[发明专利]利用无缓冲剂制造工艺形成薄膜太阳能电池的方法

说明书

背景技术

本发明总体上涉及光伏太阳能电池，并且更加具体地涉及薄膜太阳能电池。

背景技术

薄膜光伏(PV)太阳能电池是一类以将光转化为可用于多种应用的有用电能的形式产生可再生能源的能源器件。薄膜太阳能电池是通过将不同的半导体薄层和膜以及其他材料沉积在衬底上形成的多层半导体结构。这些太阳能电池可由一些由多个单独的电连接电池构成的形式的轻量级柔性片制成。图1A示出了这样的由电互连的多个单独的薄膜太阳能电池形成的传统太阳能电池片。轻量级和柔性的属性赋予了薄膜太阳能电池板作为电源的潜在应用，用于便携式电子产品、航空抗天、以及其中薄膜太阳能电池板能够被结合到各种建筑构件(例如屋顶瓦片、立面以及天窗)中的家用和商用建筑。

薄膜太阳能电池利用了将光转化为电能的有源光吸收层。吸收层已由各种材料制成，包括无定形硅、碲化镉(CdTe)、以及二硒化铜铟镓(copperindium gallium diselenide，CIGS)。前述材料中的后两种被包括在被称为硫属化物的半导体化合物的组中，其是二元化合物，也包括硫化镉(CdS)。硫属化物包括元素周期表的VIA族元素，包括硫(S)、硒(Se)、碲(Te)、和钋(Po)。已知硫属化物是具有高吸光系数的良好光导体。基于CIGS的薄膜太阳能电池是尤其有前途的并且已经报道了太阳光转化效率高达百分之19.9(国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory))。

图1B是图1A所示的传统薄膜太阳能电池的部分细节放大横截面图。如图所示，传统的半导体太阳能电池基本上包括：衬底，其可以是玻璃；在其上的形成底部电极的钼(Mo)层；在其上形成的掺杂的p-型吸收剂层，其可以是CIGS；在其上形成以产生电活性的n-p结的n-型缓冲剂层，其可以是CdS；以及在其上形成的掺杂的n-型顶部电极，其可以是TCO(例如透明导电氧化物)材料，例如ZnO。CdS缓冲剂层产生有源n-p结以用于由光能产生电能。

如图1C进一步所示，单个的薄膜太阳能电池均具有相关的电功率产生输出并且通常被互连至串联或并联连接的太阳能电池的阵列，以形成产生给定量的电流和/或电压的PV模块。这些单个的太阳能电池如所示的被连接至通常位于模块相对端的总线，以用于连接至外电路。单个的模块又可以被连接至其他模块和/或连接至接线盒(junction box)，从而合并以及增加从PV模块阵列的功率输出的能量。

如图1B所示，微通道被图案化并划线在半导体结构上以使不同的导电材料互连并隔离相邻的太阳能电池。这些现有技术中所指的微通道或“划线”给出与其功能和在半导体太阳能电池制造工艺中的步骤有关的“P”标示。P1和P3划线对于电池分离而言是必不可少的。P2划线形成连接。P2划线除去吸收材料以使得顶部TCO电极与底部Mo电极互连，从而避免中间缓冲剂层起到顶部电极和底部电极之间的隔板的作用。P3划线完全延伸通过TCO、缓冲剂层、以及吸收剂层，至底部Mo电极，从而隔离通过P1和P2划线限定的每一个电池。

在传统方法中，仅有被CdS缓冲剂覆盖的CIGS吸收剂层的顶部形成高质量的有源n-p结，以用于收集由吸收剂层产生的电流。如图1B所示，尽管来自顶部TCO电极层的材料向下延伸通过P2划线，但P2划线的垂直壁仍不能提供使得侧壁本质上是无源的以用于收集电流的良好界面和高质量的有源n-p结。这限制了这样的仅顶部CdS缓冲剂层位于吸收剂层上方的薄膜太阳能电池的电流密度、功率输出电势、以及效率。

需要具有产生更大电功率的增加电势和更高的太阳能转化效率的改进的薄膜太阳能电池。

发明内容

本发明提供了一种与现有技术的薄膜电池相比有利地产生较高能量输出和增加的太阳能转化效率的薄膜太阳能电池。在本发明中，这是通过利用并形成在之前没有被用于收集电流的可用的侧壁P2划线上的有源高质量n-p结区域来实现的。这通过提供太阳能电池上的较大面积区域的有源n-p区从而改善电流收集和密度来增加太阳能电池的效率，而不需增加电池的尺寸。效率的增加可归因于在吸收剂层和TCO顶部电极层之间的接口处载流子的较少捕获和重组。在本发明的工艺中不需使用分离的缓冲剂层，如现有技术方法中使用的CdS。