ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2013 года по МПК H01L31/78 H01L31/20 

Настоящее изобретение касается фотоэлектрического элемента, а также способа его изготовления.

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии предлагает перспективу обеспечения экологически дружественного средства генерации электричества. Однако в современном состоянии электрическая энергия, обеспечиваемая фотоэлектрическими элементами преобразования энергии, является все еще значительно более дорогой, чем электричество, обеспечиваемое обычными электростанциями. Поэтому разработка более экономичного средства получения фотоэлектрических элементов преобразования энергии привлекала внимание в последние годы. Среди различных подходов к получению дешевых солнечных элементов тонкопленочные кремниевые солнечные элементы объединяют несколько преимущественных аспектов: во-первых, тонкопленочные кремниевые элементы могут быть приготовлены с помощью известных технологий тонкопленочного осаждения, таких как плазменное химическое осаждение из газовой фазы (PEVCD), таким образом предлагают перспективу синергизма для снижения затрат на изготовление путем использования опыта, достигнутого в прошлом, например в области других технологий тонкопленочного осаждения, таких как технология изготовления дисплеев. Во-вторых, тонкопленочные кремниевые солнечные элементы могут достигать высокой эффективности преобразования энергии вплоть до 10% и выше. В-третьих, основные исходные материалы для изготовления тонкопленочных солнечных элементов на основе кремния имеются в изобилии и нетоксичны.

Тонкопленочный солнечный элемент подвергается дальнейшей разработке с помощью настоящего изобретения и, как известно в целом специалисту в данной области техники, содержит, как схематично показано на фиг. 1 и рассматривается в направлении падающего света L, электродный слой 1 из прозрачного электропроводящего оксида (ТСО). В указанном направлении L затем следует первый активный слой 2 из легированного соединения кремния первого типа.

Определение:

Под "типом" легирования авторы понимают положительное р- и отрицательное n-легирование.

Под "соединением кремния" авторы понимают материал, который в основном содержит кремний, но который дополнительно содержит один или несколько добавочных элементов.

После указанного первого активного слоя 2 обеспечивается второй активный слой 3, который занимает основную часть толщины структуры тонкопленочного перехода и который преимущественно отвечает за фотоэлектрическое преобразование. Этот слой 3 имеет тип собственной проводимости и состоит из соединения кремния.

Определение

Под термином материал с "собственной проводимостью" авторы понимают материал, который является нелегированным или легированным только в незначительном количестве или который имеет оба типа легирования таким образом, что соответствующие типы легирования внутренне компенсируются.

После второго активного слоя 3, который также называют в последующем описании "i-слой", в указанном направлении L следует третий активный слой 5, который состоит из легированного соединения кремния второго типа.

В зависимости от того, где для структуры солнечного элемента, показанной на фиг. 1, обеспечена несущая подложка для тонких слоев, выбирают соответствующую последовательность осаждения слоев. Таким образом и глядя на фиг. 1, если в качестве несущей подложки обеспечивается стеклянная подложка, показанная под номером 7, осаждение указанных слоев начинают с электродного слоя 1 ТСО. Тем не менее, также можно осаждать слоистую структуру солнечного элемента на, например, отражающей металлической подложке, как показано на фиг. 1 под номером 9. Тогда последовательность осаждения указанных слоев обратная.

С точки зрения структуры материала указанных слоев, известно, что второй активный слой 3, i-слой, обеспечивают с аморфной или микрокристаллической (часто также называемой нанокристаллической) структурой.

Определение

Под материалом с микрокристаллической структурой авторы понимают материал, в котором от 20% до 80% объема (включая оба предела) являются кристаллическими. В противоположность этому авторы определяют материал как имеющий аморфную структуру, если менее чем 20% его объема являются кристаллическими. Безотносительно, имеет ли второй активный слой 3, i-слой, аморфную или микрокристаллическую структуру, известно, что первый активный слой 2 наносят в виде слоя аморфного материала.

Настоящее изобретение касается солнечных элементов, у которых упомянутый первый активный слой из легированного соединения кремния первого типа имеет аморфную структуру.

Чтобы избежать оптических потерь от соответствующего поглощения в первом активном слое 2, обращенном к освещаемой стороне элемента, обычно используют слой материала с широкой запрещенной зоной. Однако это увеличивает последовательное электрическое сопротивление на границе раздела между электродным слоем 1, ТСО слоем и указанным легированным первым активным слоем 2 первого типа. Это, в частности, верно, если ZnO выбирают в качестве материала электродного слоя 1. Чтобы исправить этот эффект, известно, что наносят контактный слой 11 между первым активным слоем 2 элемента и электродным слоем 1. При этом контактный слой 11 является микрокристаллическим соединением кремния и легированным первого типа. Обеспечение такого контактного слоя из микрокристаллического легированного соединения кремния первого типа может быть получено только при относительно низкой скорости осаждения и дополнительно требует более современного оборудования, чтобы применять более высокую плотность энергии для такого осаждения. Это приводит к увеличению оборудования и, тем самым, стоимости продукта. Кроме того, процесс осаждения для осаждения слоя микрокристаллической структуры является более трудным и критичным к точному контролю, особенно, если такой слой необходимо осаждать на большой площади. Кроме однородности толщины и однородности легирования, дополнительно распределение кристалличности по протяжению такого слоя необходимо регулировать воспроизводимым образом. Низкие скорости осаждения ограничивают высокую производительность изготовления. Следует иметь в виду, что для крупномасштабного промышленного производства на деле каждая секунда, сохраненная во время осаждения, прямо добавляет к производительности и к количеству энергии для изготовления.

Целью настоящего изобретения является обеспечить фотоэлектрический элемент, где, как было указано, обеспечен контактный слой 11 согласно фиг. 1, но который может производиться с существенно уменьшенными общими затратами по сравнению с известными указанными фотоэлектрическими элементами.

Таким образом, фотоэлектрический элемент согласно настоящему изобретению содержит:

- электродный слой из прозрачного электропроводящего оксида на прозрачной несущей подложке, затем

- контактный слой легированного соединения кремния первого типа, затем

- первый активный слой легированного аморфного соединения кремния первого типа, затем

- второй активный слой соединения кремния с собственной проводимостью, затем

- третий активный слой легированного соединения кремния второго типа,

где данный контактный слой представляет собой аморфное соединение кремния и имеет толщину самое большее 10 нм, причем материал указанного контактного слоя имеет запрещенную зону, которая меньше, чем запрещенная зона материала первого активного слоя.

Подход к обеспечению контактного слоя с аморфной структурой материала сейчас отвергается специалистами в данной области техники из-за относительно высокого поглощения света аморфным материалом из соединения кремния. Согласно настоящему изобретению это принимают во внимание путем сведения таких потерь на поглощение к минимуму путем применения контактного слоя очень маленькой толщины, как указано самое большее 10 нм.

Осаждение контактного слоя согласно настоящему изобретению может дополнительно выполняться при высокой скорости осаждения по сравнению со скоростями осаждения для осаждения микрокристаллического соединения кремния. Это ведет к существенному улучшению производительности, что особенно важно в промышленном изготовлении. Дополнительно, осаждение контактного слоя согласно настоящему изобретению может выполняться при определенно меньших плотностях энергии и, таким образом, с существенно меньшим количеством энергии. Обычно слои микрокристаллического кремния осаждают при плотности энергии приблизительно 2 кВт/м² по сравнению с приблизительно 300 Вт/м² для аморфных слоев. Это не только ведет к существенному снижению потребления энергии, но дополнительно к более рационализированному технологическому оборудованию. Так как первый активный слой из соединения кремния первого типа имеет аморфную структуру материала, технологическое оборудование для осаждения контактного слоя согласно настоящему изобретению и такого первого активного слоя может быть выполнено для применения плотностей энергии в диапазоне только сотен ватт на м².

Таким образом, по меньшей мере, для осаждения этих двух слоев соответствующее технологическое оборудование может быть выполнено для относительно низких плотностей энергии, избегая оборудования для применения плотностей энергии, более высоких на приблизительно 1 порядок, как необходимо, если, как обычно, указанный контактный слой обеспечивают с микрокристаллической структурой.

Дополнительно, также газовый поток существенно снижается путем использования указанного контактного слоя с аморфной структурой в отношении времени течения газа, а также необходимого общего количества газа. Например, если соединение кремния контактного слоя, по меньшей мере, представляет собой гидрированный кремний, нужны величины потока водорода приблизительно 10000 ссм³ для, например, р-легированного микрокристаллического гидрированного кремния первого типа. Для осаждения такого легированного контактного слоя первого типа в виде слоя аморфного материала требуется поток газа приблизительно только 500 ссм³.

Тот факт, что контактный слой, обеспечиваемый согласно настоящему изобретению, имеет запрещенную зону, которая меньше, чем запрещенная зона первого активного легированного слоя первого типа, означает, что вершина валентной зоны в материале контактного слоя и, таким образом, на границе раздела с материалом электродного слоя приближается к уровню Ферми в материале указанного электродного слоя. Тем самым энергетическая разница между электронами и дырками на границе раздела между указанными материалами становится меньше, что ведет к увеличению скорости рекомбинации и, таким образом, к снижению возникающего последовательного электрического сопротивления.

В одном варианте осуществления фотоэлектрического элемента согласно настоящему изобретению второй активный слой, который является i-слоем, является гидрированным кремниевым материалом.

В дополнительном варианте осуществления указанный второй активный слой является аморфным соединением кремния. В этом варианте осуществления не только контактный слой, первый активный слой, но дополнительно второй активный слой - i-слой имеет аморфную структуру материала. Тем самым преимущества, указанные выше в отношении снижения плотности энергии и снижения потока газа, особенно, если второй активный слой сделан из гидрированного кремния, могут быть дополнительно использованы. Технологическое оборудование для осаждения контактного слоя, первого и второго активных слоев может быть приспособлено для низких плотностей энергии, а также существенного снижения расхода газа для осаждения указанных трех слоев.

В одном варианте осуществления фотоэлектрического элемента согласно данному изобретению электродный слой состоит из ZnO. С одной стороны, показано, что этот материал обладает высокими преимуществами для указанного электродного слоя, но приводит в отношении к контактному слою микрокристаллической структуры к значительному увеличению последовательного сопротивления. Путем обеспечения контактного слоя согласно настоящему изобретению становится возможным, с одной стороны, дополнительно использовать преимущества материала электродного слоя из ZnO и, тем не менее, избегать соответственно высокого последовательного сопротивления сквозь границу раздела материала электродного слоя и материала контактного слоя.

В дополнительном варианте осуществления фотоэлектрического элемента согласно данному изобретению материал первого активного слоя содержит углерод с первым атомным процентным содержанием, и материал контактного слоя содержит углерод со вторым атомным процентным содержанием. Второе процентное содержание при этом меньше, чем первое процентное содержание. Тем самым путем соответствующего выбора количества углерода в первом активном слое, с одной стороны, и в контактном слое, с другой стороны, запрещенные зоны материалов этих двух слоев могут быть точно подстроены, чтобы соответствовать материалу электродного слоя, как было указано выше.

В одном варианте осуществления фотоэлектрического элемента согласно данному изобретению потери поглощения в контактном слое дополнительно минимизируются путем выбора толщины контактного слоя, которая должна быть самое больше 3 нм. Настоящее изобретение дополнительно касается фотоэлектрической преобразующей панели, содержащей, по меньшей мере, один указанный элемент.

Способ изготовления фотоэлектрического элемента согласно настоящему изобретению содержит осаждение электродного слоя из прозрачного электропроводящего оксида и в контакте с этим

- контактного слоя из легированного кремния первого типа на прозрачной несущей подложке, в контакте с этим

- первого активного слоя из легированного аморфного соединения кремния первого типа, в контакте с этим

- второго активного слоя из соединения кремния с собственной проводимостью, в контакте с этим

- третьего активного слоя из легированного соединения кремния второго типа,

тем самым осаждая контактный слой из аморфного материала с толщиной, которая составляет самое большее 10 нм, и регулируя запрещенную зону материала контактного слоя, чтобы она была меньше, чем запрещенная зона материала первого активного слоя.

В одном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению запрещенная зона в материале контактного слоя, а также в первом активном слое регулируется путем соответствующего выбора количества углерода в материалах этих слоев.

В одном варианте осуществления способа согласно данному изобретению электродный слой осаждают из ZnO.

В одном варианте осуществления способа согласно данному изобретению контактный слой осаждают толщиной самое большее 3 нм.

В одном варианте осуществления способа согласно данному изобретению второй активный слой осаждают из гидрированного кремния, и еще в дополнительном варианте осуществления материал второго активного слоя осаждают с аморфной структурой материала.

Изобретение будет теперь дополнительно проиллюстрировано с помощью примера и с помощью фигур.

Данные фигуры показывают:

Фиг. 2 - схематично фотоэлектрический элемент, выполненный согласно настоящему изобретению;

Фиг. 3 - зависимость фототока от напряжения элемента согласно фиг. 2 с изобретенным использованным контактным слоем (I) и без применения такого контактного слоя (II).

Согласно фиг. 2 на стеклянную подложку 7_b осаждали электродный слой 1_b из ZnO. На электродный слой 1_b осаждали контактный слой 11b из аморфного гидрированного кремния. Указанный контактный слой 11_b был р-легированным.

Затем осаждали первый активный слой 2_b из аморфного р-легированного SiC. Затем в качестве второго активного слоя 3_b осаждали аморфный слой из гидрированного кремния, за которым следовали третий активный слой 5_b из n-легированного аморфного гидрированного кремния. Затем осаждали второй электродный слой 13 из n-легированного ZnO и широкополосный металлический отражающий слой 15. Данный контактный слой был 2 нм.

На фиг. 3 показана характеристика фотоэлектрического элемента согласно настоящему изобретению, изображенного на фиг. 2, с помощью кривой I, тогда как с помощью кривой II показана характеристика фотоэлектрического элемента, идентичного изображенному на фиг. 2 и идентично изготовленного, но без контактного слоя 11_b.

Можно видеть, что путем применения тонкого контактного слоя 7_b из аморфного гидрированного кремния, тогда как запрещенная зона была снижена относительно запрещенной зоны в первом активном слое из р-легированного аморфного SiC путем соответствующего выбора содержания С в материале данных двух слоев, эффективность (ЕТА) выросла от 8,54 до 9,4%, напряжение открытого контура V_oc выросло от 0,8705 до 0,8878 В, коэффициент заполнения от 67,28 до 72,56, тогда как последовательное сопротивление элемента уменьшилось от 7,1966 Ом до 5,2666 Ом.

Таким образом можно рассматривать снижение толщины первого активного слоя 2_b при использовании контактного слоя 11_b при сохранении общей производительности элемента.

Необходимо подчеркнуть, что фотоэлектрический элемент, который был проиллюстрирован и обсужден, может быть одним элементом из структуры более чем одного элементов, которые, например, обеспечены в направлении падающего света L, где за элементом с аморфной структурой материала следует дополнительный элемент с, например, вторым активным слоем из микрокристаллического материала в качестве i-слоя.

Изобретение относится к области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии. Фотоэлектрический элемент согласно изобретению содержит электродный слой из прозрачного электропроводящего оксида, который осажден на прозрачной несущей подложке, контактный слой из легированного аморфного кремния первого типа и имеющий толщину, самое большее 10 нм, первый активный слой из легированного аморфного соединения кремния первого типа, который имеет запрещенную зону, которая больше, чем запрещенная зона материала указанного контактного слоя, второй активный слой из соединения кремния с собственной проводимостью и третий активный слой из легированного соединения кремния второго типа. Также предложены фотоэлектрическая преобразующая панель, содержащая по меньшей мере один фотоэлектрический элемент и способ изготовления фотоэлектрического элемента. Изобретение обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, возможность создания дешевых солнечных элементов, а также использование для их создания кремния. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фотоэлектрический элемент, содержащий:
- электродный слой из прозрачного электропроводящего оксида на прозрачной несущей подложке, затем
- контактный слой из легированного соединения кремния первого типа, затем
- первый активный слой из легированного аморфного соединения кремния первого типа, затем
- второй активный слой из соединения кремния с собственной проводимостью, затем
- третий активный слой из легированного соединения кремния второго типа,
где упомянутый контактный слой состоит из аморфного соединения кремния и имеет толщину самое большее 10 нм, причем материал упомянутого контактного слоя имеет запрещенную зону, которая меньше, чем запрещенная зона материала упомянутого первого активного слоя.

2. Элемент по п.1, где упомянутый второй активный слой состоит из гидрированного кремния.

3. Элемент по п.1, где упомянутый второй активный слой состоит из аморфного соединения кремния.

4. Элемент по п.2, где упомянутый второй активный слой состоит из аморфного соединения кремния.

5. Элемент по п.1, где упомянутый электродный слой состоит из ZnO.

6. Элемент по п.2, где упомянутый электродный слой состоит из ZnO.

7. Элемент по п.3, где упомянутый электродный слой состоит из ZnO.

8. Элемент по п.4, где упомянутый электродный слой состоит из ZnO.

9. Элемент по одному из пп.1-8, где материал упомянутого первого активного слоя содержит C с первым атомным процентным содержанием, а материал упомянутого контактного слоя содержит С со вторым атомным процентным содержанием, причем упомянутое второе процентное содержание меньше, чем упомянутое первое процентное содержание вплоть до исчезновения.

10. Элемент по одному из пп.1-8, где упомянутый контактный слой имеет толщину самое большее 3 нм.

11. Элемент по п.9, где упомянутый контактный слой имеет толщину самое большее 3 нм.

12. Фотоэлектрическая преобразующая панель, содержащая, по меньшей мере, один фотоэлектрический элемент по одному из пп.1-11.

13. Способ изготовления фотоэлектрического элемента, где осаждают
- электродный слой из прозрачного электропроводящего оксида на прозрачной несущей подложке, в контакте с этим
- контактный слой из легированного соединения кремния первого типа, в контакте с этим
- первый активный слой из легированного аморфного соединения кремния первого типа, в контакте с этим
- второй активный слой из соединения кремния с собственной проводимостью, в контакте с этим
- третий активный слой из легированного соединения кремния второго типа
таким образом, что осаждают контактный слой из аморфного материала с толщиной, которая составляет самое большее 10 нм, и регулируют запрещенную зону материала упомянутого контактного слоя, чтобы она была меньше, чем запрещенная зона материала упомянутого первого активного слоя.

14. Способ по п.13, где регулируют упомянутые запрещенные зоны с помощью соответствующих количеств углерода в упомянутых материалах.

15. Способ по п.13, содержащий по меньшей мере одно из осаждений упомянутого электродного слоя из ZnO и осаждение упомянутого второго активного слоя из гидрированного кремния.

16. Способ по п.14, содержащий по меньшей мере одно из осаждение упомянутого электродного слоя из ZnO и осаждение упомянутого второго активного слоя из гидрированного кремния.

17. Способ по одному из пп.13-16, где осаждают упомянутый контактный слой толщиной самое большее 3 нм.

18. Способ по п.13, где осаждают упомянутый второй активный слой из аморфного материала.

19. Способ по п.14, где осаждают упомянутый второй активный слой из аморфного материала.

20. Способ по п.15, где осаждают упомянутый второй активный слой из аморфного материала.

21. Способ по п.16, где осаждают упомянутый второй активный слой из аморфного материала.

22. Способ по п.17, где осаждают упомянутый второй активный слой из аморфного материала.