專利名稱:包括銅銦鎵硒的光伏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及CIGS光伏器件。
背景技術(shù):
隨著近來對替代能源的關(guān)注,太陽能電池技術(shù)快速地發(fā)展。薄膜太陽能電池技術(shù)是對硅太陽能電池技術(shù)的有前途的替代。銅銦鎵硒(CIGQ是商業(yè)化所青睞的公知的薄膜光伏吸收材料。眾所周知,CIGS在點電池(dot-cell)水平具有優(yōu)異的效率,并且?guī)准夜疽褜IGS進(jìn)行了中試規(guī)模的生產(chǎn),但當(dāng)前工藝未達(dá)到令人滿意的生產(chǎn)率。
發(fā)明內(nèi)容
通常,制造光學(xué)器件基底的方法可以包括通過濺射在基底的表面上沉積包括鎘、 銦和鎵的層并且通過氣相傳輸沉積在包括鎘、銦和鎵的層上沉積硒層。光學(xué)器件可以是薄膜光伏器件。包括鎘、銦和鎵的層的沉積可以發(fā)生在硒層的沉積之前??梢远啻畏磸?fù)執(zhí)行鎘、銦和鎵的濺射以及硒的沉積。光學(xué)器件基底可以包括基底;濺射的包括鎘、銦和鎵的層,與基底的表面接觸; 硒層,沉積在所述鎘、銦和鎵的層上。在特定的情況下,基底可以是玻璃基底。所述光學(xué)器件基底可以用在光伏電池中。光伏電池還可以包括透明導(dǎo)電層,透明導(dǎo)電層可以是氧化銦錫。在附圖和下面的描述中闡述了一個或多個實施例的詳情。其他特征、目標(biāo)和優(yōu)點通過描述和附圖以及通過權(quán)利要求將是清楚的。
圖1是兩階段沉積系統(tǒng)的示意圖。圖2是兩階段沉積系統(tǒng)中的第二階段的詳細(xì)示意圖。
具體實施例方式對于銅銦鎵硒(GIGS)的沉積,有兩種基本的方法以化學(xué)計量的形式(Cu(InGa) Se2)同時共沉積全部的元素,以及對金屬合金膜(CuhCa+2Se)進(jìn)行后西化。由于將元素蒸發(fā)規(guī)?;щy,所以在大量生產(chǎn)中共沉積主要存在控制問題并已證明極其昂貴。雖然實現(xiàn)小規(guī)模的研究和開發(fā)相當(dāng)成功且相對容易,但由于在不同于實驗室工藝的連續(xù)生產(chǎn)過程中面臨著許多條件,所以規(guī)模擴大至商業(yè)可行水平證明相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。連續(xù)生產(chǎn)與實驗室工藝的不同包括由移動基底的連續(xù)工藝導(dǎo)致的不同以及為了降低成本和提高生產(chǎn)量而執(zhí)行的不同??梢允褂冒R射和電鍍的一系列技術(shù)來沉積用于硒化的金屬前驅(qū)體膜。近來在研究實驗室中制備的效率高達(dá)破紀(jì)錄的18. 8%的基于CIGS的裝置是基于使用物理氣相沉積(PVD)的多步工藝。PVD方法是用于理解膜生長和用于開發(fā)模型的有用工具,但是難以規(guī)模擴大。濺射技術(shù)適合于大面積沉積;然而,它們需要昂貴的真空設(shè)備和濺射靶材。電鍍 (EP)和自動鍍(AP)是得到低成本前驅(qū)體膜的可能合適的制備方法。然而,后硒化步驟非常長(據(jù)報導(dǎo),對于一些步驟需要200小時的處理)。一直在開發(fā)快速熱硒化工藝,但是仍未被證明適合于大規(guī)模工藝。反應(yīng)濺射為共沉積提供了選擇。在該工藝中,由傳統(tǒng)的金屬靶材(鎘、銦和鎵,有時添加一些硒)濺射金屬,同時金屬與硒蒸氣反應(yīng)。金屬靶材可以是平面的或可旋轉(zhuǎn)的。通常用于CIGS的反應(yīng)濺射方法使用傳統(tǒng)的諸如Veeco商業(yè)產(chǎn)品的蒸發(fā)器。該方法存在阻礙實施的嚴(yán)重缺點。在其他問題中最致命的兩個問題是使用比蒸發(fā)器本身冷的狹窄出口使源本質(zhì)上易于阻塞,以及對在整個寬基底具有均勻分配的大的源面積的需求使設(shè)計非常難于擴大(包括分配材料的加熱管的復(fù)雜布置)。反應(yīng)濺射銅、銦或鎵和它們的組合可以與在第5,945,163和6,037,241號的共有美國專利中所描述的用于硒的傳輸?shù)臍庀鄠鬏敵练e(Vapor Transport Deposition, VTD) 結(jié)合。目前所實踐的氣相傳輸沉積是包括惰性載氣的熱升華工藝。VTD系統(tǒng)被證實是一種允許使用粉末進(jìn)料器來控制材料的供給的生產(chǎn)工藝,并且在整個寬網(wǎng)(web)內(nèi)產(chǎn)生高度均勻的材料流。VTD系統(tǒng)已廣泛地用于生產(chǎn)中,并且已用于廣泛地沉積高蒸氣壓材料。在使VTD技術(shù)適用于CIGS反應(yīng)濺射應(yīng)用的過程中,該技術(shù)使其自身具有潛在的應(yīng)用。一種方法是使用順序濺射和硒化方法,在順序濺射和硒化方法中并不是使包括鎘、銦和鎵的厚(1微米)層與硒反應(yīng),而是在每種金屬靶材之后順序地進(jìn)行硒化。由于在商業(yè)化的濺射沉積系統(tǒng)中通常有近10個金屬濺射部分,所以這使得能夠進(jìn)行0. 1微米厚的鎘、銦和鎵的硒化,這樣要更快(需要的時間隨著厚度的平方增加,從而硒化快100倍)。該方法利用作為控制鎵含量的濺射和硒化方法也解決了第二個主要問題(鎵在每個硒化過程中易于偏析,但在VTD-反應(yīng)濺射方法中通過將膜細(xì)化為更小的組分而可以控制最終分配)。參照圖1,兩階段系統(tǒng)可以包括將包括鎘、銦和鎵的層沉積到玻璃基底110上的初始反應(yīng)濺射沉積階段100。基底110在傳送機120上行進(jìn)通過初始階段100。接下來,后續(xù)氣相傳輸沉積階段130使用包括惰性載氣的熱升華工藝將硒層沉積在鎘、銦和鎵層110上。 基底110沿著傳送機120連續(xù)通過后續(xù)階段130。如上所述,圖1中的兩階段濺射和硒化系統(tǒng)反復(fù)多次,例如,5次、10次、15次等。以這樣的方式,可以控制組分分配并減少了總硒化時間。參照圖2,示出了氣相傳輸沉積硒階段130的詳細(xì)圖解。在圖2中,傳送機120上運送的基底110通過氣相傳輸沉積階段130。對于氣相傳輸沉積,載氣通過由進(jìn)料執(zhí)行器控制的螺旋進(jìn)料裝置與半導(dǎo)體粉末結(jié)合。螺旋進(jìn)料裝置可以是提供載氣和半導(dǎo)體粉末的良好分配的旋轉(zhuǎn)螺桿??梢酝ㄟ^螺桿旋轉(zhuǎn)的速率來精確地控制作為粉末輸入的半導(dǎo)體材料的量。可以通過電加熱器將載氣和半導(dǎo)體粉末加熱為熱蒸氣,熱蒸氣穿過熱可透膜以沉積到玻璃基底上。陶瓷罩捕獲熱蒸氣,強制蒸氣通過沉積開口到達(dá)玻璃基底上。陶瓷罩可以與傳送的玻璃基底隔開一定距離以有效地沉積,例如,隔開0. 5厘米至3. 0厘米范圍內(nèi)的距離。陶瓷罩也可以減少由熱可透膜傳遞到玻璃基底的輻射熱。更具體地講,由于陶瓷罩外表面的溫度低于熱可透膜的溫度,所以可以減少陶瓷罩輻射到玻璃基底的能量。普通光伏電池可以具有多層。所述多層可以包括作為透明導(dǎo)電層的底層、蓋層、窗口層、吸收層和頂層??梢栽谏a(chǎn)線的不同的沉積臺利用單獨的沉積氣體供給器和在每個臺所需的真空密封沉積室來沉積每一層??梢酝ㄟ^滾動的傳送機逐個沉積臺地傳送基底, 直到沉積了所有的期望層??梢詫㈨敾讓又糜陧攲拥捻敳可弦孕纬蓨A層結(jié)構(gòu)并完成光伏電池。例如,在第5,248,349,5, 372,646,5, 470,397,5, 536,333,5, 945,163,6, 037,241 和6,444,043號美國專利中描述了在光伏器件制造中的半導(dǎo)體層的沉積,這些美國專利中每個美國專利的全部內(nèi)容通過引用包含于此。沉積可以包括從源向基底傳輸蒸氣,或者在封閉的系統(tǒng)中使固體升華。用于制造光伏電池的設(shè)備可以包括傳送機,例如,具有輥的滾動傳送機。可以使用其他類型的傳送機。傳送機將基底傳輸至一系列的一個或多個沉積臺, 用于在基底的暴露表面上沉積多層的材料。在第11/692,667號美國臨時申請中描述了傳送機,該申請通過引用包含于此。可以將沉積室加熱至達(dá)到不小于大約450°C并且不大于大約700°C的處理溫度, 例如,該溫度可以是 450°C -550°C >550°C -650°C >570°C -600°C >600°C _640°C 的范圍,或者可以是大于450°C并小于大約700°C的任何其他范圍。沉積室包括連接到沉積蒸氣供給器的沉積分配器。分配器可以連接到多個蒸氣供給器以沉積各個層,或者基底可以移動通過自身具有蒸氣分配器和供給器的多個不同的沉積臺。分配器可以是具有變化的噴嘴幾何形狀的噴嘴形式,以便于蒸氣供給器的均勻分配。例如,窗口層和吸收層可以包括CIGS。頂層可以覆蓋半導(dǎo)體層。例如,頂層可以包括諸如鋁、鉬、鉻、鈷、鎳、鈦、鎢或它們的合金的金屬。頂層也可以包括金屬氧化物或金屬氮化物或它們的混合物。光伏電池的底層可以是透明導(dǎo)電層。薄的蓋層可以在透明導(dǎo)電層的頂部上,并且至少部分地覆蓋透明導(dǎo)電層。接下來沉積的層是第一半導(dǎo)體層,第一半導(dǎo)體層可以用作窗口層,并且基于透明導(dǎo)電層和蓋層的使用,第一半導(dǎo)體層可以更薄。接下來沉積的層是第二半導(dǎo)體層,第二半導(dǎo)體層用作吸收層。如果需要,則在整個制造工藝中可以在基底上沉積或另外布置諸如包括摻雜劑的層的其他層。透明導(dǎo)電層可以是諸如像氧化錫一樣的金屬氧化物的透明導(dǎo)電氧化物,可以用例如氟來摻雜透明導(dǎo)電氧化物。該層可以沉積在前接觸件和第一半導(dǎo)體層之間,并且可以具有足以減小第一半導(dǎo)體層中的針孔的影響的高電阻率。第一半導(dǎo)體層中的針孔可以導(dǎo)致在第二半導(dǎo)體層和第一接觸件之間形成分流,進(jìn)而導(dǎo)致在針孔圍繞的局部區(qū)域上的泄漏。該通路的電阻的小幅增加可以顯著地減小受分流影響的區(qū)域??梢栽O(shè)置蓋層以提供電阻這樣的增加。蓋層可以是由化學(xué)穩(wěn)定性高的材料制成的非常薄的層。與具有相同厚度的相當(dāng)厚度的半導(dǎo)體材料相比,蓋層可以具有更高的透明度。 適于用作蓋層的材料的示例包括二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦、三氧化二硼和其它相似的實體。蓋層也可以用于使透明導(dǎo)電層與第一半導(dǎo)體層電隔離和化學(xué)隔離,防止在高溫下發(fā)生的可以對性能和穩(wěn)定性造成負(fù)面影響的反應(yīng)。蓋層也可以提供可以更適合于接受第一半導(dǎo)體層的沉積的導(dǎo)電表面。例如,蓋層可以提供表面粗糙度減小的表面。第一半導(dǎo)體層可以用作用于第二半導(dǎo)體層的窗口層。第一半導(dǎo)體層可以比第二半導(dǎo)體層薄。由于較薄,所以第一半導(dǎo)體層可以允許波長較短的入射光更大量地透射到第二半導(dǎo)體層。第二半導(dǎo)體層可以沉積到第一半導(dǎo)體層上。蓋層可以用于使透明導(dǎo)電層與第一半導(dǎo)體層電隔離和化學(xué)隔離,防止在高溫下發(fā)生的可以對性能和穩(wěn)定性造成負(fù)面影響的反應(yīng)。透明導(dǎo)電層可以沉積在基底的上方。用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)可以包括在基底上的透明導(dǎo)電層、包括寬帶隙半導(dǎo)體層的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、與第二半導(dǎo)體層接觸的界面層。界面層可以在第二半導(dǎo)體層、 連接到透明導(dǎo)電層的第一電連接件和連接到背金屬接觸件的第二電連接件的界面區(qū)域中將第二半導(dǎo)體層的化學(xué)勢維持在控制水平。界面層可以在第二半導(dǎo)體層和背金屬接觸件之間。用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)包括連接到透明導(dǎo)電層的第一電極和連接到背金屬接觸件的第二電極。第一電極可以對能量在IeV和3eV之間的光基本透明,第二電極可以主要對能量低于第二半導(dǎo)體的帶隙的光透明。用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)可以包括串聯(lián)設(shè)置的兩個或更多個光伏器件。已描述了一些實施例。然而,將理解的是,在不脫離所要求保護(hù)的裝置的精神和范圍的情況下,可以做出各種修改。例如,半導(dǎo)體層可以包括各種其他材料,只要所述材料可以用于緩沖層和蓋層。因此,其他實施例在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造光伏器件的方法,所述方法包括以下步驟 在基底的第一表面上沉積包括銅、銦和鎵的層; 在所述包括銅、銦和鎵的層上沉積硒層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,所述方法還包括反復(fù)地執(zhí)行沉積包括銅、銦和鎵的層的步驟和沉積硒層的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法,其中,基底包含玻璃。
4.如權(quán)利要求1所述的方法,其中,通過濺射來沉積包括銅、銦和鎵的層。
5.如權(quán)利要求1所述的方法,其中,通過氣相傳輸沉積來沉積硒層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法,其中,沉積包括銅、銦和鎵的層的步驟發(fā)生在沉積硒層的步驟之前。
7.如權(quán)利要求1所述的方法,所述方法還包括沉積透明導(dǎo)電層的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法,其中,透明導(dǎo)電層是透明導(dǎo)電氧化物層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法,其中,透明導(dǎo)電氧化物層是氧化銦錫。
10.一種層狀結(jié)構(gòu),所述層狀結(jié)構(gòu)包括基底;濺射的包括銅、銦和鎵的層,與基底的表面接觸; 硒層,與所述包括銅、銦和鎵的層接觸。
11.如權(quán)利要求10所述的層狀結(jié)構(gòu),其中,所述層狀結(jié)構(gòu)形成光伏器件。
12.如權(quán)利要求11所述的層狀結(jié)構(gòu),其中,光伏器件是薄膜光伏器件。
13.如權(quán)利要求10所述的層狀結(jié)構(gòu),所述層狀結(jié)構(gòu)還包括與所述包括銅、銦和鎵的層及硒層接觸的透明導(dǎo)電層。
14.如權(quán)利要求13所述的層狀結(jié)構(gòu),其中,透明導(dǎo)電層是氧化錫。
15.一種用于產(chǎn)生太陽能的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括 基底;透明導(dǎo)電層,沉積在基底上;濺射的包括銅、銦和鎵的層,與透明導(dǎo)電層接觸;硒層,與所述包括銅、銦和鎵的層接觸;背金屬接觸層,與所述包括銅、銦和鎵的層以及硒層接觸,其中,使所述濺射的包括銅、銦和鎵的層以及硒層退火以形成包括銅、銦、鎵和硒的層。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中,所述系統(tǒng)形成光伏器件。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng),其中,光伏器件是薄膜光伏器件。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中,透明導(dǎo)電層是氧化錫。
全文摘要
銅銦鎵硒光伏電池可以包括具有透明導(dǎo)電氧化物層的基底??梢允褂脼R射和氣相傳輸沉積來沉積銅銦鎵硒。
文檔編號H01L21/00GK102292817SQ200980155390
公開日2011年12月21日 申請日期2009年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者大衛(wèi)·伊格爾沙姆 申請人:第一太陽能有限公司