ЛИЦЕВОЙ КОНТАКТ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ СЛОЕМ (СЛОЯМИ), СМЕЖНЫМ(И) С НИМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ, И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2011 года по МПК H01L31/216 

Настоящее изобретение относится к фотоэлектрическим устройствам, включающим лицевой контакт. В определенных примерах реализации настоящего изобретения лицевой контакт фотоэлектрического устройства включает в себя стеклянную подложку, которая поддерживает прозрачный проводящий оксид (TCO - transparent conductive oxide) из таких материалов, как оксид олова, оксид цинка или подобных. Промежуточная пленка предусмотрена между TCO лицевого контакта и поглощающей полупроводниковой пленкой фотоэлектрического устройства. В некоторых случаях промежуточная пленка выполнена таким образом, чтобы повысить эффективность работы фотоэлектрического устройства.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ПРИМЕРОВ РЕАЛИЗАЦИЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фотоэлектрические устройства известны в технике (например, см. U.S. Patent №№ 6,784,361, 6,288,325, 6,613,603 и 6,123,824, на раскрытие которых ссылается по тексту настоящий документ). Фотоэлектрические устройства на основе аморфного кремния, например, включают лицевой контакт или электрод. Обычно прозрачный лицевой контакт выполнен из прозрачного проводящего оксида (ТСО), такого как оксид цинка или оксид олова (например, S_nO₂:F), сформированного на подложке, такой как стеклянная подложка. Во многих примерах прозрачный лицевой контакт выполнен из отдельного слоя методом химического пиролиза, при котором исходный материал распыляется на стеклянную подложку при температуре порядка 400-600 градусов Цельсия. Лицевой контакт обычно расположен непосредственно на поглощающей полупроводниковой пленке/слое преобразователя (содержащей один или более слоев) и контактирует с ней.

К сожалению, традиционные фотоэлектрические устройства часто отражают значительное количество падающего излучения, до того как это излучение может быть преобразовано в устройстве в электрическую энергию, приводя, таким образом, к неэффективной работе устройства.

Таким образом, в технике будет по достоинству оцениваться потребность в фотоэлектрических устройствах, способных функционировать более эффективным образом.

В определенных примерах реализации настоящего изобретения промежуточная пленка, включающая, по крайней мере, один слой, обеспечена между лицевым контактом и поглощающей полупроводниковой пленкой (абсорбером) фотоэлектрического устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения промежуточная пленка может быть с дискретным или с непрерывно или прерывно градуированным коэффициентом преломления. Коэффициент преломления (n) промежуточной пленки настроен или разработан таким образом, чтобы удовлетворить одному или нескольким из следующих требований: (а) снизить уровень оптического отражения излучения с поверхности ТСО/поглотителя, тем самым увеличивая количество излучения, проникающего в поглотитель, и которое можно будет преобразовать в электрическую энергию, таким образом, чтобы улучшить эффективность устройства, (b) увеличить количество излучения, захваченного в поглотителе, которое может быть преобразовано в электрическую энергию, (с) снизить встречную диффузию элементов между ТСО на лицевом контакте и поглощающей полупроводниковой пленкой и/или (d) сформировать буферный слой с высоким сопротивлением (HRBL - high resistivity buffer layer) между лицевым контактом ТСО и поглощающей пленкой.

В определенных примерах реализации настоящего изобретения промежуточная пленка может быть выполнена из полупроводникового материала или включать полупроводниковый материал. Промежуточная пленка, являющаяся интегрированной частью последовательности слоев фотоэлектрического преобразователя, может быть прочной антиотражающей (AR - antireflection) пленкой с дополнительными возможными барьерными свойствами.

В определенных примерах реализации настоящего изобретения обеспечено фотоэлектрическое устройство, включающее в себя лицевую стеклянную пластину; полупроводниковую пленку, включающую слои p-, n- и i-типа; главным образом, пленку на основе прозрачного проводящего оксида (ТСО), расположенную между, по крайней мере, лицевой стеклянной пластиной и полупроводниковой пленкой; и промежуточный слой, расположенный между пленкой на основе ТСО, и полупроводниковой пленкой с коэффициентом отражения (n) выше, чем у пленки на основе ТСО, и ниже, чем у полупроводниковой пленки.

В других примерах реализации настоящего изобретения обеспечено фотоэлектрическое устройство, включающее в себя лицевую стеклянную пластину, полупроводниковую поглощающую пленку; главным образом, пленку на основе прозрачного проводящего оксида (ТСО), расположенную между, по крайней мере, лицевой стеклянной пластиной и полупроводниковой поглощающей пленкой; и промежуточную пленку, расположенную между пленкой на основе ТСО и полупроводниковой поглощающей пленкой с коэффициентом отражения (n), лежащим в диапазоне от 2,0 до 4,0, который выше, чем коэффициент отражения пленки на основе ТСО и ниже, чем у полупроводниковой поглощающей пленки.

В других примерах реализации настоящего изобретения обеспечен способ производства фотоэлектрического устройства, которое включает в себя обеспечение подложки; осаждение первой пленки прозрачного проводящего оксида (ТСО) на подложку; формирование промежуточной пленки с коэффициентом отражения (n), лежащим в диапазоне от 2,0 до 4,0, и который выше, чем коэффициент отражения пленки на основе ТСО; и формирование фотоэлектрического устройства таким образом, чтобы промежуточная пленка была расположена между пленкой ТСО и полупроводниковой пленкой фотоэлектрического устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлено поперечное сечение примера фотоэлектрического устройства в соответствии с примером реализации настоящего изобретения.

На фиг.2(а), 2(b) и 2(с) представлены схематические диаграммы, иллюстрирующие улучшение оптических результатов, связанное с промежуточной пленкой в определенных примерах реализации настоящего изобретения.

На фиг.3 представлена графическая иллюстрация отношения (G) количества излучения, захваченного между поглощающей полупроводниковой пленкой в фотоэлектрическом устройстве с промежуточной пленкой, в соответствии с примерами реализации настоящего изобретения по сравнению с устройствами, не содержащими промежуточной пленки.

На фиг.4 представлены графические результаты использования bi-слоя промежуточной пленки в соответствии с примерами реализации настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фотоэлектрические устройства, такие как солнечные элементы, преобразуют солнечное излучение и другой свет в полезную электроэнергию. Преобразование энергии обычно происходит в результате фотоэлектрического эффекта. Солнечное излучение (например, солнечный свет), сталкивающееся с фотоэлектрическим устройством и поглощаемое активной областью полупроводникового материала (например, полупроводниковой пленкой, включающей один или более полупроводниковых слоев, таких как a-Si-слои), генерирует пары электрон-дырка в активной области. Электроны и дырки могут быть разделены электрическим полем перехода в фотоэлектрическом устройстве. Разделение электронов и дырок в переходе приводит к созданию электрического поля электрического тока и напряжения. В определенных примерах реализации изобретения поток электронов движется по направлению к области полупроводникового материала с n-типом электропроводности, а поток дырок - по направлению к области полупроводника с p-типом электропроводности. Ток может протекать через внешний контур, соединяя область n-типа с областью p-типа по мере того, как излучение продолжает генерировать электронно-дырочные пары в фотоэлектрическом устройстве.

В определенных примерах реализации изобретения однопереходные фотоэлектрические устройства на основе аморфного кремния включают в себя, по крайней мере, три слоя полупроводника, создавая поглощающую полупроводниковую пленку. В особенности p-слой, n-слой и i-слой (с собственной электропроводностью) могут формировать поглощающую полупроводниковую пленку в определенных примерах реализации. Пленка аморфного кремния (которая может включать в себя один или более слоев, таких как слои p-, n-, и i-типа) может состоять из гидрогенезированного аморфного кремния в определенных примерах, она также может состоять или включать в себя гидрогенезированный аморфный карбид кремния или гидрогенезированное аморфное соединение кремния и германия или подобные соединения в определенных примерах реализаций настоящего изобретения. Например, и безусловно, поглощение фотона света в i-слое обуславливает единицу электрического тока (пару электрон-дырка). P- и n-слои, которые содержат заряженные ионы доноров, обеспечивают электрическое поле через слой полупроводника i-типа, которое вытягивает электрический заряд из i-слоя и направляет его в дополнительный внешний контур, в котором он может обеспечить мощностью электрические компоненты. Указано, что наряду с тем, что определенные примеры реализации настоящего изобретения направлены на фотоэлектрические устройства на основе аморфного кремния, это изобретение не ограничивается и может быть использовано для других типов фотоэлектрических устройств в определенных примерах, включающих в себя, но не ограничивающихся устройствами, включающими в себя другие типы полупроводниковых материалов, последовательно соединенные тонкопленочные фотоэлектрические элементы, фотоэлектрические элементы на основе CdS/CdT и подобные.

На фиг.1 представлен поперечный разрез фотоэлектрического устройства в соответствии с примером реализации настоящего изобретения. Фотоэлектрическое устройство включает в себя прозрачную лицевую стеклянную пластину 1, лицевой электрод или контакт 3, состоящий из или включающий в себя слой прозрачного проводящего оксида (TCO) 3, такого как оксид олова, оксид олова, легированный фтором, оксид цинка, оксид цинка, легированный алюминием, оксид индия и олова или подобный, промежуточную пленку 4, поглощающую полупроводниковую пленку 5, состоящую из одного или более слоев полупроводникового материала (например, включающую в себя, по крайней мере, три слоя с электропроводностью p-, i- и n-типа), обратный электрод или контакт 7 из ТСО или металла, дополнительный герметизирующий материал 9 или адгезионную пленку из этилвинилацетата (EVA - ethyl vinyl acetate) или подобных материалов и дополнительную пластину 11 такого материала, как стекло. Конечно, в устройстве может быть другой слой (слои), не показанные здесь. Лицевая стеклянная пластина 1 и/или обратная пластина (подложка) 11 могут быть выполнены из стекла на основе известково-натриевого стекла в некоторых примерах реализации настоящего изобретения, другие материалы, такие как кварц или подобные, могут быть использованы вместо них. Более того, в некоторых случаях, пластина 11 является дополнительной. Стекло 1 и/или 11 может или может не быть термически закаленным и/или структурированным в определенных реализациях настоящего изобретения. Дополнительно по достоинству будет оценено, если слово «на», используемое здесь, будет относиться как к слою, так и к пленке, располагающимся непосредственно на и косвенно на чем-то, с другими слоями, которые возможно расположены между ними.

В некоторых примерах реализации настоящего изобретения фотоэлектрическое устройство может быть выполнено посредством обеспечения стеклянной подложки 1 и последующего осаждения (например, посредством напыления или посредством любой другой подходящей технологии) TCO 3 на подложку 1. Затем поверх подложки 1 осаждается промежуточный слой 4, контактирующий с ТСО 3. После этого структура, включающая в себя подложку 1, лицевой контакт 3 и промежуточный слой 4, может быть связана с остальными частями устройства для формирования фотоэлектрического устройства, представленного на фиг.1. Например, затем на структуре лицевого контакта подложки 1 может формироваться полупроводниковый слой 5, или альтернативно он может формироваться на другой подложке с тем, чтобы структура лицевого контакта после этого связывалась с подложкой 1. Слой лицевого контакта 3 и промежуточный слой 4 обычно являются непрерывными или по большей части непрерывными, обеспечиваются по большей части на всей поверхности полупроводниковой пленки 5 в некоторых примерах реализации настоящего изобретения. В определенных примерах реализации настоящего изобретения лицевой контакт 3 может иметь поверхностное сопротивление (R_s) в диапазоне 7-50 Ом/м^2, более предпочтительно 10-25 Ом/м² и наиболее предпочтительно 10-15 Ом/м², с использованием справочных примеров, не ограничивающих общую толщину от 1,000 до 2,000 ангстремов.

Поглощающая или активная область полупроводника или пленка 5 может включать в себя один или более слоев и может состоять из любого подходящего материала. Например, поглощающая полупроводниковая пленка 5 фотоэлектрического устройства на основе единичного перехода в аморфном кремнии (а-Si) включает в себя три полупроводниковых слоя, а именно p-слой, n-слой и i-слой. Слой а-Si p-типа полупроводниковой пленки 5 может быть самой верхней частью полупроводниковой пленки 5 в некоторых примерах реализации настоящего изобретения; и слой i-типа обычно расположен между слоями p- и n-типа. Эти слои пленки 5 на основе аморфного кремния в некоторых примерах могут состоять из гидрогенезированного аморфного кремния, но также могут состоять или включать в себя гидрогенезированный аморфный карбид кремния или гидрогенезированное аморфное соединение кремния и германия или другой подходящий материал (другие материалы) в некоторых примерах реализации настоящего изобретения. В альтернативных реализациях изобретения возможно, что полупроводниковая область 5 будет состоять из двойного перехода.

Задний контакт или электрод 7 могут состоять из любого подходящего электрически проводящего материала. Например, и без ограничений, в некоторых случаях обратный контакт или электрод 7 могут формироваться из ТСО и/или металла. Примерами ТСО-материалов для использования в качестве обратного контакта или электрода 7 являются оксид индий-цинка, который может быть легирован алюминием (который может быть или может не быть легирован серебром), оксид индия-олова (ITO - indium-tin oxide), оксид олова и/или оксид цинка, в качестве материалов, наиболее близких к активной области 5. В области, более удаленной от активного слоя 5 и приближенной к пластине 11, обратный контакт может включать в себя другой проводящий и, возможно, отражающий слой такого материала, как серебро, молибден, платина, сталь, железо, ниобий, титан, хром, висмут, сурьма или алюминий. Металлический участок может быть ближе к пластине 11, по сравнению с ТСО участком обратного контакта 7.

Фотоэлектрический модуль может быть заключен или частично покрыт герметизирующим материалом, таким как герметик 9 в некоторых примерах реализаций. Примерами герметика или адгезива для слоя 9 является EVA. Однако другие материалы, такие как поливинилхлоридные пластмассы, пластмассы Nuvasil, фитополимерные пластмассы или подобные, могут быть использованы для формирования слоя 9 в различных случаях.

Промежуточная пленка 4, состоящая, по крайней мере, из одного слоя, обеспечена между лицевым контактом 3 и поглощающей полупроводниковой пленкой (абсорбером) 5 фотоэлектрического устройства. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения промежуточная пленка может быть с дискретным или с непрерывно или прерывно градуированным коэффициентом преломления. Коэффициент преломления (n) промежуточной пленки 4 настроен или разработан таким образом, чтобы удовлетворить одному или нескольким из следующих требований: (а) снизить уровень оптического отражения излучения с поверхности ТСО/абсорбера (т.е. с интерфейса между пленками 4 и 5), тем самым увеличивая количество излучения, проникающего в абсорбер, и которое можно будет преобразовать в электрическую энергию, таким образом, чтобы улучшить эффективность устройства, (b) увеличить количество излучения, захваченного в абсорбере 5, которое может быть преобразовано в электрическую энергию, (с) снизить встречную диффузию элементов между ТСО 3 на лицевом контакте и поглощающей полупроводниковой пленкой 5 (например, снизить встречную диффузию кислорода и водорода между пленками 3 и 5 в случае, когда в качестве ТСО 3 используется оксид цинка, а а-Si:H используется в пленке абсорбера 5) и/или (d) сформировать буферный слой с высоким сопротивлением (HRBL - high resistivity buffer layer) в некоторых случаях (например, в солнечных элементах на основе CdS/CdTe) между лицевым контактом ТСО 3 и пленкой абсорбера 5.

В некоторых примерах реализации настоящего изобретения промежуточная пленка 4 может быть выполнена из или включать в себя полупроводниковый материал, включая, но не ограничиваясь, одной или более легированной Nb двуокисью титана анатазной модификации TiO_x, TiO_x или подобными. В определенных примерах реализаций настоящего изобретения промежуточная пленка разработана таким образом, чтобы вся пленка или ее часть имела коэффициент отражения (n) из диапазона 2,0-4,0, более предпочтительно 2,1-3,2, наиболее предпочтительно 2,15-2,75 (например, легированная Nb двуокись титана анатазной модификации TiO_x может формироваться таким образом, чтобы иметь коэффициент отражения n, равный 2,4). Промежуточная пленка 4 может быть или может не быть с градуированным коэффициентом преломления (n) в определенных примерах реализации настоящего изобретения. Например, в случае неградуированного коэффициента преломления пленка 4 по всей толщине имеет приблизительно постоянный коэффициент преломления (n) и приблизительно постоянный химический состав. Однако в случае, если коэффициент преломления градуированный, пленка 4 может быть градуирована таким образом, чтобы ее коэффициент преломления (n) и/или состав материала непрерывно или прерывисто изменялся по толщине пленки. Например, в некоторых примерах реализации пленка 4 может содержать легированную Nb двуокись титана TiO_x анатазной модификации, в которой пленка 4 легирована Nb в области пленки 4, смежной с ТСО 3, но не легирована или только слабо легирована в области пленки 4, смежной с полупроводниковым абсорбером 5, а коэффициент преломления (n) и/или содержание Nb может непрерывно или прерывисто меняться по толщине пленки или ее части. В другом примере промежуточная пленка 4 может быть с градуированным коэффициентом, посредством большего содержания кислорода (и, таким образом, более низкого коэффициента преломления) в области, расположенной ближе к ТСО 3, и более низкого содержания кислорода (и, таким образом, более высокого коэффициента преломления) в области, расположенной дальше от ТСО 3 и ближе к абсорберу 5; кроме того, это градуированное содержание кислорода может быть как непрерывным, так и прерывистым в различных примерах настоящего изобретения. Являясь единой частью последовательности слоев фотоэлектрического преобразователя, промежуточная пленка 4 может быть прочной антиотражающей (AR anti-reflection) пленкой с дополнительными возможными барьерными свойствами, такими как уменьшенная диффузия и подобными. В некоторых примерах реализации настоящего изобретения легированный Nb TiO_x может включать в себя приблизительно от 0,1 до 25% Nb, более предпочтительно от 0,5 до 15% Nb, наиболее предпочтительно 1-10% Nb.

Как указывалось выше, коэффициент преломления (n) промежуточной пленки 4 может быть настроен или разработан таким образом, чтобы уменьшать оптическое отражение солнечного излучения, связанного с интерфейсом ТСО/абсорбер (например, интерфейс между пленками 4 и 5), тем самым улучшая количество излучения, которое проникает в абсорбер и которое можно преобразовать в электрическую энергию таким образом, чтобы улучшить эффективность устройства. Не принимая во внимание пленку, в которой может быть высокое рассогласование по коэффициентам преломления (n) между ТСО 3 и абсорбером 5; это приводит к большому количеству преломленного на границе ТСО/абсорбер солнечного излучения, которое в свою очередь приводит к снижению эффективности работы устройства. Введение дискретной (неградуированной) или градуированной промежуточной пленки 4 с настроенным коэффициентом преломления (n), большим, чем коэффициент преломления в ТСО 4, и меньшим, чем коэффициент преломления полупроводникового абсорбера 5, снижает количество излучения (например, света), который отражается и, таким образом, действует как внутренний антиотражающий (AR-anti-reflective) фильтр. В целях примера и для понимания, индексы преломления ZnAlO_x (пример ТСО 3) и а-Si:H (пример полупроводникового абсорбера 5) для длин волн солнечного спектра составляют величины 1,9 (n₁) и 4,0 (n₂) соответственно. Со ссылкой на фиг.2 (а), без промежуточной пленки 4, количество переданного света, достигающего абсорбера 5 от ТСО, задается выражением (1), представленным ниже (обратите внимание на то, что Е0 представляет собой амплитуду света, набегающего на границу ТСО/абсорбер, со стороны стекла 1):

Однако включение дискретной промежуточной пленки 4 с коэффициентом преломления, к примеру, 2,4 приводит к дальнейшему увеличению количества света, достигающего абсорбера 5, как показано ниже в выражении (2), со ссылкой на фиг.2(б):

Оценивается, что увеличенное количество света, достигшего абсорбера 5 (а именно ) при использовании промежуточной пленки 4 (по сравнению с _, в отсутствие промежуточной пленки 4), свидетельствует об увеличении эффективности на 12% и, таким образом, о значительно более эффективном фотоэлектрическом устройстве. Со ссылкой на фиг.2 (с), когда промежуточная пленка 4 включает в себя два слоя 4а и 4b, эффективность также может быть увеличена.

В качестве второго возможного преимущества, связанного с некоторыми примерами реализации настоящего изобретения, коэффициент преломления (n) промежуточной пленки 4 может быть настроен или разработан таким образом, чтобы увеличить количество излучения, захватываемого внутри полупроводникового поглотителя 5, которое может быть преобразовано в электрическую энергию, тем самым увеличивая эффективность фотоэлектрического устройства. В некоторых примерах реализации обеспечение промежуточной пленки 4 приводит к распределению интенсивности солнечного излучения (например, света), отраженного от границы ТСО/абсорбер в направлении лицевой стороны фотоэлектрического устройства, а также интенсивности излучения (например, света), захваченного внутри полупроводниковой поглощающей пленки 5. Первое может играть роль в определении количества излучения, достигающего абсорбера, в то время как последнее может влиять на определение количества излучения, принимающего участие в множественных отражениях внутри абсорбера 5 и, таким образом, определяет эффективность устройства. Эта часть излучения также с некоторой вероятностью генерирует носители заряда. Вообще говоря, амплитуда солнечного света, проникающего из ТСО 3 в абсорбер 5, может быть принята за:

Принимая в расчет отражения первого и второго порядка от обратного электрода 7 и границы раздела ТСО 3/абсорбер 5 (см. фиг.2а), амплитуда света внутри абсорбера может быть выражена следующим образом:

что дает интенсивность света:

Когда промежуточная пленка 4 включена, как показано на фиг.2(b), интенсивность света внутри абсорбера становится равной:

Тонкопленочные фотоэлектрические устройства, такие как солнечные элементы, обычно демонстрируют достаточно низкую эффективность преобразования, связанную с небольшим коэффициентом поглощения абсорбера 5; поэтому часто используется отражающий металлический обратный контакт 7. Большинство металлов, использующихся в качестве обратных отражателей (например, Cr и Mo), отражают не более чем 25% света на длинах волн солнечного диапазона 600-700 нм. Алюминиевый обратный контакт в солнечных элементах на основе а-Si:H может отражать до 75%, но это может привести к деградации устройства.

На фиг.3 представлено отношение (G) количества излучения, захваченного внутри абсорбера 5 в устройстве с промежуточной пленкой 4, по сравнению с устройством, не содержащим промежуточную пленку 4. Необходимо отметить, что G увеличивается при использовании менее эффективного обратного отражателя. Может достигаться около 10% интенсивности света. В то же время максимум G сдвигается в направлении больших значений коэффициента преломления (n) промежуточной пленки 4. Когда коэффициент преломления (n) промежуточной пленки 4 достигает значения 2,0 и выше, заметно, что G преимущественно увеличивается, тем самым показывая увеличение количества излучения, захваченного внутри полупроводникового поглотителя 5, которое может быть преобразовано в электрическую энергию, тем самым улучшая эффективность фотоэлектрического устройства. Более того, из-за увеличения G при менее эффективных обратных отражателях (например, см. 0,2 и 0,4 на фиг.3) возможно реализовать эффективное фотоэлектрическое устройство, в то время как не использование обратного отражателя или используя менее эффективный, но возможно более желательный обратный отражатель из такого материала, как Cr и/или Мо.

На фиг.4 представлен пример моделирования результатов оптимизации двухслойной промежуточной пленки 4 на границе ТСО/а-Si:H. Выяснилось, что оптимальной комбинацией для двухслойной промежуточной пленки 4 для примера границы раздела ТСО/а-Si:H является: для первого слоя 4b, коэффициент преломления (n) 2,25-2,6, более предпочтительно 2,3-2,55, со значением для примера 2,4, а для второго слоя 4а, более низкий коэффициент преломления (n) 2,0-2,25, более предпочтительно 2,0-2,2, со значением для примера 2,2. Обратите внимание, что второй слой 4а с более низким коэффициентом преломления является слоем смежным с ТСО, а слой 4b с более высоким коэффициентом преломления расположен ближе и контактирует с абсорбером 5. Кроме того, градуированный коэффициент преломления пленки 4 от материала с низким коэффициентом (см. ТСО 3) к материалу с высоким коэффициентом (см. абсорбер 5) может также увеличить количество света, захваченного в абсорбере 5, что является преимуществом.

Промежуточная пленка 4 может быть также преимущественно использована для снижения встречной диффузии элементов между ТСО 4 на лицевом контакте и поглощающей полупроводниковой пленкой 5 (например, для снижения встречной диффузии кислорода и водорода между пленками 3 и 5 в демонстрационном случае, когда оксид цинка используется в качестве ТСО 3, а а-Si:H используется в качестве абсорбера 5). Некоторые типы солнечных элементов (например, солнечные элементы на основе а-Si:H) используют SnO₂:F в качестве лицевого прозрачного электрода или ТСО 3. Использование оксида олова может привести к его потемнению, связанному с реакцией восстановления в атмосфере водорода в процессе осаждения абсорбера. ZnO, осажденный вакуумным методом, легированный элементами третьей группы, рассматривается как хороший а-Si:H TCO 3 кандидат, из-за его сопротивления восстановлению водородной плазмы. Есть другие причины, однако, для того, чтобы избежать воздействия ZnO на водород в процессе осаждения а-Si:H, а также для предотвращения встречной диффузии водорода и кислорода между ТСО и а-Si:H слоями. Уровень встречной диффузии определяется химическими потенциалами между двумя слоями или, другими словами, количеством энергии системы, которая бы изменилась при введении дополнительной частицы при фиксированной энтропии и объеме. Водород приводит к большим релаксациям кристаллической решетки при введении в ZnO, который частично несет ответственность за глубокое проникновение в этот материал. В то же время водород известен своей низкой энергией активации в 0,17 эВ для ZnO, что делает его диффузабельным в ZnO. Водород формирует нестабильные донороподобные О-Н комплексы в ZnO, что в конечном счете формирует молекулы Н₂, гипотетически ответственные за дрейф в характеристиках устройства со временем. С другой стороны, водород способствует кислородной диффузии в слое а-Si:H. Это происходит в соответствии с двухступенчатым механизмом; на первом этапе водород открывает Si-Si связи для атомов кислорода, а на втором этапе он насыщает разорванные связи Si, таким образом снижая энергию активации кислородной диффузии. Встречная диффузия водорода и кислорода вызывает разрыв зон на границу ТСО/а-Si:H и в результате приводит к формированию дополнительного потенциального барьера, который в свою очередь снижает эффективность работы устройства. Включение промежуточной пленки 4 снижает встречную диффузию атомов и ионов между ТСО 3 и абсорбером 5. Более того, использование промежуточной пленки 4 также позволяет оксиду цинка и/или оксиду олова использоваться в качестве ТСО 3 без значительных потерь, связанных с проблемами, описанными выше.

Для примера в некоторых примерах реализации настоящего изобретения, промежуточная пленка 4 может быть изготовлена посредством включения дискретной прозрачной проводящей пленки TiNbO_x между ZnO TCO 3 и абсорбером 5 а-Si:H. Преимуществом примера TiNbO_x для пленки 4 является его высокая энтальпия образования около 940 кДж/моль, что делает ее более стабильной с точки зрения выделения кислорода, по сравнению с ZnO (350 кДж/моль) или SnO₂ (581 кДж/моль), тем самым позволяет ей снижать диффузию, как описывалось выше. Также TiNbO_x может иметь желаемый коэффициент преломления от 2,1 до 3,2, более предпочтительно от 2,15 до 2,75, для примера коэффициент равен 2,4.

В некоторых примерах реализации настоящего изобретения, для улучшения работы устройства, промежуточная пленка 4 может быть сконструирована таким образом, чтобы формировать буферный слой с высоким сопротивлением (HRBL - high resistivity buffer layer) (например, в солнечных элементах на основе CdS/CdTe) между лицевым контактом ТСО 3 и пленкой абсорбера 5. В некоторых случаях наличие HRBL между ТСО 3 и абсорбером 5 (например, CdS/CdTe абсорбер) может быть желательно для того, чтобы улучшить работу устройства и обеспечить, по крайней мере, некоторую защиту от шунтирования на тот случай, если бы, например, в слое CdS были микроканалы. В таких случаях промежуточная пленка 4, например и без ограничений, может быть выполнена или включать в себя TiNbO_x, в котором легирующая примесь Nb снижена или устранена из пленки 4 в области, прилегающей к границе раздела с абсорбером. Также в различных примерах реализации настоящего изобретения могут использоваться и другие комбинации прозрачной проводящей промежуточной пленки 4.

Несмотря на то что TiNbO_x упоминался выше как возможный материал промежуточной пленки 4, это изобретение не является таким ограниченным. Вместо него для пленки 4 могут использоваться и другие материалы, поскольку одна, две, три или четыре из вышеизложенных особенностей от (а) до (d) могут быть реализованы. В особенности любой подходящий материал с соответствующим коэффициентом или коэффициентами преломления может быть использован для формирования пленки 4 до тех пор, пока он способен привести к одному или более из нижеперечисленного: (а) снижение оптического отражения солнечного излучения, связанное с границей ТСО/абсорбер (т.е. с границей между пленкой 4 и пленкой 5), посредством этого улучшение количества излучения, которое проникает в абсорбер и, которое может быть преобразовано в электрическую энергию так, чтобы улучшить эффективность работы устройства, (b) увеличение количества излучения, захваченного внутри абсорбера 5, которое может быть преобразовано в электрическую энергию, (с) снижение встречной диффузии элементов между ТСО 3 лицевого контакта и поглощающей полупроводниковой пленкой 5 и/или (d) формирование в некоторых случаях буферного слоя высокого сопротивления (HRBL) между лицевым контактом ТСО 3 и пленкой абсорбера 5 для того, чтобы улучшить работу устройства.

Несмотря на то что изобретение было описано в связи с тем, что в настоящий момент считается наиболее практичным и предпочтительным для реализации, необходимо понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми реализациями, а, напротив, предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных конструкций, входящих в сущность и объем заявляемой формулы изобретения.

Согласно изобретению фотоэлектрическое устройство, содержащее: лицевую стеклянную подложку; полупроводниковую пленку, включающую слои р-, n- и i-типа; пленку на основании по существу прозрачного проводящего оксида (ТСО), расположенную между, по крайней мере, лицевой стеклянной подложкой и полупроводниковой пленкой, и промежуточную пленку, расположенную между пленкой на основе ТСО и полупроводниковой пленкой (абсорбером), где промежуточная пленка является полупроводником и характеризуется коэффициентом преломления (n), большим, чем коэффициент преломления пленки на основе ТСО, и меньшим, чем коэффициент преломления полупроводниковой пленки. Также предложен еще один вариант фотоэлектрического устройства и способ изготовления фотоэлектрического устройства. Изобретение обеспечивает возможность снизить оптическое отражение солнечного излучения от границы раздела ТСО/абсорбер, тем самым увеличивая количество излучения, которое проникает в абсорбер и которое может быть преобразовано в электрическую энергию, увеличить количество излучения, захваченного внутри абсорбера, снизить встречную диффузию элементов между ТСО лицевого контакта и абсорбирующей полупроводниковой пленкой и/или сформировать буферный слой высокого сопротивления (HRBL) между лицевым контактом ТСО и пленкой абсорбера. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фотоэлектрическое устройство, содержащее:
лицевую стеклянную подложку;
полупроводниковую пленку, включающую слои р-, n- и i-типа;
пленку на основании по существу прозрачного проводящего оксида (ТСО), расположенную между, по крайней мере, лицевой стеклянной подложкой и полупроводниковой пленкой и
промежуточную пленку, расположенную между пленкой на основе ТСО и полупроводниковой пленкой, где промежуточная пленка является полупроводником и характеризуется коэффициентом преломления (n) большим, чем коэффициент преломления пленки на основе ТСО, и меньшим, чем коэффициент преломления полупроводниковой пленки.

2. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка непосредственно контактирует с каждой из пленок: на основе ТСО и полупроводниковой.

3. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки составляет величину от 2,0 до 4,0.

4. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки составляет величину от 2,1 до 3,2.

5. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки составляет величину от 2,15 до 2,75.

6. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка представляет собой полупроводник.

7. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка состоит из TiNbO_x.

8. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка состоит из оксида титана.

9. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором полупроводниковая пленка состоит из аморфного кремния.

10. Фотоэлектрическое устройство по п.1, также включающее в себя проводящий обратный электрод, в котором полупроводниковая пленка обеспечена между, по крайней мере, пленкой на основе ТСО и обратным электродом.

11. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка является градуированной по коэффициенту преломления таким образом, что коэффициент преломления (n) изменяется непрерывно или прерывисто, на протяжении ее толщины.

12. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором пленка на основе ТСО состоит из одного или обоих оксидов: оксида цинка и/или оксида олова.

13. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка включает в себя первый и второй слои с различными первым и вторым коэффициентами отражения соответственно.

14. Фотоэлектрическое устройство по п.1, в котором промежуточная пленка является по существу прозрачной.

15. Фотоэлектрическое устройство, включающее в себя:
лицевую стеклянную подложку;
полупроводниковую поглощающую пленку; пленку на основании по существу прозрачного проводящего оксида (ТСО), расположенную между, по крайней мере лицевой стеклянной подложкой и полупроводниковой поглощающей пленкой; и
промежуточную пленку, расположенную между пленкой на основе ТСО и полупроводниковой поглощающей пленкой, при этом промежуточная пленка имеет коэффициент преломления (n) от 2,0 до 4,0 и который выше, чем коэффициент преломления у пленки на основе ТСО и ниже, чем коэффициент преломления у полупроводниковой поглощающей пленки.

16. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки от 2,1 до 3,2.

17. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки от 2,15 до 2,75.

18. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором промежуточная пленка представляет собой полупроводник.

19. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором промежуточная пленка содержит TiO_x, легированный Nb.

20. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором промежуточная пленка содержит оксид титана.

21. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки изменяется непрерывно или прерывисто по толщине.

22. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором пленка на основе ТСО выполнена из одного или обоих из следующих оксидов: оксида цинка и/или оксида олова.

23. Фотоэлектрическое устройство по п.15, в котором промежуточная пленка включает в себя первый и второй слои с различными первым и вторым коэффициентами преломления соответственно.

24. Способ изготовления фотоэлектрического устройства, способ содержит:
обеспечение подложки;
осаждение первой по существу прозрачной проводящей оксидной (ТСО) пленки на подложку;
формирование промежуточной пленки на подложке, поверх, по крайней мере, ТСО пленки, при этом промежуточная пленка имеет коэффициент преломления (n) от 2,0 до 4,0, и который выше, чем у пленки ТСО; и
формирование фотоэлектрического устройства таким образом, чтобы промежуточная пленка была расположена между пленкой ТСО пленкой и полупроводниковой пленкой фотоэлектрического устройства.

25. Способ по п.24, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки от 2,15 до 2,75.

26. Способ по п.24, в котором промежуточная пленка содержит TiNbO_x и/или оксид титана.

27. Способ по п.24, в котором коэффициент преломления (n) промежуточной пленки изменяется непрерывно или прерывисто по толщине.