[发明专利]光伏设备和制造方法

说明书

公开PV吸收剂的表面清洁和钝化的方法，例如可用于太阳能电池的CdTe基材，以及通过这些方法制备的设备。在一些实施方案中，该方法包括阳极层离子源(ALIS)等离子体放电过程以清洁和氧化CdTe表面以在CdTe层和随后的背接触层之间产生薄氧化物层。

领域

本发明涉及可用于光伏设备的表面清洁和钝化半导体材料，例如CdTe的领域。

背景

光伏结构通过使用表现出光伏效应的半导体材料将光转换成直流电来产生电功率。当光子、能量包被吸收在半导体材料内以将电子激发到更高能态，留下空状态(“空穴”)时，光伏效应在暴露于光时产生电功率。因此，这些激发的电子和空穴能够在材料内自由地传导和移动。

光伏结构的基本单元通常称为电池，可以仅产生小规模的电功率。因此，多个电池可以电连接以聚集在更大的集成设备(称为模块或面板)内的多个电池之间产生的总功率。光伏模块可以进一步包括保护背层和密封剂材料以保护所包含的电池免受环境因素。多个光伏模块或面板可以组装在一起以形成光伏系统或阵列，其能够产生高达与其他类型的公用事业规模发电厂相当的水平的显著电功率。除了光伏模块外，公用事业规模的阵列将进一步包括安装结构，包括逆变器、变压器和其他控制系统的电气设备。考虑到各种级别的设备，从单个电池到包含多个模块的公用事业规模阵列，光伏效应的所有这些实施可以包含一个或多个光伏结构以实现能量转换。

为了从太阳光产生功率，光伏结构或设备的有源区域通常包括两个不同区域的结，一个在另一个上方且每个区域包含一种或多种材料，其中每种材料可以进一步包含加入的杂质。结果是光伏设备中的一个区域是n型，具有过量的带负电的电子，而另一个是p型，具有过量的带正电的空穴。在典型的CdS/CdTe太阳能电池中，对于n型CdS区域，这些区域通常被称为窗口层，且对于p型CdTe区域，这些区域通常被称为吸收剂层。这些区域可以由不同的材料制成，掺杂或不掺杂；或由与掺杂剂相同的材料制成来产生p型和n型区域。在这两个区域彼此邻接的情况下，形成p-n结。窗口层优选尽可能薄，以允许最大量的光到达吸收剂层，但是它还需要足够厚以保持与吸收剂层的稳固的p-n结并防止分流。

当光子在p-n结附近产生自由电子和空穴(统称为电荷载流子)时，结的内部电场导致电子朝向结的n侧移动且空穴朝向p侧移动从而产生电荷电势。与窗口层电连接的前接触和与吸收剂层电连接的背接触可以提供通路，通过该通路，电荷电势可以流动以变成电流。电子可以通过外部电流路径或电路流回到p侧。

当在半导体材料内移动时，移动电子和空穴可以重组，这减少可用于在设备内产生电流的电荷载流子的总数并降低整体转换效率。效率是指与在设备上入射的光子的等效能量相比，由PV设备产生的电功率或能量。制造光伏设备的关键目标是提高获得的实际效率，以接近最大或“标称”转换效率。

CdTe太阳能电池技术中的一个重要问题是在p-CdTe层上形成有效且稳定的欧姆接触。但是，由于两个主要原因，难以实现p型半导体上的欧姆接触：(1)因为吸收剂的结晶结构和制造过程可能留下与金属接触不完全相容的表面；和(2)因为金属接触的功函数应当高于半导体材料的功函数或可以形成Schottky势垒。在光伏设备的半导体层上沉积或形成背接触层之前，可能需要从半导体层除去表面污染。例如，表面污染包括半导体层的氧化、烃和/或碳酸盐和/或其他有机和无机污染物在半导体层上的吸收。在半导体层上形成的污染物可能不利地影响半导体层和背接触层之间的界面。半导体层和背接触层之间的不良界面可能对光伏设备具有不期望的影响，特别是对V_oc和R_oc。从半导体层的表面除去污染物的已知方法可能对形成半导体层的晶体的晶界和/或晶格结构产生负面影响。将需要开发一种更有效的方法以在沉积或形成背接触层之前从半导体层和光伏设备除去表面污染物，以改进光伏设备的性能。