍內。

一般，薄膜光電池以及光電池通常根據吸收層材料被分類。最廣泛使用的薄膜吸收層材料是非晶形硅Si、碲化鎘CdTe和銅銦鎵硒CIGS。那些材料中的每一種均確定一種分立的電池類型，因而形成不相關連的技術領域，其特有特征不同于其它電池類型的領域。這些不同技術之間的差異不僅在于實際的吸收層材料和其它材料以及電池的詳細工作，還在于所需要的并最適于生產光電池的制造工藝和生產設備。這意味著被配置來生產一種類型電池的生產工廠并不能直接轉變用于制造一些其它電池類型。這通常迫使薄膜光電池生產商僅選擇這些技術中的一種。

在上述電池類型中，CdTe電池現今常常被看作前沿技術。這是基于整體考慮，不僅專注于設備性能(例如，已知CIGS薄膜電池可比CdTe基電池提供更高的功效)，而且還考慮與例如制造成本有關的制造觀點。

在CdTe薄膜電池中，n型窗口材料為硫化鎘CdS，根據在本領域中的既定理解，硫化鎘CdS實際上是用于CdTe電池的唯一合適的n型材料。這兩種材料形成良好的pn結，并且，從制造觀點上看，它們也彼此相容。CdTe/CdS電池在很長時間中處于集約發展，最近幾年，最集約化的發展專注于優化CdTe的摻雜和背電極結構以及專注于制造。結果，CdTe/CdS電池技術的狀態現在達到30%的最大理論功效的約一半。

然而，存在一個與CdS有關的悉知問題。CdS的帶隙能為2,4eV，其相當于520nm的波長。因此，該值以下的波長在窗口層中被吸收，因而并不對由光電池產生的電流有貢獻。這在例如將太陽輻射轉換成電能的太陽能電池中是個重要問題。

緩解上述問題的一個已知方法是利用較小的CdS層厚度。厚度越小，波長低于所述界限值的輻射能經過CdS層的比例越高。然而，隨著CdS層變薄，出現的另一個問題是可能的小孔形成，其在CdTe和通常存在于CdS上的上部透明導電氧化物TCO電流收集層之間產生局部化的連接。在CdTe和TCO之間的這些類型的直接接觸點會使裝置性能嚴重惡化。

發明目的

本發明的目的是提供新的高效光電池結構。

發明概述

本發明以權利要求1、3和5所呈現的為特征。

根據本發明一個方面的薄膜光電池包括n型半導體窗口層、p型半導體吸收層和位于這兩個層之間的界面處的pn結，其中p型半導體吸收層由碲化鎘CdTe形成。

“薄膜光電池”在本文中意為這樣的光電池結構，其中裝置的關鍵工作部件，像窗口層和吸收層，被理解為一疊薄的、基本上平面的膜，其厚度在幾納米到幾十微米的范圍內?！按翱趯印币鉃樵谌肷漭椛涿娴膶?，通過該層，具有能量低于窗口層材料帶隙能的光子的入射輻射傳播到吸收層。在由CdTe形成的、具有較窄帶隙的吸收層中，能量等于或超出CdTe帶隙能的光子通過將其能量傳遞給CdTe的電子而被吸收，因而在結構中產生自由電荷載體作為電子空穴對。