[发明专利]薄膜光电池、制造方法及应用

说明书

发明领域

本发明一般涉及光电池。它涉及形成光电池关键工作部分的半导体层结构。更具体而言，本发明专注于碲化镉(CdTe)基光电池，尤其是n型半导体层，即，所谓的这种电池的窗口层(window layer)。

发明背景

光电池被用于各种应用中，以将电磁辐射转换成电能。光电池工业和行业中的一个具体领域是利用阳光作为主要能源的太阳能电池领域。

光电池在本文中一般意为半导体基组件，其通过光电效应将入射电磁辐射转换成电能。本文所论述类型的光电池的简化的基本结构通常包括第一导电型半导体材料的窗口层和第二导电型半导体材料的吸收层。pn结(pn junction)位于这两个不同类型半导体层之间的界面处。能量低于窗口层材料带隙能（band gap energy）的入射光的光子通过窗口层穿透到吸收层。在吸收层中，能量等于或大于吸收层材料带隙能的光子被吸收，因而激发电子从价带到达导带。以这种方式产生的自由电荷载体然后通过与pn结的不同面连接的电极装置被收集。

在光电池发展中的一个有前景的技术趋势是薄膜电池领域。在薄膜光电池中，认识到装置的半导体层为薄层，其厚度在几纳米到几十微米的范围内。

一般，薄膜光电池以及光电池通常根据吸收层材料被分类。最广泛使用的薄膜吸收层材料是非晶形硅Si、碲化镉CdTe和铜铟镓硒CIGS。那些材料中的每一种均确定一种分立的电池类型，因而形成不相关连的技术领域，其特有特征不同于其它电池类型的领域。这些不同技术之间的差异不仅在于实际的吸收层材料和其它材料以及电池的详细工作，还在于所需要的并最适于生产光电池的制造工艺和生产设备。这意味着被配置来生产一种类型电池的生产工厂并不能直接转变用于制造一些其它电池类型。这通常迫使薄膜光电池生产商仅选择这些技术中的一种。

在上述电池类型中，CdTe电池现今常常被看作前沿技术。这是基于整体考虑，不仅专注于设备性能(例如，已知CIGS薄膜电池可比CdTe基电池提供更高的功效)，而且还考虑与例如制造成本有关的制造观点。

在CdTe薄膜电池中，n型窗口材料为硫化镉CdS，根据在本领域中的既定理解，硫化镉CdS实际上是用于CdTe电池的唯一合适的n型材料。这两种材料形成良好的pn结，并且，从制造观点上看，它们也彼此相容。CdTe/CdS电池在很长时间中处于集约发展，最近几年，最集约化的发展专注于优化CdTe的掺杂和背电极结构以及专注于制造。结果，CdTe/CdS电池技术的状态现在达到30%的最大理论功效的约一半。

然而，存在一个与CdS有关的悉知问题。CdS的带隙能为2,4eV，其相当于520nm的波长。因此，该值以下的波长在窗口层中被吸收，因而并不对由光电池产生的电流有贡献。这在例如将太阳辐射转换成电能的太阳能电池中是个重要问题。

缓解上述问题的一个已知方法是利用较小的CdS层厚度。厚度越小，波长低于所述界限值的辐射能经过CdS层的比例越高。然而，随着CdS层变薄，出现的另一个问题是可能的小孔形成，其在CdTe和通常存在于CdS上的上部透明导电氧化物TCO电流收集层之间产生局部化的连接。在CdTe和TCO之间的这些类型的直接接触点会使装置性能严重恶化。

发明目的

本发明的目的是提供新的高效光电池结构。

发明概述

本发明以权利要求1、3和5所呈现的为特征。

根据本发明一个方面的薄膜光电池包括n型半导体窗口层、p型半导体吸收层和位于这两个层之间的界面处的pn结，其中p型半导体吸收层由碲化镉CdTe形成。

“薄膜光电池”在本文中意为这样的光电池结构，其中装置的关键工作部件，像窗口层和吸收层，被理解为一叠薄的、基本上平面的膜，其厚度在几纳米到几十微米的范围内。“窗口层”意为在入射辐射面的层，通过该层，具有能量低于窗口层材料带隙能的光子的入射辐射传播到吸收层。在由CdTe形成的、具有较窄带隙的吸收层中，能量等于或超出CdTe带隙能的光子通过将其能量传递给CdTe的电子而被吸收，因而在结构中产生自由电荷载体作为电子空穴对。