具有V族掺杂的光伏器件用缓冲层

摘要

根据本文提供的实施方案，光伏器件可以包括与用V族掺杂剂p型掺杂的吸收层相邻的缓冲层。所述缓冲层可以具有与V族掺杂剂相容的多个层。

说明书

背景技术

本发明书大体上涉及具有与V族掺杂剂相容的缓冲层的光伏器件，且更具体地，涉及具有与用V族掺杂剂p型掺杂的吸收层相邻的与V族掺杂剂相容的缓冲层的光伏器件。

光伏器件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力。某些类型的半导体材料可能难以制造。例如，与半导体材料相邻提供的薄膜层可能导致光伏器件的不可操作性或不稳定性。使用V族元素作为p型半导体材料的掺杂剂可能是特别困难的。

因此，需要与掺杂有V族p型掺杂剂的吸收层一起使用的替代缓冲层。

发明内容

本文提供的实施方案涉及具有与V族掺杂剂相容的缓冲层的光伏器件。结合附图，鉴于以下详细描述，将更加充分地理解由本文所述的实施方案提供的这些和另外的特点。

附图说明

附图中阐明的实施方案本质上是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求限定的主题。在结合下面的附图阅读时，可以理解说明性实施方案的以下详细描述，在附图中，同样的结构用同样的附图标记指示，并且在附图中：

图1示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的光伏器件的剖视图；

图2示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的衬底；

图3示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的缓冲层；

图4示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的缓冲层；

图5示意性地描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的用于使层堆叠退火的方法；

图6以图形方式描绘根据本文示出和描述的一个或多个实施方案的归一化光致发光光谱。

具体实施方式

提供了具有与V族掺杂剂相容的缓冲层的光伏器件的实施方案。在此将更详细地描述光伏器件的各种实施方案以及用于形成光伏器件的方法。

现在参考图1，示意性地描绘光伏器件100的实施方案。光伏器件100可以配置成接收光并且将光变换成电信号，例如，可以从光吸收光子并且经由光伏效应将光子变换成电信号。因此，光伏器件100可以限定能量侧102，所述能量侧102配置成暴露于光源(如太阳)。光伏器件100还可以限定例如通过多个材料层而偏离能量侧102的相反侧104。注意，术语“光”可以指电磁光谱的各种波长，例如但不限于电磁光谱的紫外(UV)、红外(IR)以及可见部分中的波长。如本文所用的“日光”是指由太阳发射的光。光伏器件100可以包括布置在能量侧102与相反侧104之间的多个层。如本文所用，术语“层”是指在表面上提供的一定厚度的材料。每个层可以覆盖该表面的全部(即，连续层)或任何部分(即，不连续层)。例如，连续层可以是基本上不间断的，并且不连续层可以具有一个或多个由不同材料占据的穿过该层而形成的空隙。

共同参考图1和2，光伏器件100的层可以包括配置成促进光透射到光伏器件100中的衬底110。衬底110可以布置在光伏器件100的能量侧102。衬底110可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面112和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面114。一层或多层材料可以布置在衬底110的第一表面112与第二表面114之间。

衬底110可以包括透明层120，所述透明层120具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面122和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面124。在一些实施方案中，透明层120的第二表面124可以形成衬底110的第二表面114。透明层120可以由基本上透明的材料(如玻璃)形成。合适的玻璃可以包括钠钙玻璃或有降低的铁含量的任何玻璃。透明层120可以具有任何合适的透明性，一些实施方案中，所述透明性包括约250 nm至约1,300 nm，或在其他实施方案中，或约250 nm至约950 nm。透明层120还可以具有任何合适的透射百分比，所述透射百分比包括，例如，在一个实施方案中，超过约50%，在另一实施方案中，超过约60%，在又一个实施方案中，超过约70%，在另外的实施方案中，超过约80%，或在又一个实施方案中，超过约85%。在一个实施方案中，透明层120可以由具有约90%或更高的透射率的玻璃形成。任选地，衬底110可以包括施加到透明层120的第一表面122的涂层126。涂层126可以配置成与光相互作用或改善衬底110的耐久性，例如但不限于抗反射涂层、防污涂层或其组合。

再次参考图1，光伏器件100可以包括阻挡层130，所述阻挡层130配置成减轻污染物(例如钠)从衬底110的扩散，所述扩散可能导致降解或脱层(delamination)。阻挡层130可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面132和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面134。在一些实施方案中，阻挡层130可以与衬底110相邻提供。例如，阻挡层130的第一表面132可以提供在衬底100的第二表面114上。如本文所用，短语“相邻”是指两个层连续布置并且在至少一部分层之间没有任何居间材料。

一般而言，阻挡层130可以是基本上透明的、热稳定的、具有降低数量的针孔并且具有高阻钠(sodium-blocking)能力和良好的粘着性质。或者或另外，阻挡层130可以配置成将颜色抑制施加到光。阻挡层130可以包括一层或多层合适的材料，所述材料包括但不限于锡氧化物、二氧化硅、铝掺杂的硅氧化物、硅氧化物、硅氮化物或氧化铝。阻挡层130可以具有由第一表面132和第二表面134界定的任何合适的厚度，所述厚度包括，例如，在一个实施方案中，超过约100 Å，在另一实施方案中，超过约150 Å，或在另外的实施方案中，小于约200 Å。

仍然参考图2，光伏器件100可以包括透明导电氧化物(TCO)层140，透明导电氧化物(TCO)层140配置成提供电接触以输送由光伏器件100产生的电荷载流子。TCO层140可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面142和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面144。在一些实施方案中，TCO层140可以与阻挡层130相邻提供。例如，TCO层140的第一表面142可以在阻挡层130的第二表面134上提供。一般而言，TCO层140可以由基本上透明并且具有宽带隙的一层或多层n型半导体材料形成。具体地，宽带隙可以具有与光的光子的能量相比更大的能量值，这可以减轻不期望的光吸收。TCO层140可以包括一层或多层合适的材料，所述材料包括但不限于锡氧化物、氟掺杂的锡氧化物(例如，F:SnO、F:SnO

光伏器件100可以包括缓冲层150，所述缓冲层150配置成在TCO层140与任何相邻半导体层之间提供不太导电的层。缓冲层150可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面152和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面154。在一些实施方案中，缓冲层150可以与TCO层140相邻提供。例如，缓冲层150的第一表面152可以提供在TCO层140的第二表面144上。缓冲层140可以包括具有比TCO层140高的电阻率的材料，所述材料包括但不限于本征锡氧化物(SnO、SnO

在一些实施方案中，缓冲层140的材料可以配置成基本上匹配相邻半导体层(例如，吸收体)的带隙。缓冲层150可以具有在第一表面152和第二表面154之间的厚度156。厚度156可以跨越任何合适的距离，包括例如，在一个实施方案中，大于约0.5纳米(nm)，在另一个实施方案中，在约1 nm和约200 nm之间，在另一个实施方案中，在约1 nm和约100 nm之间，或在另外的实施方案中，在约1 nm和约10 nm之间，或在又一个实施方案中，在约1 nm和约3 nm之间。在一些实施方案中，缓冲层150或其层可以是不连续的。例如，缓冲层150可以包括MnO

共同参考图1和3，缓冲层150可以包括多个层200。具体地，缓冲层150的多个层200可以包括布置在缓冲层150的第一表面152处的基础层210。因此，基础层210可以与TCO层140相邻提供。在一个实施方案中，缓冲层150的第一表面152可以为基础层210的表面。基础层210可以具有基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面214。基础层210可以具有在第一表面152和第二表面214之间的厚度216。在一些实施方案中，基础层210的厚度216可以跨越缓冲层150的厚度156的大部分。

缓冲层150的多个层200可以包括布置在缓冲层150的第二表面154处的界面层220。通常，界面层220可以相对于基础层210进一步远离光伏器件的能量侧102定位。界面层220可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面224。在一些实施方案中，缓冲层150的第二表面154可以为界面层220的表面。界面层220可以具有在第一表面222和第二表面154之间的厚度226。在一些实施方案中，界面层220的厚度226可以小于基础层210的厚度216。

根据本文提供的实施方案，基础层210和界面层220可以由不同的材料构成。例如，在一些实施方案中，基础层210可以包含锡氧化物(SnO、SnO

共同参考图1和4，缓冲层150的多个层200可以包括布置在基础层210和界面层220之间的一个或多个中间层230。一个或多个中间层230可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面232和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面234。一个或多个中间层230可以与基础层210和界面层220相邻提供。因此，一个或多个中间层230的第一表面232可以提供在基础层210的第二表面214上，并且一个或多个中间层230的第二表面234可以提供在界面层210的第一表面224上。一个或多个中间层230可以具有在第一表面232和第二表面234之间的厚度236。在一些实施方案中，一个或多个中间层230的厚度236可以小于基础层210的厚度216。

根据本公开的实施方案，一个或多个中间层230可以由与基础层210和界面层220不同的材料构成。例如，在一些实施方案中，一个或多个中间层230可以包含锌镁氧化物(例如，Zn

再次参考图1，光伏器件100可以包括吸收层160，所述吸收层160配置成与另一层协作并在光伏器件100内形成p-n结。因此，光的被吸收光子可以释放电子-空穴对并且产生载流子流，这可以产生电力。吸收层160可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面162和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面164。吸收层160的厚度可以限定在第一表面162和第二表面164之间。吸收层160的厚度可以在约0.5 μm至约10 μm之间，例如在一个实施方案中，在约1 μm至约7 μm之间，或在另一实施方案中，在约1.5 μm至约4 μm之间。

根据本文所述的实施方案，吸收层160可以由具有过量正电荷载流子(即，空穴或受主)的p型半导体材料形成。吸收层160可以包含任何合适的p型半导体材料，例如II-VI族半导体。具体的实例包括但不限于包含镉、碲、硒或其任意组合的半导体材料。合适的实例包括但不限于镉、硒和碲的三元化合物(例如，CdSe

在吸收层160包含碲和镉的实施方案中，碲的原子%可以大于或等于约25原子%且小于或等于约50原子%，例如，在一个实施方案中，大于约30原子%且小于约50原子%，在另外的实施方案中，大于约40原子%且小于约50原子%，或在又一实施方案中，大于约47原子%且小于约50原子%。或者或另外，吸收层160中碲的原子%可以大于约45原子%，例如在一个实施方案中，大于约49%。注意，本文所述的原子%代表吸收层160整体，而与吸收层160的总组成相比，吸收层160内特定位置处的材料的原子%可以随厚度而变化。

在吸收层160包含硒和碲的实施方案中，吸收层160中硒的原子%可以大于约0原子%且小于或等于约25原子%，例如，在一个实施方案中，大于约1原子%且小于约20原子%，在另一个实施方案中，大于约1原子%且小于约15原子%，或在另外的实施方案中，大于约1原子%且小于约8原子%。注意，碲、硒或二者的浓度可以在吸收层160的整个厚度上变化。例如，当吸收层160包含含有x摩尔分数的硒和1-x摩尔分数的碲的化合物(Se

仍然参考图1，吸收层160可以掺杂有被配置为操纵电荷载流子浓度的掺杂剂。在一些实施方案中，吸收层160可以掺杂有I族或V族掺杂剂，例如铜、砷、磷、锑或其组合。可以控制吸收层160内的掺杂剂的总密度。在一些实施方案中，吸收层160可以具有为至少约1 x10

根据本文提供的实施方案，p-n结可以通过足够靠近光伏器件100的具有过量负电荷载流子(即，电子或施主)的一部分地提供吸收层160来形成。在一些实施方案中，吸收层160可以与n型半导体材料相邻提供。或者，可以在吸收层160和n型半导体材料之间提供一个或多个居间层。在一些实施方案中，吸收层160可以与缓冲层150相邻提供。例如，吸收层160的第一表面162可以提供在缓冲层150的第二表面154上。

光伏器件100可以包括背接触层180，所述背接触层180配置成减轻掺杂剂的不期望的改变并且提供与吸收层160的电接触。背接触层180可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面182和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面184。背接触层180的厚度可以限定在第一表面182和第二表面184之间。背接触层180的厚度可以在约5 nm至约200 nm之间，例如，在一个实施方案中在约10 nm至约50 nm之间。

在一些实施方案中，背接触层180可以与吸收层160相邻提供。例如，背接触层180的第一表面182可以提供在吸收层160的第二表面164上。在一些实施方案中，背接触层180可以包含来自I、II、VI族的材料的二元或三元组合，例如，包含为各种组成的锌、铜、镉和碲的一个或多个层。另外的示例性材料包括但不限于掺杂有碲化铜的碲化锌、或与碲化铜形成合金的碲化锌。

光伏器件100可以包括配置成提供与吸收层160的电接触的导电层190。导电层190可以具有基本上朝向光伏器件100的能量侧102的第一表面192和基本上朝向光伏器件100的相反侧104的第二表面194。在一些实施方案中，导电层190可以与背接触层180相邻提供。例如，导电层190的第一表面192可以提供在背接触层180的第二表面184上。导电层190可以包括任何合适的导电材料，例如一层或多层含氮金属、银、镍、铜、铝、钛、钯、铬、钼、金等。含氮金属层的合适实例可以包括氮化铝、氮化镍、氮化钛、氮化钨、氮化硒、氮化钽或氮化钒。

光伏器件100可以包括配置成与衬底110协作以形成光伏器件100的壳体的背支撑196。背支撑196可以布置在光伏器件100的相反侧102处。例如，背支撑196可以与导电层190相邻形成。背支撑196可以包含任何合适的材料，所述材料包括例如玻璃(例如，钠钙玻璃)。

共同参考图1和5，光伏器件100的制造通常包括通过一个或多个薄膜沉积过程以层的“堆叠”顺序地布置功能层或层前体，所述过程包括但不限于溅射、喷涂、蒸发、分子束沉积、热解、封闭空间升华(CSS)、脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、原子层沉积(ALD)或气相传输沉积(VTD)。在一些实施方案中，部分形成的光伏器件240可以经受退火过程以改善吸收层160的功能。例如，部分形成的光伏器件240可以包括与层堆叠204相邻的吸收层160。层堆叠204可以包括布置在吸收层160和能量侧102之间的光伏器件100的一个或多个层。

部分形成的光伏器件240可以在处理室244内退火，所述处理室提供还原的周围环境246，即具有小于500 ppm氧的环境。在退火过程期间，吸收层160可以与包括氯化镉(CdCl

在一些情况下，缓冲层150还可以掺杂有V族掺杂剂。例如，V族掺杂剂可以扩散到缓冲层150中。因此，在一些实施方案中，缓冲层150内的V族掺杂剂的峰值浓度可以为至少约1 x 10

界面区158可以包括吸收层160的第一表面162和缓冲层150的第二表面154的界面。例如，界面区158可以从缓冲层150的第一表面152开始，并且延伸到吸收层160中。界面区158可以具有小于或等于约500 nm的厚度，例如，在一个实施方案中，约0.5 nm至500 nm，或在另一实施方案中，约1 nm至100 nm。申请人已经发现，当进行退火过程时，缓冲层150以意想不到的方式实行。不受理论的约束，据信缓冲层150和吸收层160的化学性质可以导致界面区158内的不期望缺陷。许多化学组合物可能更易于例如在还原的周围环境246中的掺杂剂活化期间产生缺陷。这样的缺陷会降低光伏器件100的效率。

光伏器件100的效率可以通过在缓冲层150内包括MnO

实施例

比较例：在玻璃衬底上制备膜堆叠。所述膜堆叠包括形成在玻璃衬底上的氟掺杂的锡氧化物的TCO层、形成在TCO层上的锡氧化物的缓冲层和As:CdSeTe吸收层。在还原的周围环境中，用包括氯化镉(CdCl

实施例：实施例1以与比较例相同的方式形成，其中缓冲层被更改为具有锡氧化物基础层和Zn

表1

共同参考图1和6，光致发光光谱用于表征比较例和实施例1-4的缓冲层和吸收层的界面处的复合(recombination)。通常，响应注入能量侧102的光的更高发光强度(图1)可以对应于在缓冲层和吸收层的界面处的较少的载流子复合。因此，更高的强度可以对应于光伏器件100的更高效率。

比较例和实施例1-4的光致发光强度(PLI)描绘在图6中。具体地，PLI光谱250对应于比较例，PLI光谱252对应于实施例1，PLI光谱254对应于实施例2，PLI光谱256对应于实施例3，并且PLI光谱258对应于实施例4。将每个光谱250、252、254、256、258归一化至PLI光谱250的峰值。PLI光谱252、PLI光谱254、PLI光谱256和PLI光谱258证实实施例1-4相对于比较例的性能提高。具体地，PLI光谱252对应于实施例1相对于比较例而言峰强度改善约700%。PLI光谱254对应于实施例2相对于比较例而言峰强度改善约1,000%。PLI光谱256、258对应于实施例3和4相对于比较例而言峰强度改善约1,500%。进一步的测试证实与对于实施例3所描绘相似的实施例5的性能改善。

使用X射线衍射(XRD)分析实施例4的各种实例以确定在退火过程之前和之后缓冲层150的组成。在一个实例中，缓冲层150在退火过程之前包含Mn

根据本文提供的实施方案，光伏器件可以包括布置在缓冲层上的吸收层。吸收层可以具有第一表面和第二表面。吸收层可以包含镉和碲。吸收层可以掺杂有V族掺杂剂。缓冲层可以包括MnO

根据本文提供的实施方案，用于使部分形成的光伏器件退火的方法可以包括使吸收层与包括氯化镉的退火化合物接触。部分形成的光伏器件可以包括布置在缓冲层上的吸收层。吸收层可以包含镉和碲。缓冲层可以包括MnO

注意，术语“基本上”和“约”在本文中可以用于表示可以归因于任何定量比较、值、测量或其他表达的固有的不确定程度。这些术语在本文中还用于表示定量表达可以从所述提及物值变化、而不导致所讨论的主题的基本功能改变的程度。

尽管本文已经说明和描述了特定实施方案，但是应当理解，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以进行各种其他改变和更改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这样的方面不需要组合使用。因此，所附权利要求书旨在覆盖在所要求保护的主题的范围内的所有这样的改变和更改。