本質(zhì)上半透明的太陽能電池及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了本質(zhì)上半透明的光伏電池和組件及其制造方法。制造的關(guān)鍵步驟包括在適當(dāng)?shù)臈l件下使用磁控濺射，超薄半導(dǎo)體吸收物層的淀積，以及透明背接觸的制造。
【專利說明】本質(zhì)上半透明的太陽能電池及其制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2011年3月15日的美國臨時(shí)專利申請序列號(hào)61/465，155的權(quán)益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及光電池及其詳細(xì)層結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及本質(zhì)上半透明的薄膜PV電池的結(jié)構(gòu)以及制造此類器件的方法，包括透射光顏色或者光譜的控制以及反射光顏色或者光譜的控制。
【背景技術(shù)】
[0004]大多數(shù)的光電器件或者太陽能電池是完全不透明的，從而使得入射到電池上的所有光基本上都被電池或者組件吸收。最大化光吸收將使得太陽能電池產(chǎn)生的電力最大化。然而，在某些應(yīng)用中，期望在允許某些光通過器件的布置(諸如窗戶、天窗或者頂棚)中使用PV器件。存在多種這樣的組件結(jié)構(gòu)，其中，已經(jīng)通過間隔開電池以使得光在組件(例如，晶硅組件)中的個(gè)體電池之間通過而獲得某些光透射。也存在其他結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)使用已經(jīng)(諸如通過激光劃片或者化學(xué)刻蝕)去除了某些PV涂層的薄膜PV。這些解決方案具有顯著的缺點(diǎn)，即產(chǎn)生空間上不均勻的光透射，這通常是不期望的。
[0005]存在某些其他的薄膜PV材料，其在沒有這種電池的間隔或者選擇性去除的情況下提供部分光透射。這些是有機(jī)PV (小分子或聚合物)以及染料敏化太陽能電池(DSSC)，其具有相對較窄的在某些光譜區(qū)吸收較強(qiáng)并且在其他光譜區(qū)吸收較弱的吸收帶。這產(chǎn)生了高度著色的光透射以及較低的PV效率，因?yàn)閮H吸收可見光譜的窄帶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明總體上涉及PV電池及其制造方法。更特別地，本發(fā)明涉及這樣的PV電池，該P(yáng)V電池具有足夠薄但是均勻的沒有針孔的吸收物層從而使得其半透明，但是仍然與太陽能電池或者組件同樣地高效。本發(fā)明還指出了與優(yōu)選實(shí)施方式完善配合的適當(dāng)?shù)耐该鞅辰佑|。最后，本發(fā)明還公開了制造這種半透明PV器件的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的薄膜太陽能電池的層結(jié)構(gòu)的側(cè)面立體圖。
[0008]圖2a是在適于超薄PV的條件下淀積的CdTe濺射的SEM顯微照相截面圖。
[0009]圖2b是在不適于超薄PV的條件下淀積的CdTe濺射的SEM顯微照相截面圖。
[0010]圖3是具有等離子體的磁控濺射淀積室的側(cè)視圖。
[0011]圖4是示出通過磁控濺射成長的超薄CdTe太陽能電池的性能的電流密度對比電壓曲線的示圖。
[0012]圖5是示出超薄CdTe太陽能電池的性能參數(shù)的表,性能參數(shù)包括開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)、填充因子和針對氣團(tuán)1.5全局的效率(Eff )。
[0013]圖6是原型單片集成PV組件的正面照片。
[0014]圖7a是使用激光劃線以便最小化死角并且維持清潔的可視外觀的單片互連方案的部分側(cè)視圖。
[0015]圖7b是使用具有Pl劃線的絕緣墨水回填的激光劃線的單片互連方案的部分側(cè)視圖。
[0016]圖8是示出對于紐約市中部署的IkW陣列產(chǎn)生的月度和年度AC能量的示圖。頂部曲線是三個(gè)陣列的總和。數(shù)據(jù)來源于PV WattSo
[0017]圖9a是本發(fā)明的背接觸層的截面圖。
[0018]圖9b是背接觸層的另一特征的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明使用無機(jī)半導(dǎo)體，諸如CdTe，其具有非常寬的吸收譜，例如，跨越整個(gè)可見光譜。在本發(fā)明中，通過使半導(dǎo)體層變薄到足以實(shí)現(xiàn)部分透明并且針對也是透明的前電極和背電極使用特殊生長的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)透明。這是首次使用無機(jī)材料成功地開發(fā)出高效的此類結(jié)構(gòu)。此處描述了此類結(jié)構(gòu)的制造方法。結(jié)合以下描述，參考附圖，本發(fā)明的特征將更加
易于理解。
[0020]為了使得太陽能電池固有地透射某些入射到其上的光同時(shí)使用大部分光在太陽能電池中產(chǎn)生電流和電壓，有必要制造厚度為吸收長度(I/吸收系數(shù))量級的極其薄的層。對于碲化鎘(CdTe)的情況，這需要大約IOOnm到大約750nm的厚度，優(yōu)選地，大約250nm到大約500nm的厚度。另外，本發(fā)明中也可以使用CdTe的合金，諸如CdZnTe。對于硫化鎘(CdS)的情況，該層的厚度可以是從大約30nm到大約120nm。通過多數(shù)方法難以制造沒有針孔的這種薄層。例如，通常用于CdTe層淀積的近距離升華(CSS)和汽相輸運(yùn)淀積(VTD)顯示了大密度的小空隙空間或者針孔，由此，當(dāng)厚度小于大約1500nm時(shí)，這些非均勻性會(huì)導(dǎo)致太陽能電池的嚴(yán)重分流，這對于薄層而言將變得更加嚴(yán)重。在面積向著I平方米或更大的大PV組件增加時(shí)，這些分流問題會(huì)積累。由此，能夠淀積具有極其低的針孔密度和其他非均勻質(zhì)的半導(dǎo)體層是非常重要的。在本發(fā)明中，示出了如何通過仔細(xì)地選擇磁控濺射淀積參數(shù)而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
[0021]實(shí)現(xiàn)透明薄膜PV結(jié)構(gòu)的另一個(gè)非常關(guān)鍵的問題是電池或者組件的所有其他層必須也是透明的。這包括在多數(shù)電池和組件中使用的透明導(dǎo)體或者透明導(dǎo)電氧化物(TC0)。其還包括也在多種薄膜電池和組件中使用的高電阻率透明(HRT)層。HRT層可以位于TCO與半導(dǎo)體之間。HRT或者其他緩沖區(qū)還可以位于半導(dǎo)體和背接觸或者背導(dǎo)電電極層(BC)之間。HRT或者緩沖區(qū)層可以用于減少任何針孔或者弱二極管對太陽能電池的性能的影響。HRT或者緩沖區(qū)層還可以用于調(diào)節(jié)能帶排列，以幫助電子和空穴跨太陽能電池的層之間的界面?zhèn)魉?。但是顯著地，還可以包括在距離太陽最遠(yuǎn)的電池或者組件的遠(yuǎn)端上的透明背接觸。此處描述了用于優(yōu)選實(shí)施方式即半透明CdS/CdTe太陽能電池和組件的此類透明背接觸(BC)所需的制造過程。
[0022]現(xiàn)在參考附圖，圖1示出了薄膜CdTe太陽能電池的結(jié)構(gòu)。其具有先前提到的Compaan和Gupta的美國專利7，141，863中所示的所有層,但是另外示出了如本文獻(xiàn)中已經(jīng)討論的HRT層。特別地，通過引用將美國專利7，141，863的教導(dǎo)并入到本申請中。特別地，通過引用將美國專利6，852，614和5，393，675的教導(dǎo)并入本申請中。公開了將產(chǎn)生用于半導(dǎo)體層的適當(dāng)?shù)牟牧腺|(zhì)量(主要是可以優(yōu)化超薄太陽能電池的性能的吸收物層)的濺射淀積過程所需的條件?！俺　笔侵改承┛梢姽饪梢源┩冈搶拥陌雽?dǎo)體的厚度。在CdTe的情況下，這需要大約750nm或者更小。適當(dāng)?shù)暮穸认拗茖⑷Q于應(yīng)用的細(xì)節(jié)和吸收物半導(dǎo)體的吸收系數(shù)。例如，三元化合物半導(dǎo)體CIGS (銅銦鎵聯(lián)硒化物)可能需要小于200nm的厚度，因?yàn)樵诳梢姽庾V范圍其吸收系數(shù)顯著地高于CdTe。
[0023]為了獲得高性能的具有超薄吸收物層的太陽能電池/組件，需要淀積基本上沒有針孔或者空隙的非常致密的膜。這對于傳統(tǒng)的淀積方法(諸如汽相輸運(yùn)淀積和近距離升華或者真空蒸發(fā))提出了嚴(yán)重的限制。在適當(dāng)條件下執(zhí)行時(shí)，磁控濺射淀積可以提供這種高質(zhì)量的致密膜。一個(gè)示例在圖2a中提出，圖2a示出了濺射淀積膜的3度斜面角度橫截面電子顯微照片。通過利用聚集離子束(FIB)的低入射表面研磨而制備樣本。這是可以利用濺射淀積實(shí)現(xiàn)的材料質(zhì)量的示例。即使在磁控濺射的情況下，在完成完全的電池或者組件處理之后，某些淀積條件也不適用于實(shí)現(xiàn)用于超薄吸收物的適當(dāng)材料質(zhì)量。不可接受的超薄吸收物的示例在圖2b中示出。
[0024]可以對濺射淀積過程進(jìn)行優(yōu)化，以提供特別適用于在適度彎曲的表面(諸如用于汽車天窗的表面)上淀積非常均勻的涂層的淀積條件。這將在下文進(jìn)行解釋。
[0025]Compaan等人的早期工作說明/要求保護(hù)在適當(dāng)條件(氣壓、rf或者dc功率、襯底加熱)下執(zhí)行磁控濺射時(shí)允許適用于具有在相對較低溫度下保持的襯底的高效薄膜太陽能電池的高性能涂覆。例如，與熱蒸鍍、近距離升華或者汽相輸運(yùn)淀積的溫度(550°C到600°C)相比，濺射可以在?250°C下進(jìn)行。在實(shí)踐中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，濺射過程可以在大約150°C到大約350°C下進(jìn)行，優(yōu)選的應(yīng)用是小于250°C。較低溫度的淀積是可能的，因?yàn)樵跒R射期間，附加的動(dòng)能從高能原子和離子進(jìn)入到成長表面。與單獨(dú)的熱活化，也即，沒有濺射等離子體輔助的情況相比，這具有增加表面吸附原子遷移率的效果。進(jìn)入的原子(氬濺射氣體原子或者濺射原子，諸如Cd、Te或者S)的額外動(dòng)能有助于增強(qiáng)生長界面上的原子的遷移率，以使得原子能夠找到最低能量位置，其通常是最佳的結(jié)晶位置。
[0026]濺射氣體壓力在確定在到達(dá)生長界面之前從目標(biāo)濺射的原子將經(jīng)歷多少碰撞時(shí)是重要的。對于RF濺射，濺射原子具有從幾電子伏(eV)到幾十eV的初始動(dòng)能。通過碰撞去除一些這種初始動(dòng)能對于避免損壞生長的半導(dǎo)體膜是重要的。碰撞之間的平均自由程(mfp)由分子運(yùn)動(dòng)論給出，分子運(yùn)動(dòng)論示出了，對于100°C的氣體溫度和10毫托(mTorr)的氬氣壓，mfp是大約2cm。已發(fā)現(xiàn)，用于濺射CdTe的超薄層的最優(yōu)壓力在這樣的范圍中，其中在到達(dá)膜生長界面之前具有I到3次碰撞。對于距離濺射目標(biāo)IOcm的襯底，當(dāng)氣體動(dòng)力學(xué)溫度是大約100°C時(shí)，5mTon.的壓力給出大約2-3次碰撞。(較大的目標(biāo)到襯底距離對于最優(yōu)膜生長而言將需要較低的氣壓，反之亦然)。較高的壓力將濺射原子動(dòng)能減少得過多，減少離開襯底的散射原子，并且降低淀積率。較低的壓力產(chǎn)生生長膜的過多離子轟擊，這對于CdTe和相關(guān)的吸收物材料而言是不期望的。對于半導(dǎo)體結(jié)的材料，尤其是CdTe，需要最低可能的缺陷密度和空隙密度。最佳地，利用在3-50mTorr范圍內(nèi)的Ar濺射氣壓來獲得這些，優(yōu)選地，為5-15mTorr的范圍內(nèi)的Ar濺射氣壓。Ar氣純度是重要的，并且利用99.999%純氬來獲得最佳的結(jié)果。[0027]如果生長表面處的原子的動(dòng)能僅是由于襯底的溫度，則通常在最高可能溫度時(shí)獲得最佳膜特性，在最高可能溫度時(shí)，吸附原子具有最高遷移率。這通常通過玻璃的軟化點(diǎn)來限制，或者對于納鈣玻璃是大約600°C。更高的溫度可以與硼硅玻璃和具有較高熔點(diǎn)的其他玻璃配方一起使用。部分原因是多數(shù)記錄效率Cds/CdTe電池已經(jīng)使用了這些特殊的玻璃成分。
[0028]當(dāng)在高溫下進(jìn)行生長時(shí)，膜生長速率是在從源的進(jìn)入生長通量與從膜的反向升華率之間的微妙平衡。從膜的升華率與襯底溫度的倒數(shù)成指數(shù)關(guān)系:
[0029]升華率=常數(shù)X T1/2exp (-Ea/kT)，其中，Ea是升華的激活能量。
[0030]因此，溫度的小變化(對于彎曲襯底是很可能的)將產(chǎn)生升華率的大變化，并且從而產(chǎn)生凈生長率的大變化。由于濺射生長可以在較低的襯底溫度下進(jìn)行，所以由于襯底溫度的小變化而造成的跨襯底的升華率的這一變化是一個(gè)很小的問題。結(jié)果是，濺射淀積促使生成跨越著整個(gè)襯底(即使是彎曲襯底并且具有某些溫度變化)的更加均勻的膜。
[0031]包括CdTe基組件的傳統(tǒng)薄膜PV對于膜厚度的變化不是非常敏感，因?yàn)殡姵匦阅軆H是弱依賴于CdS或者CdTe厚度。然而，對于半透明的超薄CdTe組件，光透射對于會(huì)發(fā)生顯著的光透射的750nm以下范圍的CdTe的厚度是非常敏感的。因此，透明PV應(yīng)用能夠以極度的精確來控制層厚度是非常重要的。
[0032]本申請所要求保護(hù)的磁控濺射淀積提供所需的厚度控制，其即使在彎曲表面上也可以產(chǎn)生非常均勻的膜。控制足以避免光透射通過彎曲玻璃片(例如，汽車天窗)的不同區(qū)域時(shí)的明顯變化。
[0033]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，淀積過程必須實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體中的摻雜度、完善的成分控制、高質(zhì)量顆粒結(jié)構(gòu)以及良好的晶界鈍化，以便產(chǎn)生高效器件。通過在先前描述的適當(dāng)條件下濺射來滿足這些要求。
[0034]圖3示出了淀積室I中的通常濺射過程的結(jié)構(gòu)。濺射目標(biāo)5與其上生長膜的襯底7之間的等離子體3在生長過程中是非常重要的。在等離子體與襯底之間存在具有電勢差的“襯底鞘”9。等離子體電勢相對于襯底必須是適當(dāng)?shù)恼?，以使得發(fā)生生長界面的低能正離子轟擊。該離子和某些電子轟擊在適用于超薄半透明PV的致密和均勻的吸收物層的生長中發(fā)揮重要作用。
[0035]小CdS/CdTe太陽能電池在吸收物厚度范圍上的性能在圖4中示出。完全的J-V曲線在圖4中給出，并且通常的電池性能參數(shù)在圖5中示出，圖5包括開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、填充因子(FF)和效率。這些數(shù)據(jù)展示了在適當(dāng)條件下的濺射過程的可行性。數(shù)據(jù)顯示了超薄CdTe層的性能的證明。
[0036]太陽能電池10的結(jié)構(gòu)參考圖1，現(xiàn)在請參照太陽能電池或者組件的最終層。在圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施方式中，器件在覆蓋物配置中示出，這意味著在淀積期間使用的襯底材料變?yōu)轫?覆蓋物)窗，并且從襯底層12開始按順序淀積各個(gè)層。在其他配置中，在淀積期間使用的襯底材料變?yōu)榈讓?，并且從該襯底材料開始按順序淀積各個(gè)層。因此，出于本發(fā)明的目的，術(shù)語“襯底層”意思是襯底或者覆蓋物。
[0037]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，透明電極層14是包括以下的組中的任意一個(gè)或多個(gè):氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、氧化鎘(CdO)、氧化錫摻雜氟(Sn02:F)、氧化銦摻雜錫(In203:Sn)、氧化鎵(Ga2O3)和前述的組合，以及包括金屬電介質(zhì)層的其他已知的組合透明導(dǎo)電涂層。最優(yōu)選地，透明電極層14是ZnO。也優(yōu)選地，透明電極層14(ZnO、ZnS或者CdO)摻雜有III族元素，用以形成η型半導(dǎo)體層。最優(yōu)選地，透明電極層14是摻雜鋁的ZnO或者摻雜氟的SnO。層18是高電阻率透明(HRT)層，其可以是對于層14指定的族中的任意一個(gè)，但是不摻雜，以使得電阻率較高。優(yōu)選地，該HRT層是ZnO或者SnO2,厚度是大約25nm到大約200nm ;最優(yōu)選地,厚度是大約50nm到大約lOOnm。
[0038]一起形成有源半導(dǎo)體結(jié)30的兩個(gè)主要半導(dǎo)體層中的第一個(gè)是η型半導(dǎo)體層20。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，該η型半導(dǎo)體層20是硫化鎘(CdS)。第二主要半導(dǎo)體層是P型半導(dǎo)體22，其優(yōu)選地是碲化鎘(CdTe)或者CdTe的合金。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，多種其他的半導(dǎo)體層可以用于這兩個(gè)主要半導(dǎo)體層中的任一個(gè)?？梢岳斫猓Y(jié)合本發(fā)明，η型半導(dǎo)體層和P型半導(dǎo)體層之間可以布置本征半導(dǎo)體層(未示出)。
[0039]背緩沖區(qū)材料的可選層表示為24。通常，該層可以是重?fù)诫s有銅的CdTe或者通過CdTe的化學(xué)刻蝕而形成的碲的層，或者摻雜有Cu的ZnTe的層，或者摻雜有Cu和N的ZnTe。背緩沖區(qū)層24用于提供P型半導(dǎo)體層22與背導(dǎo)電電極層26之間的界面，其是光伏電池10的兩個(gè)歐姆接觸或者電極中的第二個(gè)。導(dǎo)電背電極層26包含導(dǎo)電氣引線28，用于傳導(dǎo)通過電路的電流(未示出)。通常，導(dǎo)電電極層由以下材料制成:鎳、鈦、鉻、鋁、金或某些其他導(dǎo)電材料?？蛇x地，附加的碲化鋅保護(hù)或緩沖區(qū)層24 (未示出)可以位于背接觸層26與碲化鎘半導(dǎo)體層22之間，用以幫助空穴(正電荷載流子)從碲化鎘層傳送到背電極層，并且用以保護(hù)碲化鎘層避免由于遷移而帶來的外部污染。而且，可以理解，背緩沖區(qū)材料的層24和背電極層26有時(shí)可以組合為單個(gè)層(未示出)。為了在單個(gè)接觸層中解決兩個(gè)功能，單層將必須具有與背電極層26基本上等效的導(dǎo)電率，并且也必須能夠產(chǎn)生向CdTe半導(dǎo)體層的良好過渡。
[0040]光伏電池10包括襯底層12，其優(yōu)選地是玻璃襯底12。諸如聚酰亞胺的其他透明材料可以用于玻璃襯底12。諸如透明電極層14的透明導(dǎo)電材料的層涂覆于玻璃層12。透明電極層14形成用于光伏電池10的兩個(gè)歐姆接觸或者電極中的一個(gè)，并且包含導(dǎo)電氣引線16，其用于將電流傳導(dǎo)通過電路(未示出)。透明電極層有時(shí)也被稱為透明導(dǎo)電氧化物，但是用于該目的的某些有用材料不是氧化物。
[0041]該背接觸(BC) 26需要具有背接觸到CdTe所需的適當(dāng)?shù)碾娮犹匦?，并且其必須是透明的。在所需的電子性質(zhì)之中，工作功能必須與CdTe層22的電子親和能良好匹配，以使得正電荷載流子(空穴)可以容易地流入到BC中。圖6和圖9中所示的原型窗戶單元中優(yōu)選的BC的實(shí)施方式是非常薄的Cu層92和薄的Au層94，之后是諸如ZnO: Al或者銀錫氧化物(ITO)的透明導(dǎo)體95的淀積。這些層的厚度優(yōu)選的范圍是:對于Cu:0.2nm到3nm ;對于Au:3nm到30nm ;并且對于透明導(dǎo)電氧化物(例如，AZO或者IT0):500到1500nm。該最終BC層最優(yōu)先地應(yīng)當(dāng)對厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得光干涉作用導(dǎo)致對于產(chǎn)生電能最有效率的光波長反射回CdTe。例如，這包括具有很小的眼睛敏感度或者沒有眼睛敏感度的近紅外區(qū)域，粗略地在大約600nm到850nm的范圍中。并且應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地還進(jìn)行厚度調(diào)節(jié)，以使得眼睛的更敏感范圍中的光應(yīng)當(dāng)具有來自背接觸的最小反射，例如，從450nm到600nm?？梢詫λ袑拥暮穸鹊恼{(diào)節(jié)應(yīng)用類似的考慮。目標(biāo)是最大化在CdTe電池的最敏感發(fā)電范圍中的光的吸收，并且另外最大化眼睛可見的光的透射。厚度調(diào)節(jié)還可以用于幫助均衡透射光的顏色中性。
[0042]圖9b中優(yōu)選的BC的實(shí)施方式是一個(gè)或多個(gè)薄金屬102和電介質(zhì)104的層對110，電介質(zhì)104諸如Ag/Si02或者Ag/Si02/Ag/Si02?？梢允褂闷渌饘伲T如Au、N1、Cu、Al，并且可以使用其他電介質(zhì)，諸如Ti02、Sn02、MgO和ZnO。將對層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生從大約450nm到大約600nm的良好的光透射，以及大于大約600nm的波長的高反射。大約600nm到850nm的區(qū)域中的高反射對應(yīng)于CdS/CdTe太陽能電池的高量子效率的區(qū)域，這樣將該透射光反射回到電池結(jié)構(gòu)中將增強(qiáng)電池效率，但是將難以影響人眼對PV窗的透明度的感知。厚度調(diào)節(jié)可以用于幫助改變從透射到高反射的過渡，例如，通過在大約550nm到大約600nm的區(qū)域中反射較多紅色或者黃色光來平衡透射光顏色中性。
[0043]單片集成是制造適用于窗戶應(yīng)用30的大面積組件32的重要部分。圖6的示意示出了垂直線33，其是三劃線互連，在這種情況下，為13個(gè)電池帶35提供單片串聯(lián)。這將電池集成到組件中，該組件的電壓是單個(gè)電池電壓的13倍，并且電流與單個(gè)電池電流相同。對于三劃線互連的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)選項(xiàng)在圖7a和圖7b中示出。在7a的情況下，在薄膜淀積過程期間，劃線46、48、50是順序地進(jìn)行的。在CdS和CdTe的淀積之前，Pl劃線46發(fā)生。之后并且在背接觸之前，P2劃線48發(fā)生。在背接觸之后，P3劃線50發(fā)生。在7b的情況下，在CdS和CdTe的淀積之后進(jìn)行劃線P178和劃線P280，在BC之前向Pl劃線78添加絕緣回填49。在BC之后進(jìn)行P3劃線82。劃線互連的第三選項(xiàng)是在淀積BC之后進(jìn)行全部三個(gè)劃線。在這種情況下，必須利用絕緣材料對Pl進(jìn)行回填，并且利用導(dǎo)電材料對P2進(jìn)行填充，導(dǎo)電材料也覆蓋Pl絕緣材料47以提供多達(dá)P3劃線的電氣連接。應(yīng)當(dāng)注意，可以沿著組件的長維度或者沿著組件的短維度進(jìn)行劃線構(gòu)圖，并且電池的寬度被調(diào)節(jié)為提供最適于任何特定應(yīng)用的電壓輸出。
[0044]如圖6所示，電池組31可以連接至窗戶30或者用于此類PV組件的其他適當(dāng)應(yīng)用中的PV組件32。線37將電池組31連接至組件32。電池組提供PV組件所產(chǎn)生的DC電壓的本地存儲(chǔ)。電氣引線38從電池組延伸以允許存儲(chǔ)的DC電壓能夠被DC器件使用。
[0045]圖8中示出，當(dāng)在建筑物中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這樣的半透明器件的潛在性能。這些模型數(shù)據(jù)顯示了垂直定位的窗戶可以為多數(shù)位置提供大量發(fā)電量，此處針對紐約市示出。向南的窗戶是最佳的，但是向東和向西的窗戶也提供完善的發(fā)電，并且即使向北的窗戶也輸送屋頂陣列的能量的25%。
[0046]優(yōu)選實(shí)施方式的附加特征包括涉及利用CdC12的蒸汽的熱處理來激活的過程步驟。其還可以包括用于使用負(fù)型光刻膠或者其他過程的已知步驟來進(jìn)行的分流鈍化和阻止偶然出現(xiàn)的針孔的適當(dāng)?shù)倪^程。該鈍化步驟優(yōu)選地在激活步驟之后并且在背接觸的應(yīng)用之前進(jìn)行。其還可以包括在CdTe與BC之間并入高電阻率緩沖區(qū)層。
[0047]對于用作窗戶PV發(fā)電設(shè)備，可以期望在每個(gè)窗戶或者組件上包括積分微逆變器，以便從PV窗戶向外提供AC功率，該P(yáng)V窗戶適于集成到家庭或者商業(yè)電力系統(tǒng)中，對于美國通常是IlOV或者220V。該AC功率輸出可以支持建筑物中的“即插即用”安裝。
[0048]出于說明性的目的給出了本發(fā)明的以上詳細(xì)描述。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出多種改變和修改。因此，以上描述的全部應(yīng)當(dāng)解釋為是示意性的而非限制性的，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜光伏(PV)電池，該薄膜PV電池是本質(zhì)上半透明的，其產(chǎn)生太陽能電力并且透射可見光，包括: 透明襯底或者覆蓋物層，諸如玻璃或者諸如聚酰胺的聚合物； 透明導(dǎo)電層，諸如透明導(dǎo)電氧化物； 具有n-p結(jié)或者n-1-p結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其吸收寬范圍的光波長，并且產(chǎn)生電流和電壓；以及 基本上透明的背接觸(BC)結(jié)構(gòu)其透射可見光并且傳導(dǎo)電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中，所述BC結(jié)構(gòu)具有將特定波長的光最優(yōu)地反射回半導(dǎo)體中并且最優(yōu)地透射通過器件的其他波長的厚度和成分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中，界面緩沖區(qū)層位于TCO與所述半導(dǎo)體之間和/或位于所述半導(dǎo)體與所述BC之間，這些層被選擇用于減少任何針孔或者弱二極管對所述電池或者組件性能的影響，并且用于調(diào)節(jié)能帶排列，以幫助電子和空穴跨界面?zhèn)魉汀?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的PV電池，其中，所述BC包括非常薄的銅層、薄的金層、銅合金層、金合金層及其組合的層，這些層是透明的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PV電池，其中，所述BC包括透明導(dǎo)電層，諸如TC0。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PV電池，其中，銅的厚度是大約0.2nm到大約3.0nm,并且金的厚度是大約3nm到大約30nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PV電池，其中，所述BC包括選自銀、鎳、鋁和鈦的層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中，所述半導(dǎo)體是CdS、CdTe以及CdTe的合金，諸如 CdZnTe。`
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中，所述背接觸包括一個(gè)或多個(gè)金屬和電介質(zhì)層，用于產(chǎn)生透明導(dǎo)電層，其中金屬可以是Ag，并且電介質(zhì)可以是Si02。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的PV電池，其中，基于銀的透明層具有大約3nm到大約30nm的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PV電池，其中，所述PV電池的結(jié)構(gòu)合并單片集成，以便將基本上相同面積的個(gè)體電池帶連接到串行集成中，以使得個(gè)體電池的輸出電壓增加。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PV電池，其中，并入了逆變器，以提供AC電壓處的功率輸出，所述逆變器可以在所述PV電池上，或者另外并入到窗戶、天窗、頂棚或者并入了所述PV電池的其他結(jié)構(gòu)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PV電池，其中，電池組離網(wǎng)地連接至所述PV電池，以提供所述PV電池所生成的DC電壓的本地存儲(chǔ)，來自所述電池組的DC電壓可由DC供電設(shè)備使用。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PV電池，其中，提供了玻璃的第二窗格和密封機(jī)制，以便將所述PV電池形成到絕緣窗戶單元(I⑶)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的PV電池，其中，柔性聚合物用作襯底/覆蓋物，該柔性聚合物并入了適當(dāng)?shù)姆庋b以保持柔性和透明，并且仍然提供防止潮濕和氧氣的保護(hù)。
16.一種制造薄膜光伏電池的方法，所述薄膜光伏電池是本質(zhì)上半透明的，其產(chǎn)生電力并且透射可見光，所述方法包括: 提供透明襯底；在避免電極層的大幅降級的處理?xiàng)l件下，將具有η型層和P型層的有源多晶半導(dǎo)體結(jié)淀積到所述透明襯底上，其中，所述η型層和所述P型層的淀積利用濺射過程實(shí)現(xiàn)；所述P型層具有小于750nm的厚度；以及 涂覆半透明背電極層，以形成二極管結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述濺射過程在大約150°C到大約350°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述濺射過程在小于250°C的溫度下實(shí)現(xiàn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，通過濺射過程向多晶層涂覆背接觸層。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述半透明背電極層可以包括具有適當(dāng)摻雜元素的一種或多種透明導(dǎo)電材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述透明襯底上淀積選自以下組的任何一個(gè)或多個(gè)的透明電極層:ZnO、ZnS、CdO, SnO2和Ιη203。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述透明電極層和/或所述半透明背電極層可以包括透明多層超薄金屬涂層，諸如導(dǎo)電的Ag、Au、Cu、Al、Ni。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，在所述透明電極層上淀積選自以下組的任何一個(gè)或多個(gè)的非常薄的高電阻率透明(HRT)層:ZnO、ZnS、CdO, SnO2和Ιη203。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述HRT層可以包括沒有刻意摻雜的、高電阻并且光學(xué)上透明的材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，向所述背電極層涂覆高電阻率界面層，優(yōu)選地是HRT層，所述HRT層是P型的，諸如ZnTe，可選地具有小摻雜密度的N或者Cu。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法,其中，在大約3mTorr到大約50mTorr范圍的派射氣壓以及大約15cm到大約5cm的濺射距離下執(zhí)行濺射過程。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述濺射氣壓優(yōu)選地在大約5mT0rr到大約15mTorr的范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】H01L31/00GK103563088SQ201280023564
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月15日
【發(fā)明者】維克多·V·普洛特尼科夫, 查德·W·卡特, 約翰·M·斯塔彥丘, 艾爾文·D·卡姆帕恩 申請人:迅力光能26有限責(zé)任公司