[发明专利]经掺杂光伏半导体层及制造方法

说明书

提供在光伏器件中掺杂多晶薄膜半导体材料的结构和方法。实施方案包括用于形成和处理光伏半导体吸收层的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月24日提交的美国临时专利申请号62/463,579的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。

背景

光伏器件通过用显示光伏效应的半导体材料使光转换成直流电来产生电力。当光吸收通过光伏效应使载流子、电子或空穴激发到更高的能态时，光伏器件产生电流。当载流子移到更高的能态时，例如，当电子从价带激发到导带时，需要极小的活化能以克服带隙和移动载流子，以传导电流。半导体电导率与载流子迁移率和载流子浓度的乘积成正比。

掺杂剂用于光伏器件的半导体材料，以调节费米能级，并增加载流子浓度。向半导体加入掺杂剂可用于产生主要具有负、n-型或正、p-型载流子的材料。

在CdTe基光伏器件中，与材料的带隙相关的相对较低的开路电压(Voc)部分是由于CdTe中低的多数载流子浓度和短的少数载流子寿命。通过用p型掺杂剂掺杂可改善CdTe的有效载流子浓度。限制CdTe太阳能电池器件效率的其它问题包括CdTe的高功函和在CdTe与金属基背接触层之间界面处的高背接触电阻。通过在背界面增加多数载流子浓度，可改善背接触电阻。例如，对于p-型CdTe材料，增加载流子浓度相当于增加CdTe材料中的p-型载流子，以在CdTe层的背侧形成“欧姆接触层”，该层与背接触层接触。

虽然掺杂剂在某种程度上已成功地调节费米能级并增加载流子浓度，但还发现一些掺杂剂促使器件降级，在操作条件下迁移，促使载流子复合，或产生比预料更少的移动载流子。

例如，已将铜用于p-掺杂型II-VI半导体材料，例如CdTe。铜掺杂剂非常易动，并随时间在偏压下迁移。铜掺杂剂不保持固定在多晶薄膜的晶格中。通过这些机制，掺杂剂可能不利地影响器件的寿命、长期稳定性和性能。

用于多晶CdTe的p-掺杂剂有三种潜在的类型：用单受体金属例如铜或银取代Cd；Cd位点的空位；和用V族元素取代Te。如在美国专利公布号2012/0042950中讨论，用V族元素取代Te已被认为几乎是不可能的，因为Te取代在热力学上比Cd取代不利。另外，与Te比较，Cd的更高蒸气压导致Cd在光伏器件制造中所用的高温处理条件下更容易从膜蒸发，形成富含Te且Cd不足的膜。因此，在光伏堆叠体中的多晶CdTe薄膜中用V族元素可靠地取代Te一直是无法实现的。

在有效且稳定的器件中有效掺杂CdTe和CdTe合金以达到所需的移动p-型载流子浓度一直是个挑战。另一个挑战是用可缩放且成本有效的制造过程制造此类器件。因此，期望提供改进的光伏器件和形成经掺杂半导体材料的方法。

附图简述

在附图中阐述的实施方案在本质上为说明性和示例性，并且不旨在限制由权利要求限定的主题。在结合以下附图阅读时，可理解以下说明性实施方案的详述，其中相似的结构用相似的参考数字表示。

图1描绘在光伏器件的一个实施方案中功能层的示意图。

图2描绘根据本公开的一个实施方案形成和处理光伏器件的吸收层的示例性方法。

图3描绘在部分形成的器件中光伏堆叠体的功能层的示意图。

图4为显示根据本公开的一个实施方案制造光伏器件的示例性过程的流程图，包括形成和处理半导体层。

图5显示利用和不利用预处理的吸收膜的拉曼光谱。

图6显示利用和不利用预处理的吸收膜的归一化光致发光(PL)强度值的绘图。

图7显示利用和不利用预处理的吸收膜的按波长的归一化量子效率(QE)。