具有暴露的導電柵極的耐溼光伏器件的製作方法

2023-12-11 14:07:22 2

專利名稱：具有暴露的導電柵極的耐溼光伏器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及結合有促使容易製造外部電連接的導電收集柵極的這種類型的光伏器件，並且更具體地涉及異質結光伏器件，尤其是基於硫屬元素的光伏器件，所述光伏器件具有這些柵極與器件的其他部件之間提高的附著，其中提高的附著有助於提供具有增強的 耐溼性的器件。
背景技術：
η型硫屬化物組合物和/或P型硫屬化物組合物都已經被結合至異質結光伏器件的部件中。P型硫屬化物組合物在這些器件中已經被用作光伏吸收體區域。示例性P型光伏活性硫屬化物組合物通常包括鋁(Al)、銅(Cu)、銦(In)和/或鎵(Ga)中的至少一種或多種的硫化物和/或硒化物。更典型地存在Cu、In和Ga中的至少兩種或者甚至全部三種。這些材料被稱為CIS、CIAS、CISS、CIGS和/或CIGSS組合物等(在下文中統稱為CIGS組合物)。基於CIGS組合物的吸收體提供了多種益處。作為其中之一，這些組合物具有非常高的橫截面用於吸收入射光。這意味著非常高百分比的入射光可以由非常薄的基於CIGS的吸收體層捕獲。例如，在很多器件中，基於CIGS的吸收體層具有在約2μπι至約3μπι的範圍內的厚度。這些薄層使得結合有這些層的器件可以是撓性的。這與基於矽的吸收體相反。基於矽的吸收體具有較低的用於光捕獲的截面並且通常必須厚得多以捕獲相同量的入射光。基於矽的吸收體傾向於是剛性的，而不是撓性的。η型硫屬化物組合物，尤其是至少結合有鎘的那些，已經被作為緩衝層用於光伏器件中。這些材料通常具有可用於幫助形成鄰近於η型與P型材料之間的界面的ρ-η結的帶隙。類似於P型材料，η型硫屬化物層可以是薄得足以在撓性光伏器件中使用。這些基於硫屬化物的光伏電池經常還包含其他層如透明導電層和窗口層。異質結光伏電池，尤其是基於P型和η型硫屬化物的那些，是水敏感性的並且在過多水的存在下可能過度退化。同樣，較薄的撓性層易受熱和其他層離或斷裂應力損壞。層離和斷裂不僅可以損壞器件性能，而且所產生的層離和斷裂還可以加重水分入侵。因此，為提高使用壽命，器件部件之間的強附著對於抵抗層離、斷裂和溼氣侵入是重要的。為保護異質結光伏太陽能電池，尤其是基於硫屬化物的太陽能電池，不受溼氣退化的損害，可以將一個或多個氣密阻擋膜沉積在器件上。然而，這種阻擋膜可以傾向於顯示出對器件的一個或多個頂部表面的差的附著。尤其是，阻擋材料與下面的透明導電氧化物(TCO)材料和/或導電收集柵極之間的附著可能不像所需要的那麼強。此外，柵極與其他材料如TCO組合物之間的附著也可能較差。這些問題可能導致過度層離或連續氣密阻擋膜的破裂和/或開放的路徑使得水侵入能夠太過容易地達到硫屬化物組合物。這可能導致隨後的器件性能劣化和最終的失效。而且，因為阻擋膜典型地是電介質，因此提供用於貫穿彼此互連的電池的電收集的連續導電路徑變得有挑戰。已知使用氮化矽膜用於在基於矽的太陽能電池的情況下的鈍化。然而，與基於硫屬化物的電池相比，基於矽的太陽能電池傾向於較厚並且更加剛性。因此，層間附著在基於矽的太陽能電池的情況下問題小得多。此外，基於矽的太陽能電池具有良好的耐溼性使得對基於娃的太陽能電池關於溼氣侵入的關注少得多。發明概述本發明提供用於提高透明導電氧化物、導電柵極材料和電介質阻擋層中的兩個或更多個之間的附著的策略。結果，這些策略在異質結光伏器件如基於硫屬化物的太陽能電 池的製造中是特別有用的。所得到的電池更加耐層離、斷裂和/或溼氣入侵。預期的是通過本發明的策略保護的器件具有提高的使用壽命。本發明的發明人意外地發現，如果形成阻擋層並且之後將柵極施加至阻擋層中的通道，與阻擋層形成在柵極上或柵極周圍的情況比較，該結構體具有提高的耐溼性。附著提高至這樣一種程度使得柵極材料和電介質阻擋材料可以結合以提供器件上的氣密密封，以使其免於遭受由環境條件引起的損壞，包括歸因於水侵入的損壞。這使得收集柵極能夠至少部分地暴露在電介質阻擋層上，使得易於製造至器件的電子連接。一方面，本發明提供一種光伏器件，所述光伏器件包括a)基板，所述基板具有光入射表面和後表面並且包含至少一種光伏吸收體，優選含硫屬化物的光伏吸收體，其中所述基板包括在所述吸收體與所述光入射表面之間插入的至少一個透明導電氧化物層；b)電介質阻擋層，所述電介質阻擋層位於所述透明導電氧化物層之上；c)至少一個通道，所述至少一個通道存在於所述電介質阻擋層中，所述通道終止於所述器件中的某個位置使得所述通道提供經過所述電介質阻擋層至所述透明導電氧化物層的開放連通，而不一直穿過所述透明導電氧化物層；以及d)電接觸，所述電接觸電連接至所述透明導電氧化物層，所述電接觸包含在所述通道中形成的基座和在所述電介質阻擋層上凸出的帽。另一方面，本發明涉及一種光伏器件，所述光伏器件包括a)基板，所述基板具有光入射表面和後表面並且包含至少一種光伏吸收體，優選含硫屬化物的光伏吸收體，其中所述基板包括在所述吸收體與所述光入射表面之間插入的至少一個透明導電氧化物層；b)電介質阻擋層，所述電介質阻擋層位於所述透明導電氧化物層之上；c)至少一個通道，所述至少一個通道存在於所述電介質阻擋層中，所述通道終止於所述器件中的某個位置使得所述通道提供經過所述電介質阻擋層至所述透明導電氧化物層的開放連通，而不一直穿過所述透明導電氧化物層；以及d)電接觸，所述電接觸電連接至所述透明導電氧化物層，所述電接觸包含在所述通道中形成的基座和在所述電介質阻擋層上凸出的帽，所述帽在至少一個維度上比所述通道的至少一部分寬。
另一方面，本發明提供一種製備光伏器件的方法。該方法包括以下步驟a)提供基板，所述基板具有光入射表面和後表面並且包含至少一種光伏吸收體，其中所述基板包括在所述吸收體與所述光入射表面之間插入的至少一個透明導電氧化物層；b)使得電介質阻擋層位於所述透明導電氧化物層之上；c)使得至少一個通道存在於所述電介質阻擋層中，所述通道終止於所述器件中的某個位置使得所述通道提供經過所述電介質阻擋層至所述透明導電氧化物層的開放連通，而不一直穿過所述透明導電氧化物層；以及d)形成電連接至所述透明導電氧化物層的電接觸，所述電接觸包含在所述通道中形成的基座和在所述電介質阻擋層上凸出的帽。
附圖
簡述通過結合附圖參考下面的本發明實施方案的描述，本發明的以上提到的和其他益處，以及獲得它們的方式，將變得更顯而易見並且本發明自身將被更好的理解，在附圖中圖I是根據本發明的原理的光伏器件的一個實施方案的示意性橫截面；並且圖2是作為本發明樣品相對於比較的測量溼氣阻擋層品質的方式的包含光學密度特性的圖。當前優選實施方案詳述下面描述的本發明的實施方案不意欲窮舉或將本發明限制至以下詳述中公開的準確形式。相反地，選擇並描述實施方案以使得本領域技術人員能夠理解並明白本發明的原理和實施方式。本文引用的所有的專利、待決專利申請、已公開專利申請和技術文章用於所有目的通過引用以它們的相應全部內容結合在此。圖I示意性地示出了本發明的光伏器件10的一個實施方案。器件10適宜地是撓性的以允許將器件10安裝至帶有一定曲率的表面。在優選的實施方案中，器件10是足夠撓性的以能夠卷繞在具有50cm的直徑，優選約40cm的直徑，更優選約25cm的直徑的心軸周圍而在25°C的溫度不斷裂。器件10包括接收光射線16的光入射面12和後面14。器件10包括結合有含硫屬化物的光伏吸收體區域20的基板18。區域20可以是如所示的單個的整體層，也可以由一個以上的層形成。區域20吸收光射線16中包含的光能並且之後將該光能光伏轉化為電能。硫屬化物吸收體區域20優選結合有至少一種IB-IIIB-硫屬化物，如IB-IIIB-硒化物、IB-IIIB-硫化物和IB-IIIB-硒化物-硫化物，其包含銅、銦和/或鎵中的至少一種。在很多實施方案中，這些材料以多晶形式存在。有益地，這些材料展現出色的用於光吸收的橫截面，其使得區域20能夠是非常薄的並且是撓性的。在示例性實施方案中，典型的吸收體區域20可以具有在約Iym至約5 μ m,優選約2 μ m至約3 μ m的範圍內的厚度。這些IB-IIIB-硫屬化物的代表性實例除了結合有硒和/或硫之外，還結合有銅、銦和/或鎵中的一種以上。一些實施方案包括銅和銦的硫化物或硒化物。其他實施方案包括銅、銦和鎵的硒化物或硫化物。具體實例包括但是不限於硒化銅銦、硒化銅銦鎵、硒化銅鎵、硫化銅銦、硫化銅銦鎵、硒化銅鎵、硫化硒化銅銦、硫化硒化銅鎵、硒化銅銦招和硫化硒化銅銦鎵(在本文將它們全部稱為CIGS)材料。可以將硫屬化物吸收體用本領域中已知的其他材料如鈉摻雜。
在代表性實施方案中，具有光伏性質的CIGS材料可以由式CuIn(1_x)GaxSe(2_y)Sy表示，其中X是O至I並且y是O至2。硒化銅銦和硒化銅銦鎵是優選的。吸收體區域20可以通過任何合適的方法使用一種或多種技術中的各種如蒸發、濺射、電沉積、噴塗和燒結形成。一種優選的方法是來自一個或多個合適的靶標的組成元素的共蒸發，其中將單獨的組成元素以一次性同時、相繼或這些的組合的方式熱蒸發在熱表面上以形成區域20。在沉積之後，可以對所沉積的材料進行一種或多種進一步的處理，以完成區域20。在很多實施方案中，CIGS材料具有P型特性。除吸收體區域20之外，基板18還可以包括一個或多個其他部件，包括載體22、後側電接觸區域24、緩衝區域28和透明導電氧化物(TCO)區域30。如所示，這些區域的每一個可以是如所述的單一的整合層，也可以由一個以上的層形成。載體22可以是剛性的或撓性的，但是在那些其中器件10可以與非平面表面結合使用的實施方案中適宜地是撓性的。 載體22可以由寬範圍的材料形成。這些材料包括玻璃、石英、其他陶瓷材料、聚合物、金屬、金屬合金、金屬間組合物、紙、紡織物或無紡織物，這些的組合等。不鏽鋼是優選的。後側電接觸區域24提供將器件10電連接至外部電路的方便方式。接觸區域24可以由寬範圍的導電材料形成，所述導電材料包括Cu、Mo、Ag、Al、Cr、Ni、Ti、Ta、Nb、W、這些的組合等中的一種或多種。在示例性實施方案中可以使用結合有Mo的導電組合物。後側電接觸區域24還有助於將吸收體區域20與載體隔離，以最小化載體成分向吸收體層中的遷移。例如，後側電接觸區域24可以有助於阻擋不鏽鋼載體22的Fe和Ni成分向吸收體區域20中的遷移。如果在吸收體區域20的形成中使用Se，則後側電接觸區域24還可以如通過保護不受Se的影響而保護載體22。可以根據現在已知的或之後開發的傳統實踐在與後面14相鄰處使用任選的層(未示出)，以幫助增強後側電接觸區域24與載體22之間和/或後側電接觸區域24與吸收體區域20之間的附著。此外，也可以將一個或多個阻擋層(未示出)設置在後側電接觸區域24之上，以有助於將器件10與環境隔離和/或有助於將器件10電絕緣。也可以出於多種原因，將一個或多個這種附加的層(未示出)沉積至載體22的後側上，所述原因包括有助於防止電池製造過程中基板的硒化。這種一個或多個層典型地包含鑰。與具有單質結結構的基於矽的半導體電池相反，當基於硫屬化物材料時器件10通常設置有異質結結構。異質結可以形成在吸收體區域20與由緩衝區域28緩衝的TCO區域30之間。還可以存在任選的窗口區域26。這些區域的每一個顯示為單一的整體層，但是可以是如所示的單一的整體層，也可以由一個以上的層形成。緩衝區域28通常包含具有合適的帶隙的η型半導體材料，以有助於在臨近吸收體區域20與緩衝區域28之間的界面32處形成ρ-η結。當吸收體層是具有在約I. O至約I. 6eV的範圍內的帶隙的CIGS材料時，用於緩衝區域28的合適的帶隙通常在約I. 7eV至約
3.6eV的範圍內。CdS具有約2. 4eV的帶隙。示例性緩衝層實施方案通常可以具有在約IOnm至約200nm的範圍內的厚度。可以使用寬範圍的η型半導體材料形成緩衝區域28。示例性材料包括鎘、鋅、鉛、銦、錫、這些的組合等中的一種或多種的硒化物、硫化物和/或氧化物，任選地被材料摻雜，所述材料包括氟、鈉、這些的組合等中的一種或多種。在一些示例性實施方案中，緩衝區域28是包含鎘和任選地包含至少一種其他金屬如鋅的硒化物和/或硫化物。其他示例性實施方案將包括鋅的硫化物和/或硒化物。另外的示例性實施方案可以結合有被一種或多種材料如氟摻雜的錫的氧化物。可以使用寬範圍的方法來形成緩衝區域28，所述方法例如化學浴沉積、部分電解質處理、蒸發、濺射或其他沉積技術。基板18可以包括任選的窗口層。窗口區域26可以有助於保護不受分流的影響。窗口區域26還可以在TCO區域30的隨後沉積過程中保護緩衝區域28。窗口區域26可以由寬範圍的材料形成，並且通常由電阻性的、透明氧化物如Zn、In、Cd、Sn、這些的組合等的氧化物形成。示例性的窗口材料是本徵ZnO。典型的窗口區域26可以具有在約IOnm至約200nm,優選約50nm至約150nm,更優選約80nm至約120nm的範圍內的厚度。TCO區域30被插入在緩衝區域28與光入射表面12之間，並且電連接至緩衝區域28，以提供用於基板18的頂部導電電極。在很多合適的實施方案中，TCO層具有在約IOnm 至約1500nm,優選約150nm至約200nm的範圍內的厚度。如所示，TCO區域30與窗口區域26接觸。作為另一種選擇的實例，TCO區域30可以直接與緩衝區域28接觸。可以用於多種原因如促進附著、增強電性能等將一個或多個插入層任選地插入。可以將寬範圍的多種透明導電氧化物或這些的組合結合至TCO區域30中。實例包括氟摻雜的氧化錫、氧化錫、氧化銦、氧化銦錫(ITO)、招摻雜的氧化鋅(AZO)、氧化鋅、這些的組合等。在一個示例性實施方案中，TCO區域30是氧化銦錫。TCO層方便地經由濺射或其他合適的沉積技術形成。電介質阻擋區域34和導電收集柵極36位於基板18上方。柵極適宜地至少包含導電金屬如鎳、銅、銀等和/或它們的組合。在一個示例性實施方案中，柵極具有包含鎳和銀的雙層構造。因為這些材料不是透明的，因此將它們沉積為空間上間隔線的柵極以使得柵極在表面上佔據相對小的覆蓋區(footprint)(例如，在一些實施方案中，柵極佔與光捕獲相關的總表面積的約5%以下，甚至約2%以下，或者甚至約1%以下，以使得將光活性材料暴露至入射光)。如所示，區域34是單層。然而，如果需要，區域34可以由多於一個層形成。作為本發明用於形成器件10的這些部件的方法的綜述，阻擋區域34的至少一部分在柵極36的至少一部分的形成之前形成。優選地，至少基本上所有的阻擋區域34在形成柵極36之前形成。將在TCO區域30中暴露TCO材料的通道38設置在區域34中。隨後將柵極36的至少一部分形成在通道38中，任選地在材料之間的界面使用附著增進膜(未示出)從而完成氣密封套以保護下面的層。有益地，本發明的方法增強在基於硫屬化物的光伏器件並且尤其是撓性的基於CIGS的器件的情況下阻擋區域34與柵極36之間的附著品質。該方法以提高阻擋區域34與柵極36之間界面處的附著，從而對層離和溼氣入侵提供增強的保護。作為結果，器件壽命延長。這是令人驚訝的，因為如果首先形成柵極36，則層離和水侵入容易出現得多。此夕卜，因為組成柵極36 —部分的接觸40在電介質阻擋層之上凸出，易於使用標準的不昂貴的技術製備至器件10的電連接。在優選的實施方案中，在區域34之上凸出的接觸的部分比下面的通道38寬，這不僅使電連接容易，而且還在接觸40與阻擋區域34之間的界面處建立曲折的路徑。這種曲折的路徑使得水更加難以穿入器件10中。更詳細地，電介質阻擋區域34由一種或多種合適的電介質材料形成，其具有足夠低的介電常數以有助於將TCO區域34與周圍環境電絕緣，除了在那些需要通過組成導電柵極36的元件的電接觸40電接觸的位置以外。在很多實施方案中，電介質阻擋區域34具有在2至約120，優選2至約50，更優選3至約10的範圍內的介電常數。此外，電介質區域34還適宜地提供對水蒸氣侵入的阻擋保護。在很多實施方案中，電介質阻擋區域34的特徵在於在10°至約10_5g/m2 ·天的水蒸氣透過率(WVTR),但是最優選小於5 X 10_4g/m2 ·天。材料的WVTR可以根據ASTM E 96中描述的方法或在其他測試如鈣測試(Wolf等，等離子體工藝和聚合物(Plasma Processes and Polymers)，2007，4，S185-S189)中測定。電介質阻擋區域34可以由多種材料形成。優選地，在阻擋區域34中使用的材料是無孔的。在本發明中可使用的阻擋塗層在400nm-1300nm的透射波長範圍內優選展現光透射率> 80%並且在相同範圍內更優選展現> 85%透射率。電介質阻擋區域34可以具有寬範圍的厚度。如果太薄，則電絕緣性質和對溼氣侵入的保護可能不像可能所需要的那樣堅固。如果過厚，則透明性可能過度受損而沒有提供足夠的額外性能。平衡這些顧慮，阻擋區域34的示例性實施方案可以具有在IOnm至約 IOOOnm,優選約IOnm至約250nm,更優選約50nm至約150nm的範圍內的厚度。電介質阻擋區域34可以選自由金屬氧化物、碳化物、氮化物等或它們的組合組成的組。在一個優選的實施方案中，阻擋層材料是矽的氧化物和/或氮化物。這些實施方案提供出色的電介質和溼氣保護。在一些實施方案中，電介質阻擋區域34優選由氮化矽或結合有矽、氮和氧(氧氮化矽)的材料形成。在其中電介質阻擋區域34由兩個以上子層形成的其他實施方案中，第一子層可以由氮化矽形成，並且第二子層可以由氧氮化矽形成。當使用兩個以上子層時，優選的是底部層(即，與TCO層接觸的層)是氮化矽。氮化矽的代表性實施方案可以由式SiNx表示，並且氧氮化矽的代表性實施方案可以由式SiOyNz表示，其中X在約I. 2至約I. 5，優選約I. 3至約I. 4的範圍內；y優選在大於O至約O. 8，優選約O. I至約O. 5的範圍內；並且Z在約O. 8至約I. 4，優選約I. O至約I. 3的範圍內。適宜地，選擇x、y和z以使得阻擋區域34，或者適宜時，其每個子層，具有在約
I.80至約3的範圍內的折射率。作為一個合適的實施方案的實例，式Si\3並且具有2. 03的折射率的氮化矽在本發明的實施中將是合適的。電介質阻擋區域34可以以多種方式形成在TCO區域30上。根據一種示例性方法，將電介質阻擋區域34通過在低於約200°C，優選低於約150°C，更優選低於約100°C進行的低溫方法沉積在太陽能電池上。在上下文中的溫度是指沉積出現的表面處的溫度。優選地，無機阻擋層經由磁控管濺射沉積。在將要形成優選的氮化矽層的情況下，電介質阻擋層優選使用矽靶和氮氣和氬氣的混合物經由反應性磁控管濺射沉積。氣體進料中氮的摩爾分數優選大於O. 1，更優選大於O. 2並且優選小於I. 0，更優選小於O. 5。在沉積之前，室中的合適的底壓力(base pressure)在約1Χ1(Γ8至約1Χ1(Γ5託的範圍內。派射發生的操作壓力適宜地在約2毫託至約10毫託的範圍內。當使用這些濺射條件形成電介質阻擋區域34時，據信隙間的、相對薄的子層(未示出)適宜地鄰近於TCO區域30與電介質阻擋區域34之間的界面形成。電介質阻擋區域34的較厚的電介質子層(未示出)形成在其上。基於掃描電子顯微鏡(SEM)分析中所示的對比度區別，據信隙間子層與區域34的主體相比展現具有低密度。隙間子層的元素組成的表徵可能傾向於具有比區域34的主體的氧含量大的氧含量。不希望被束縛，假定該隙間子層的形成可以有益於區域34的環境阻擋性質並且還可以促進由膜形成過程中過度的電子和離子轟擊引起的晶格缺陷的減少/修復。使用低溫工藝沉積電介質阻擋區域34的這種方法進一步描述在2009年3月25日以DeGroot等的名義提交的並且具有代理人案號67695的受讓人的共同待決申請「在薄膜光伏製品上形成保護層的方法和用這種層製備的製品(METHOD OF FORMING A PROTECTIVE LAYER ON THIN-FILM PHOTOVOLTAIC ARTICLESAND ARTICLES MADE WITH SUCH LAYER) 」 中(現在公開為 US2010/0243046)。作為選擇，電介質阻擋區域34也可以通過其他方法製備，所述方法包括但是不限於本領域技術人員已知的低溫真空方法，包括化學氣相沉積(CVD)，等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)，原子層沉積(ALD)以及其他。電介質阻擋區域34的優選實施方案在約400nm至約1300nm的透射波長範圍內展現光透射率> 80%，並且在相同範圍內優選展現> 85%透射率。此外，電介質阻擋區域34的優選實施方案可以展現小於lX10_2g/m2 天並且優選小於5X10_4g/m2 天的水蒸氣透過率。電介質阻擋區域34可以作為單層或作為多個子層應用。 至少一個通道38存在於電介質阻擋區域34中。用於示例的目的，示出了兩個通道。可以將通道38以多種方式形成在區域34中。根據一個選擇，通道38可以通過遮掩下方的結構體的對應區域形成。之後可以將電介質材料沉積在下方的結構體之上，之後將掩模移除以露出穿過電介質的通道38。通道38也可以由通過在形成區域34之後但是在電接觸40形成之前移除電介質阻擋區域34的一部分的後沉積形成。材料移除可以以多種方式進行，如通過雷射消融、在掩模的存在下的化學刻蝕、光刻、這些的組合等進行。當將通道38用下面進一步描述的柵極組成成分填充時，阻擋區域34和柵極36合作以形成器件10上的氣密封套。如所示，至少一個通道38從表面12延伸至在形成柵極組成成分之前暴露TCO區域30的底部44。如所示，至少一個通道38的底部44結束於鄰近表面44處。在其他實施方案(未示出)中，可以設置底部44以使得通道38穿入但是不穿過TCO區域30。這使得電接觸40電連接至TCO層。只要器件10包括至少一個具有該構造的通道38，則如果需要，可以使用以更低或更高的程度穿入器件10中的其他通道。更優選地，雖然，至少大多數的，並且優選至少基本上所有的形成在區域34中的通道終止於TCO區域30處或終止於其內。將構成導電柵極36的至少一部分的電接觸40形成在通道38中並且電連接至TCO區域30。提供至少一個連接至TCO區域30的而不是連接至器件10中更深的另一個層的接觸40提供多種益處。首先，對於水能夠沿接觸40的側部穿入器件10的程度，接觸40僅向下延伸至TCO區域34的深度。因此，器件10的更深的層，如基於硫屬化物的吸收體區域20受到更多保護以免於水侵入。在本發明的一些實施方案中，僅有通道38和通道中形成的接觸40的一部分延伸至TCO層的深度並且不進一步延伸，而其他通道和接觸可能延伸至器件10中至更高的或更低的程度。然而，更優選地，至少基本上所有的通道38和接觸40延伸至TCO區域30而不一直穿過TCO區域30。每個接觸40包括通道內的基座48和在電介質阻擋區域34的光入射表面12上凸出的帽50。凸出帽50使得容易製備至柵極36的電連接。如該實施方案中所示的帽50的至少一部分在至少一個維度上比下面的通道38的至少一部分寬。這建立曲折的路徑，使得基本上最小化並且甚至基本上消除水侵入。基座48和帽50可以如所示整體地形成，也可以由兩個以上組件形成。
帽50可以具有寬範圍的厚度。在示例性實施方案中，帽50具有在約O. 05μπι至約50 μ m,優選約O. I μ m至約25 μ m,更優選約I. O μ m至約10 μ m的範圍內的厚度。電接觸40可以由寬範圍的導電材料形成，但是最適宜的是由一種或多種金屬、金屬合金、或金屬間組合物形成。示例性接觸材料包括Ag、Al、Cu、Cr、Ni、Ti、這些的組合等的一種或多種。結合有Ag的接觸40是優選的。為提高接觸40與通道38的壁之間的附著品質，可以在該界面的全部或一部分使用任選的附著增進膜56。如圖I中所示，膜56基本上對全部的通道38襯裡。膜56的使用有助於使得器件10對於層離、水侵蝕或其他退化甚至更加堅固。在典型的實施方案中，膜56具有在約IOnm至約500nm,優選約25nm至約250nm,更優選約50nm至約IOOnm的範圍內的厚度。膜56可以由寬範圍的材料形成。膜56的優選的實施方案結合有導電金屬成分如Ni。膜56在沉積接觸40之前形成在通道38中。任選的區域(未示出)可以包括設置在電介質阻擋區域34之上的一個或多個附 加的阻擋層以幫助進一步保護器件10。在很多實施模式中，這些附加的阻擋層，如果有，在對柵極36製備所需的電連接之後結合至器件10中。如果使用任選的區域，也可以將帽50的頂部表面58用附著增進膜(未示出)塗敷。該上面的膜可以由與在膜56中使用的相同的一種或多種材料形成，但是也可以由更寬範圍的材料形成，條件是這種上面的膜不需要是導電的。如果這種上面的膜要由電介質或其他絕緣材料形成，則上面的膜可以在對柵極36製備電接觸之後形成。備選地，上面的膜可以在製備電連接之前以留下合適的通子網以能夠製備所需的電連接的形式形成。在優選的方面，電介質阻擋區域34的至少一部分在形成柵極36的至少一部分之前被結合至器件10中。當首先形成電介質阻擋區域34時，接觸40與阻擋區域34之間的界面對於層離、斷裂和水透入而言非常堅固。當使用任選的膜56時，尤其是當Ni構成膜56的一部分，優選佔任選的膜56的以摩爾計至少50%，更優選至少約90%時，尤其是接觸40結合有銀時，界面的品質極大地提高。相反，當整個柵極36在阻擋區域34之前整個形成時，接觸40與阻擋區域34之間的界面較不堅固。 現在將參考以下示例性實施例描述本發明。實施例I在I」xl」鈉鈣玻璃片上，製備基板，所述基板包含濺射沉積的鋁薄膜(約30nm)，之後是130nm厚度的氧化銦錫(ITO)層。使用常規RF磁控管濺射室，由IOOmm直徑，5mm厚的ITO陶瓷靶(90重量％的In2O3,10重量％的SnO2)，使用氬(14sccm)和氧(2sccm)的氣體流，使用質量流控制器控制的，以獲得2.8毫託的工作氣體壓力，來製備氧化銦錫(ITO)膜。沉積過程中將基板溫度保持在150°C。將一條Kapton膠帶(lmmx5mm)施加以遮掩樣品的一個地方。將178nm厚的氮化矽層濺射沉積在ITO和膠帶之上。經由反應性濺射使用硼摻雜的矽靶和50 50的Ar N2氣比例，沉積氮化矽。將沉積過程中的壓力控制在4. O毫託，將功率設定在140W並且將室板處於旋轉模式。靶至基板的距離為75mm。氮化矽膜沉積速率為大約40 A/分鐘。在沉積之前，將體系抽至9X 10_6託的底壓力。之後將膠帶小心的除去以露出在氮化矽下面的裸ITO層。施加掩模以覆蓋除比暴露的ITO稍大的矩形表面(空的)之外的整個樣品。將具有約1600nm的總厚度的Ni層以及之後的Ag層相繼蒸發在掩模之上，從而沉積完全覆蓋暴露的ITO的導電柵極。在Denton Explorer 14系統上通過電子束(E_beam)蒸發相繼沉積Ni和Ag層。在蒸發之前，將室底壓力降低至<2X10_6託。所有的沉積在
9.OkV進行，同時電流值對於Ni和Ag分別是O. 130和O. 042安培。在過程中使用Maxtek260石英晶體沉積控制器對於Ni和Ag將沉積速率分別控制在2.0A/S和15.0 A/S Ni彈(99. 9999 得自 International Advanced Materials)蒸發自 7cc 甘禍，而 Ag 粒料(99. 9999%, Alfa Aesar)蒸發自 7c c 鑰 甘禍。所得到的結構體的截面圖像(FIB-SEM)顯示Ni/Ag柵極重疊氮化矽層以及重疊在沒有氮化矽的地方中的ΙΤ0，並且接觸直接製造在ITO與Ni/Ag柵極接觸之間。通過該視覺檢查，證實接觸強連接至氮化娃。實施例2向三(3)個I」 xl」鈉鈣玻璃片上，濺射沉積鋁薄膜(約30nm)。施加一條Kapton膠帶以遮掩每個樣品的一個地方。對於每個樣品使用與實施例I中所描述的那些等同的條件，將150nm厚的氮化矽層濺射沉積在鋁和膠帶之上。之後將膠帶小心除去以露出在氮化矽下面的裸鋁層。對於每個樣品，施加掩模以覆蓋除比暴露的鋁稍大的矩形表面(空的)之外的整個基板。使用實施例I中描述的條件將具有約1600nm的總厚度的Ni層之後是Ag層蒸發在掩模之上，從而沉積導電柵極，其完全覆蓋暴露的鋁。之後將樣品放置在115°C /100%相對溼度和12psig的壓力容器中用於加速暴露測試。光學密度數據在圖2中給出。數據表示三個樣品的性能的平均值。測量鋁膜的光學密度以確定通過與水反應氧化至氧化鋁的氧化程度。更加透明的氧化鋁層的形成導致光學密度上的降低。在圖2中所示的圖中，將來自所製備的樣品(標記為「本發明」)的光學密度數據與通過標準程序製備的樣品的數據比較。標準樣品由與「本發明」樣品相似的構造組成，除了將Ni/Ag柵極直接沉積在ITO層之上，之後在ITO/柵極結構體之上沉積氮化矽以外。結果表明當實施本發明的原理時獲得的溼氣阻擋性能上的顯著提高。實施例3在Γ』χ 」 (約2. 5cmx2. 5cm)鈉鈣玻璃片上，濺射沉積鋁薄膜(約30nm)，之後是130nm厚度的氧化銦錫(ITO)層。施加兩條Kapton膠帶(每個l_x5mm)以遮掩樣品的兩個不同地方。使用與實施例I中所描述的相同的室和條件，將150nm厚的氮化矽層濺射沉積在ITO和兩條膠帶之上。之後將膠帶小心除去以露出地氮化矽下南的裸ITO層。施加掩模以覆蓋除比暴露的ITO地方稍大的矩形表面之外的整個樣品。在實施例I中所描述的條件下，將具有1600nm的總厚度的Ni之後是Ag的相繼層蒸發在掩膜上，從而沉積導電柵極，其完全覆蓋ITO的暴露地方之一。 導電性測量證明ITO層與Ni/Ag柵極之間的導電性被保持
電連接電阻率
柵極-柵極0.5 (<1) Ω cm
ITO-ITO5.3—6.3 Ω-crn
柵極-SiNx沒有導電性
柵極-丨TO3.8-4.5 Ω-cm
在理解本說明書或者從本文公開的本發明的實踐中，本發明 的其他實施方案將對本領域技術人員是顯而易見。本領域技術人員可以對本文公開的原理和實施方案做出多種省略、修改和變化而不脫離通過以下權利要求指出的本發明的真實範圍和精神。
權利要求
1.一種製備光伏器件的方法，所述方法包括以下步驟 a)提供基板，所述基板具有光入射表面和後表面並且包含至少一種光伏吸收體，其中所述基板包括在所述吸收體與所述光入射表面之間插入的至少一個透明導電氧化物層； b)使得電介質阻擋層位於所述透明導電氧化物層之上； c)使得至少一個通道存在於所述電 介質阻擋層中，所述通道終止於所述器件中的某個位置使得所述通道提供經過所述電介質阻擋層至所述透明導電氧化物層的開放連通，而不一直穿過所述透明導電氧化物層；以及 d)形成電連接至所述透明導電氧化物層的電接觸，所述電接觸包含在所述通道中形成的基座和在所述電介質阻擋層上凸出的帽。
2.權利要求I所述的方法，所述方法還包括使得包含鎳的導電膜在所述通道和所述透明導電氧化物層中的至少一個與所述電接觸之間插入的步驟。
3.任一在前權利要求所述的方法，所述方法還包括使得附著增進的導電膜在所述通道和所述透明導電氧化物中的至少一個與所述電接觸之間插入的步驟。
4.任一在前權利要求所述的方法，所述方法還包括將至少一個附加的阻擋層結合至所述器件中的步驟。
5.任一在前權利要求所述的方法，所述方法還包括結合至少一個覆蓋所述電介質阻擋層和所述電接觸的附加的阻擋層的步驟。
6.任一在前方法權利要求所述的方法，其中所述至少一種光伏吸收體是含硫屬化物的吸收體。
7.任一在前方法權利要求所述的方法，其中所述電接觸的所述帽在至少一個維度上比所述電接觸的所述基座寬。
8.任一在前方法權利要求所述的方法，其中所述電接觸的所述帽在至少一個維度上比所述通道寬。
9.權利要求6-8中的任一項所述的方法，所述方法還包括使得緩衝層位於所述吸收體與所述光入射表面之間的步驟。
10.任一在前方法權利要求所述的方法，其中步驟(b)包括在約100°C以下的溫度形成所述電介質層，其中所述電介質層至少結合有矽和氮。
11.任一在前權利要求所述的方法，其中所述電介質層包含具有式SiOyNz的矽化合物，其中y小於約O. 05並且z在約I. I至約I. 4的範圍內。
12.任一在前權利要求所述的方法，其中所述透明導電氧化物結合有銦、鋅、錫和鋁中的至少一種。
13.任一在前方法權利要求所述的方法，其中所述電介質阻擋層具有在約10至約IOOOnm範圍內的厚度。
14.任一在前方法權利要求所述的方法，其中所述電接觸結合有Ag、Al、Cu、Cr、Ni和Ti中的至少一種。
15.一種通過在前權利要求中的任一項所述的方法製備的異質結光伏器件。
全文摘要
本發明提供用於提高透明導電氧化物、導電柵極材料和電介質阻擋層中的兩個或更多個之間的附著的策略。結果，這些策略在異質結光伏器件如基於硫屬化物的太陽能電池的製造中是特別有用的。當形成阻擋層並且之後將所述柵極施加至所述阻擋層中的通道時，與將阻擋層形成在柵極之上或周圍的情況比較，該結構體具有提高的溼氣阻擋耐受性。附著提高至這樣一種程度使得柵極材料和電介質阻擋材料可以結合在一起提供器件上的氣密密封，以使其免於遭受由環境條件引起的損壞，包括歸因於水侵入的損壞。這使得收集柵極至少部分地暴露在所述電介質阻擋層上，使得易於製備至所述器件的電連接。
文檔編號H01L31/0224GK102742018SQ201180006069
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月12日 優先權日2010年1月14日
發明者保羅·R·埃洛維, 瓦特·A·施滕普基, 麥可·E·米爾斯, 馬蒂·W·德格魯特 申請人:陶氏環球技術有限責任公司