專利名稱：具有氧化鋅鎂窗口層的薄膜光伏裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體裝置及制造方法，更具體地涉及光伏(PV)裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光伏裝置通常包括沉積在基底(例如玻璃)上的多層材料。圖1描繪了典型的光伏裝置。光伏裝置100可以采用玻璃基底105、沉積在基底105上的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層110、由η型半導(dǎo)體材料制成的窗口層115、由半導(dǎo)體材料制成的吸收層120以及金屬背接觸件125。典型的裝置使用碲化鎘(CdTe)作為吸收層120并包括玻璃基底105、作為TCO層110的氧化錫(SnO2)或氧化鎘錫(Cd2SnO4)和作為窗口層115的硫化鎘(CdS)。以示例的方式，基底105上的典型的光伏裝置的沉積工藝的順序?yàn)?TC0層110，包括與SnO2和Cd2SnO4中的一種摻雜的η型材料；CdS窗口層115 ;CdTe吸收層120 ;以及金屬背接觸件125。CdTe吸收層120可以沉積在窗口層115的頂部上。圖2中描繪了典型的薄膜光伏裝置(例如CdTe裝置)的示例性能帶圖。作為TCO層的F摻雜的SnO2的帶隙能被描繪為205，作為緩沖層的未摻雜的SnO2的帶隙能被描繪為210，作為窗口層的CdS的帶隙能被描繪為215，作為吸收層的CdTe的帶隙能被描繪為220。典型地，CdS相對(duì)于CdTe的導(dǎo)帶邊沿偏移Λ通常是-0.2eV，具有+/-0.1eV的實(shí)驗(yàn)不確定度。

如圖2中所描繪的，Δ是窗口層和吸收層之間的導(dǎo)帶邊沿Ec的偏差，在CdS/CdTe堆疊的情況下，Λ是大約_0.2eV。理論模型已經(jīng)表明較大的Λ負(fù)值由于光載流子在窗口層/吸收層的界面復(fù)合的速率增加而導(dǎo)致Voc和FF的更大的損失。當(dāng)使Λ略微呈正值(O至0.4eV)時(shí)，可以將復(fù)合速率最小化，導(dǎo)致改善的Voc和FF。CdS是包括采用CdTe和Cu (In，Ga) Se2中的一種作為吸收層的光伏裝置的許多類型的薄膜光伏裝置中的常規(guī)的窗口層。然而，如圖2中所描繪的，CdS的光帶隙僅為2.4eV。


圖1描繪了典型的光伏裝置。圖2描繪了典型的薄膜光伏裝置的示例性能帶圖。圖3A描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的基底結(jié)構(gòu)。圖3B描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的基底結(jié)構(gòu)。圖4描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的基底結(jié)構(gòu)。圖5A描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的薄膜光伏裝置。圖5B描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的薄膜光伏裝置。
圖6描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的薄膜光伏裝置。圖7描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的薄膜光伏裝置的能帶圖。圖8A描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的斷路電壓的圖示。圖SB描繪了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的量子效率的圖示。
具體實(shí)施例方式本公開涉及一種光伏裝置及生產(chǎn)方法。在一個(gè)實(shí)施例中，采用ZrvxMgxO用于基底結(jié)構(gòu)的窗口層。圖3描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的基底結(jié)構(gòu)300。基底結(jié)構(gòu)300包括基底305、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層310、緩沖層315和窗口層320?？梢缘湫偷夭捎肨CO層310以允許太陽輻射進(jìn)入光伏裝置，TCO層310還可以用作電極。TCO層310可以包括與SnOjP Cd2SnO4中的一種摻雜的η型材料?？梢圆捎么翱趯?20以減少裝置中的光載流子(例如，電子和空穴)的內(nèi)部損失，窗口層320可以顯著地影響包括斷路電壓(Voc)、短路電流(Isc)和填充因數(shù)(FF)的裝置參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，窗口層320可以允許入射光傳遞到吸光材料以吸收光。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，為了改善窗口層320的整體發(fā)光效率，窗口層320包括ZrvxMgxO化合物。在一個(gè)實(shí)施例中，基底結(jié)構(gòu)300可以包括玻璃基底305以及TCO層310。緩沖層315可以是可選擇的。窗口層320 (例如ZrvxMgxO層)可以直接在TCO層310的頂部上，TCO層包括F摻雜的SnO2、未摻雜的SnO2和Cd2SnO4中的一種或多種。當(dāng)TCO層包括未摻雜的Cd2SnO4時(shí)，TCO層不具有外來的摻雜劑，然而該層可能由于氧空位而是高度η型的。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，可以提供用于制造光伏裝置的基底結(jié)構(gòu)300。如圖3Α中所描繪的，基底結(jié)構(gòu)包括基底305、TCO層310、低導(dǎo)電率緩沖層315以及ZrvxMgxO窗口層320。圖3Α的基底結(jié)構(gòu)包括裝置的其他層(例如，吸收層、金屬背件等)可以沉積到其上的ZrvxMgxO窗口層320。在一個(gè)實(shí)施例中，ZrvxMgxO窗口層320可以沉積到基于F-SnO2的基底結(jié)構(gòu)(類似TEC10)上。相似地，基底結(jié)構(gòu)300可以是錫酸鎘(CdSt)基底結(jié)構(gòu)。緩沖層315可以用于減小在半導(dǎo)體窗口層的形成過程中發(fā)生不規(guī)則性的可能性。緩沖層315可以由導(dǎo)電率比TCO層310的導(dǎo)電率低的材料形成，例如由未摻雜的氧化錫、氧化鋅錫、氧化鎘鋅或其他透明導(dǎo)電氧化物或者其組合形成。在特定的實(shí)施例中，如圖4中所描繪的，基底結(jié)構(gòu)300可以不包括緩沖層。當(dāng)基底結(jié)構(gòu)300包括低導(dǎo)電率緩沖層315時(shí)，該緩沖層布置在基底305 (例如，玻璃)和ZrvxMgxO窗口層之間。在一個(gè)實(shí)施例中，ZrvxMgxO窗口層320的厚度范圍為從2nm至2000nm。在另一個(gè)實(shí)施例中，Zn1JVIgxO中的組成X大于O且小于I。窗口層320可以是相對(duì)于常規(guī)的窗口層材料(例如CdS)導(dǎo)電率更高的材料。另外，窗口層320可以包括允許大大減小在藍(lán)光不足的環(huán)境中填充因數(shù)(FF)的損失的窗口層材料。ZrvxMgxO窗口層可以允許在藍(lán)光區(qū)域(例如，400nm至475nm)中的更多的太陽福射能夠到達(dá)吸收層,導(dǎo)致更高的短路電流(Isc)。在可選擇的實(shí)施例中，如圖3B中所 描繪的，例如基底結(jié)構(gòu)300的光伏裝置可以包括作為窗口層320的ZrvxMgxO化合物材料以及阻擋層和CdS窗口層中的一個(gè)或多個(gè)?；捉Y(jié)構(gòu)350的阻擋層355可以是氧化硅、氧化硅鋁、氧化錫或其他合適的材料或者其組合。CdS窗口層360可以沉積在ZrvxMgxO層320上，其中CdS窗口涉及用于沉積吸收層的表面。在一個(gè)實(shí)施例中，光伏裝置除了基底結(jié)構(gòu)(例如，基底結(jié)構(gòu)300)之外還包括ZrvxMgxO窗口層。例如，基底結(jié)構(gòu)300可以采用包括基底305、T⑶層310以及一個(gè)或多個(gè)附加元件的TCO堆疊件。在另一個(gè)實(shí)施例中，基底結(jié)構(gòu)300可以包括緩沖層315。ZrvxMgxO對(duì)于傳統(tǒng)的CdS窗口層的優(yōu)勢(shì)可以在于ZrvxMgxO相對(duì)于具有CdS窗口層的裝置具有更寬的帶隙。這樣，更多的太陽輻射可以到達(dá)CdTe吸收層，這導(dǎo)致更高的Isc。相似地，通過調(diào)整Zn1JVIgxO的組成,可以實(shí)現(xiàn)改善的導(dǎo)帶邊沿對(duì)準(zhǔn),這產(chǎn)生更高的Voc。摻雜濃度可以在每cm3的金屬氧化物為IO15至IO15原子(或離子)摻雜劑的范圍中。ZrvxMgxO的載流子密度可以大于CdS的載流子密度。這樣，可以形成更強(qiáng)的n-p半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，從而增加了太陽能電池的內(nèi)置電勢(shì)并將在界面處的復(fù)合最小化。導(dǎo)電率更高的窗口層還可以改善與處于全光照下相比藍(lán)光的百分比大大減小的弱光環(huán)境(例如光導(dǎo)電效應(yīng))下的填充因數(shù)的損失。參照?qǐng)D4，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例描繪圖3A的基底結(jié)構(gòu)?；捉Y(jié)構(gòu)400包括基底405、TCO層410和ZrvxMgxO窗口層420。與圖3A的基底結(jié)構(gòu)相比，可以以更低的成本制造基底結(jié)構(gòu)400。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，可以采用ZrvxMgxO用于光伏裝置的窗口層。圖5A至5B描繪了根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的光伏裝置，所述光伏裝置可以形成為薄膜光伏裝置。參照?qǐng)D5A，光伏裝置500包括基底505、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層510、緩沖層515、窗口層520、吸收層525和金屬背接觸件530?？梢圆捎梦諏?25以在吸收太陽輻射時(shí)產(chǎn)生光載流子。金屬背接觸件530可以被用作電極。金屬 背接觸件530可以由鑰、鋁、銅或者任何其他高導(dǎo)電材料制成。光伏裝置500的窗口層520可以包括ZrvxMgxO化合物。更具體地，光伏裝置500可以包括一個(gè)或多個(gè)玻璃基底505、由SnO2或Cd2SnO4制成的TCO層510、緩沖層515、ZrvxMgxO窗口層520、CdTe吸收層525以及金屬背接觸件530。緩沖層515可以涉及低導(dǎo)電率的緩沖層，例如未摻雜的Sn02。緩沖層515可以用于減小在半導(dǎo)體窗口層形成的過程中發(fā)生不規(guī)則性的可能性。吸收層525可以是CdTe層。層的厚度和材料不受圖5A-5B中描繪的厚度的限制。在一個(gè)實(shí)施例中，圖5A的裝置可以采用圖3A的基底。在特定的實(shí)施例中，光伏裝置500可以包括或者不包括低導(dǎo)電率緩沖層515、吸收層520和金屬背接觸件530。光伏裝置500可以包括碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵(二)硒化物(CIGS)和非晶硅(Si)中的一個(gè)或多個(gè)作為吸收層525。在一個(gè)實(shí)施例中，可以提供在基底結(jié)構(gòu)和吸收層525之間包括ZrvxMgxO窗口層520的光伏裝置，所述基底結(jié)構(gòu)可以包括或不包括低導(dǎo)電率緩沖層515。在特定的實(shí)施例中，所述裝置除了 ZrvxMgxO窗口層520之外還可以包括CdS窗口層。在可選擇的實(shí)施例中，如圖5B中所描繪的，光伏裝置500可以包括作為窗口層520的ZrvxMgxO化合物材料以及阻擋層和CdS窗口層中的一個(gè)或多個(gè)。阻擋層555可以是氧化硅、氧化硅鋁、氧化錫或其他合適的材料或者其組合。CdS窗口層560可以沉積在MShOx層520上,其中CdS窗口 560提供用于沉積吸收層的表面。在特定的實(shí)施例中，光伏裝置500可以不包括緩沖層。圖6描繪了包括玻璃基底605、由SnO2或Cd2SnO4制成的TCO層610、MS^xOx窗口層615、CdTe吸收層620以及金屬背接觸件625。圖7描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光伏裝置(例如采用CdTe吸收層的光伏裝置)的帶結(jié)構(gòu)。在圖7中，作為TCO層的F摻雜的SnO2的帶隙能被描繪為705，作為緩沖層的未摻雜的SnO2被描繪為710，作為窗口層的ZrvxMgxO被描繪為715，作為吸收層的CdTe被描繪為720。如進(jìn)一步描繪的，ZrvxMgxO相對(duì)于CdTe的導(dǎo)帶邊沿偏移Λ可以被調(diào)整到0_0.4eV。圖3的光伏裝置的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于CdS可以具有更寬的帶隙。氧化鋅(ZnO)和氧化鎂(MgO)都是寬帶隙氧化物。ZnO具有3.2eV的帶隙，MgO具有大約7.7eV的帶隙。由于ZnO是高度摻雜的，所以ZnO可更具有優(yōu)勢(shì)。如通過模擬所預(yù)測(cè)的，三元化合物ZrvxMgxO應(yīng)當(dāng)具有至少3eV的帶隙，這遠(yuǎn)大于CdS的帶隙，因此該化合物對(duì)于藍(lán)光更透明。另一方面，ZnO相對(duì)于CdTe的導(dǎo)帶邊沿具有從-0.6至-0.1eV的Λ，而MgO具有大約2.7eV的正Λ。因此，如圖4中所示，可以調(diào)整三元化合物ZrvxMgxO的組成來得到微小的正值Δ。圖8A-8B描繪了可以通過在光伏裝置的窗口層中采用ZrvxMgxO來提供的優(yōu)勢(shì)。首先參照?qǐng)D8A，示出了 CdS裝置805和ZrvxMgxO裝置810的斷路電壓的圖示。通過用ZrvxMgxO窗口層代替CdS窗口層而對(duì)裝置Voc的改進(jìn)可以包括從8IOmV至826mV的改進(jìn)的斷路電壓。圖8B描繪了處于400至600nm的范圍內(nèi)的量子效率855的圖示。如圖8B中所描繪的，具有Z rvxMgxO窗口層的描繪為865的CdTe裝置從400_500nm相對(duì)于描繪為860的CdS窗口層具有更高的量子效率。相對(duì)于CdS的21.8mA/cm2的電流密度，ZrvxMgxO的電流密度可涉及22.6mA/cm2。這里描述的Voc值的改進(jìn)是示例性的，因?yàn)闇y(cè)量特定的改進(jìn)的增量△可能是困難的。源電流可能改進(jìn)至2mA/cm2，其中相對(duì)于CdS裝置的改進(jìn)可以取決于采用的CdS的厚度。在另一方面，提供了制造圖2和圖3中所描繪的包括ZrvxMgxO窗口層的光伏裝置和基底的工藝。可以通過一種或多種工藝來制造包括ZrvxMgxO窗口層的基底結(jié)構(gòu)200，其中可以通過濺射、蒸發(fā)沉積和化學(xué)氣相沉積(CVD)中的一種或多種來制造結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層。相似地，可以通過以下工藝中的一種或多種來制造光伏裝置300的ZrvxMgxO窗口層:包括濺射、蒸發(fā)沉積、CVD、化學(xué)浴沉積以及氣相傳輸沉積。在一個(gè)實(shí)施例中，用于制造光伏裝置的工藝通?？梢园―C脈沖濺射、RF濺射、AC濺射和其他濺射工藝中的一種對(duì)ZrvxMgxO窗口層進(jìn)行的濺射工藝。濺射使用的源材料可以是ZrvxMgxO三元化合物一種或多種陶瓷靶材，其中X在O至I的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，用于濺射的源材料可以是ZrvxMgxO (其中X在O至I的范圍內(nèi))合金的一種或多種靶材。在另一個(gè)實(shí)施例中，用于濺射的源材料可以是兩種或更多種陶瓷靶材，其中一種或多種由ZnO制成，一種或多種由MgO制成。在另一個(gè)實(shí)施例中，用于濺射的源材料可以是兩種或更多種金屬祀材，其中一種或多種由Zn制成,一種或多種由Mg形成。用于派射ZrvxMgxO的工藝氣體可以是使用不同的混合比例的氬和氧的混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過使用包括但不限于二乙基鋅、雙(環(huán)戊二烯)鎂的前驅(qū)體的利用諸如H2O或臭氧的試劑的大氣壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)來沉積ZrvxMgxO窗口層。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，制造光伏裝置的工藝會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于吸收層的導(dǎo)帶偏移。例如，可以通過選擇合適的X值將窗口(ZrvxMgxO)層相對(duì)于吸收層的導(dǎo)帶偏移調(diào)整在O和+0.4eV之間。另外，可以通過用鋁(Al)、錳(Mn)、鈮(Nb)、氮(N)、氟(F)中的一種摻雜氧化鋅鎂以及通過導(dǎo)入氧空位來將ZrvxMgxO窗口層的導(dǎo)電率調(diào)節(jié)在I毫歐姆每cm至10歐姆每cm的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，摻雜劑濃度是從大約IXlO14Cm3至大約lX1019cm3。在一個(gè)實(shí)施例中，使用具有從大約IXlO17Cm3至大約IXlO18Cm3的摻雜劑濃度的濺射靶材形成窗口層。
權(quán)利要求
1.一種光伏裝置，所述光伏裝置包括: 基底結(jié)構(gòu)，包括ZrvxMgxO窗口層和低導(dǎo)電率緩沖層；以及 CdTe吸收層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中，基底結(jié)構(gòu)包括透明導(dǎo)電氧化層，透明導(dǎo)電氧化層位于基底結(jié)構(gòu)的低導(dǎo)電率緩沖層和玻璃基底之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO窗口層設(shè)置在基底結(jié)構(gòu)的低導(dǎo)電率層和CdTe吸收層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中，基底結(jié)構(gòu)還包括位于緩沖層之上的CdS窗口層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO窗口層的厚度范圍為從2nm至2000nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO中的組成X在O至I的范圍中。
7.一種基底結(jié)構(gòu)，所述基底結(jié)構(gòu)包括: 玻璃基底； 透明導(dǎo)電氧化物層，形成在玻璃基底上；以及 ZrvxMgxO窗口層，由透明導(dǎo)電氧化物層支撐。`
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基底結(jié)構(gòu)，其中，所述基底結(jié)構(gòu)還包括位于低導(dǎo)電率緩沖層上方的CdS窗口層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基底結(jié)構(gòu)，所述基底結(jié)構(gòu)還包括位于玻璃基底和ZrvxMgxO窗口層之間的低導(dǎo)電率緩沖層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基底結(jié)構(gòu)，其中，ZrvxMgxO窗口層的厚度范圍為從2nm至2000nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO中的組成X在O至I的范圍中。
12.一種制造光電裝置的工藝，所述工藝包括: 通過濺射、蒸發(fā)沉積、CVD、化學(xué)浴沉積工藝以及氣相傳輸沉積工藝中的至少一種來在基底上方形成ZrvxMgxO窗口層；以及 在ZrvxMgxO窗口層之上形成CdTe吸收層。
13.一種光伏裝置，所述光伏裝置包括: ZrvxMgxO窗口層，通過濺射工藝、蒸發(fā)沉積工藝、CVD工藝、化學(xué)浴沉積工藝以及氣相傳輸沉積工藝中的一種或多種形成；以及 CdTe吸收層，形成在ZrvxMgxO窗口層之上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，所述ZrvxMgxO窗口層的濺射工藝是DC脈沖濺射、RF濺射和AC濺射中的一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，用于濺射的源材料是ZrvxMgxO化合物的一種或多種陶瓷靶材，其中X在O至I的范圍中。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，用于濺射的源材料是ZrvxMgxO合金的一種或多種靶材，其中X在O至I的范圍中。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，用于濺射的源材料是兩種或更多種陶瓷革巴材，其中一種或多種由ZnO形成,一種或多種由MgO形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，用于濺射的源材料是兩種或更多種金屬革巴材，其中一種或多種由Zn形成,一種或多種由Mg形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，用于濺射ZrvxMgxO的工藝氣體是氬和氧的混合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，通過使用包括但不限于二乙基鋅、雙(環(huán)戊二烯)鎂的前驅(qū)體的利用諸如H2O或臭氧的試劑的大氣壓化學(xué)氣相沉積來沉積ZrvxMgxO層。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO層相對(duì)于吸收層的導(dǎo)帶偏移在O至+0.4eV的范圍中。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO的導(dǎo)電率被調(diào)節(jié)至在I毫歐姆每cm至10歐姆每cm的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏裝置，其中，ZrvxMgxO用Al、Mn、Nb、N、F摻雜或者引入氧空位 。
全文摘要
描述了用于光伏裝置和基底結(jié)構(gòu)的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，光伏裝置包括基底結(jié)構(gòu)和CdTe吸收層，所述基底結(jié)構(gòu)包括Zn1-xMgxO窗口層和低導(dǎo)電率緩沖層。另一個(gè)實(shí)施例涉及用于制造光伏裝置的工藝，所述工藝包括通過濺射、蒸發(fā)沉積、CVD、化學(xué)浴沉積工藝以及氣相傳輸沉積工藝中的至少一種在基底上方形成Zn1-xMgxO窗口層。所述工藝包括在Zn1-xMgxO窗口層之上形成CdTe吸收層。
文檔編號(hào)H01L31/18GK103229306SQ201180056108
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者邵銳, 馬庫斯·格洛克勒 申請(qǐng)人:第一太陽能有限公司