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太陽能電池吸收薄膜及其制造方法

文檔序號:7264078閱讀:184來源:國知局
太陽能電池吸收薄膜及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于黃銅礦的薄膜太陽能電池器件及其制造方法。太陽能電池包括位于襯底上方的堆疊式吸收膜。堆疊式吸收膜包括至少兩組吸收材料并且每一組都包括至少三層。三層中的至少一層包括元素硒,并且三層中的至少一層包括選自由銅、銦或鎵組成的組中的金屬。該至少一個硒層接觸該至少一個金屬層。至少兩組吸收材料形成包括多層嵌入式硒的吸收膜。本發(fā)明還提供了太陽能電池吸收薄膜及其制造方法。
【專利說明】太陽能電池吸收薄膜及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及薄膜光伏太陽能電池及其制造方法,更具體而言,涉及基于黃銅礦 (charcopyrite)的薄膜太陽能電池和其子結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能電池是通過光伏效應(yīng)由太陽光生成電流的電學(xué)器件。太陽能電池器件通常 包括下電極層和上電極層之間的光伏活性吸收層。吸收層吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電流。 通過在襯底上沉積一個或多個薄的光伏材料層來制造薄膜太陽能電池。
[0003] 在基于黃銅礦的薄膜太陽能電池中,吸收層由諸如Cu(In,Ga)Se2(CIGS)的黃銅礦 半導(dǎo)體材料形成。通過濺射和隨后使硒化氫(H 2Se)氣體硒化來形成CIGS吸收層。通過濺 射在襯底上沉積Cu/Ga/In或諸如CuGa和CuGaNa的金屬合金。然后,在高溫下應(yīng)用汽相形 態(tài)的硒從而通過吸收和擴(kuò)散將部分硒引入到沉積的薄膜中。
[0004] 然而,采用這種工藝難以控制CIGS膜的特性。具體地,由于在硒化期間會產(chǎn)生不 利的第二相并導(dǎo)致工作電壓低和器件質(zhì)量不穩(wěn)定,因此難以控制薄膜中的銦和鎵的組成深 度分布(composition depth profile)。此外,由于擴(kuò)散控制反應(yīng),硒化工藝采用反應(yīng)氣體 并且工藝時間長。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了一種用于制造太陽能電池的方法,包括:在襯底上 形成背面接觸層;以及通過沉積至少兩組吸收材料在背面接觸層上方形成堆疊式吸收膜, 每一組都包括至少三層,其中:至少三層中的至少一層包括元素 Se ;至少三層中的至少一 層包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬;并且該至少一個Se層接觸該至少一個金屬 層。
[0006] 優(yōu)選地,每一組中的至少兩層包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的一種或多種金 屬。
[0007] 優(yōu)選地,堆疊式吸收膜的Cu/ (Ga+In)的比率介于約0. 8至1. 0之間。
[0008] 優(yōu)選地,堆疊式吸收膜的Ga/ (Ga+In)的比率介于約0. 2至0. 4之間。
[0009] 優(yōu)選地,堆疊式吸收膜的Se/金屬的比率介于約0和3之間。
[0010] 優(yōu)選地,至少一個金屬層包括CGN、CG、In、(In,Ga)-Se或Cu-Se。
[0011] 優(yōu)選地,至少一層包括元素 S。
[0012] 優(yōu)選地,沉積的步驟包括混合工藝,其中,通過濺射來沉積至少一個金屬層而通過 蒸發(fā)來沉積至少一個Se層。
[0013] 優(yōu)選地,該方法還包括:對層進(jìn)行排序以在堆疊式吸收膜中形成Ga/ (Ga+In)的雙 斜率分布。
[0014] 優(yōu)選地,該方法還包括:在吸收材料的組的上方沉積具有元素 Se的頂層。
[0015] 優(yōu)選地,該方法還包括:在約400°C以上的溫度下對所沉積的吸收層進(jìn)行退火。
[0016] 優(yōu)選地,在惰性氣體或元素 Se蒸汽存在的條件下實(shí)施退火步驟。
[0017] 優(yōu)選地,退火步驟還包括引入元素 S蒸汽或H2S氣體。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提供了一種用于制造太陽能電池的方法,包括:提供襯 底,在襯底上具有背面接觸層;在背面接觸層上方沉積包括選自由Cu、In和Ga組成的組中 的金屬的第一層;在第一層上方沉積包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬并且具有與 第一層不同的組成的另一層;在背面接觸層上方沉積包括元素 Se的層,該Se層與至少一個 金屬層接觸;以及順序重復(fù)沉積步驟以在背面接觸層上形成堆疊式吸收膜。
[0019] 優(yōu)選地,順序?qū)嵤┏练e步驟包括的次序?yàn)椋海╝)沉積CuGaNa (CGN)層;(b)在CGN 層上方沉積第一 In層;(c)在第一 In層上方沉積Se層;(d)在Se層上方沉積第二In層; 以及(e)在第二In層上方沉積CG層。
[0020] 優(yōu)選地,順序?qū)嵤┏练e步驟包括的次序?yàn)椋海╝)沉積CGN層;(b)在CGN層上方沉 積CG層;(c)在CG層上方沉積In層;以及(d)在In層上方沉積Se層。
[0021] 優(yōu)選地,順序?qū)嵤┏练e步驟包括的次序?yàn)椋海╝)沉積CGN層;(b)在CGN層上方沉 積第一 Se層;(c)在第一 Se層上方沉積CG層;(d)在CG層上方沉積第二Se層;(e)在第 二Se層上方沉積In層;以及(f)在In層上方沉積第三Se層。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面,提供了一種太陽能電池,包括位于襯底上方的堆疊式吸 收膜,堆疊式吸收膜包括至少兩組吸收材料,每一組都包括至少三層,其中:至少三層中的 至少一層包括元素 Se ;至少三層中的至少一層包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬; 并且該至少一個Se層接觸該至少一個金屬層。
[0023] 優(yōu)選地,該太陽能電池還包括:位于襯底和堆疊式吸收膜之間的背面接觸層、位于 堆疊式吸收膜上方的緩沖層、以及位于緩沖層上方的正面接觸層。
[0024] 優(yōu)選地,堆疊式吸收膜包括Ga/ (Ga+In)的雙斜率分布,斜率分布在膜的耗盡區(qū)具 有正斜率而在膜的塊狀區(qū)具有負(fù)斜率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 結(jié)合附圖來閱讀下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,根據(jù)通 用實(shí)踐,附圖中的各種部件沒有按比例繪制。相反,為了清楚討論起見,各種部件的尺寸可 以被任意增大或縮小。在整篇說明書和附圖中,類似的數(shù)字指代類似的部件。
[0026] 圖1是制造本發(fā)明所述的太陽能電池的方法的流程圖;
[0027] 圖2是本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的示意性截面圖;
[0028] 圖3是用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的一組吸收材料的示意性截面圖;
[0029] 圖4是用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的一組吸收材料的示意性截面圖;
[0030] 圖5是用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的一組吸收材料的示意性截面圖;
[0031] 圖6是本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的示意性截面圖;
[0032] 圖7A是本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的示圖以及示出了組成深度分布數(shù)據(jù)的相應(yīng) 示圖;
[0033] 圖7B是示出了本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的沉積分布數(shù)據(jù)的示圖;
[0034] 圖8A至圖8D是示出了用于制造本發(fā)明所述的太陽能電池的方法的退火曲線的示 圖;
[0035] 圖9是文本所述的太陽能電池的截面圖;
[0036] 圖10A是示出了用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的吸收深度分布數(shù)據(jù)的示圖;
[0037] 圖10B是示出了用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的衍射模式數(shù)據(jù)的示圖;
[0038] 圖11A是示出了普通膜的吸收深度分布數(shù)據(jù)的示圖;
[0039] 圖11B是示出了用于本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的吸收深度分布數(shù)據(jù)的示圖;
[0040] 圖11C是示出了普通膜與本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的吸收深度分布數(shù)據(jù)相比 較的示圖;以及
[0041] 圖11D是示出了普通膜與本發(fā)明所述的堆疊式吸收膜的衍射模式數(shù)據(jù)相比較的 示圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 在說明書中,相對術(shù)語諸如"低于"、"高于"、"上方"、"在…之上"、"在…之下"、"向 上"、"向下"、"頂部"和"底部"及其派生詞(例如,"向下地"、"向上地"等)應(yīng)該被解釋為是 指如隨后所述的或者如論述中的附圖所示的方位。這些相對術(shù)語是為了便于描述,并不要 求在具體方位上構(gòu)造或操作器件。除非另有明確描述,關(guān)于接合、連接等的術(shù)語(諸如"連 接"和"互連")是指其中一個結(jié)構(gòu)直接或通過中介結(jié)構(gòu)間接地固定或接合至另一結(jié)構(gòu)的關(guān) 系以及兩者都是可移動的或剛性的接合或關(guān)系。
[0043] 本發(fā)明提供了改進(jìn)的光伏太陽能電池器件及制造該器件和子結(jié)構(gòu)的方法。具體而 言,本發(fā)明提供了可控和可重復(fù)的并且具有改進(jìn)的光電轉(zhuǎn)化率的基于黃銅礦的高質(zhì)量吸收 薄膜的形成。具體而言,由于可以精確控制薄膜的化學(xué)組成,所以吸收膜包括優(yōu)化的深度分 布和更強(qiáng)的均一性,從而顯著地改進(jìn)了器件性能。圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的用于形成各種 半導(dǎo)體子結(jié)構(gòu)的方法的概括。結(jié)合附圖提供了方法和根據(jù)方法形成的結(jié)構(gòu)的更進(jìn)一步的細(xì) 節(jié)。
[0044] 根據(jù)一些實(shí)施例,圖1是描述用于制造太陽能電池的大概方法100的流程圖。在 步驟200中,在襯底上形成背面接觸層。襯底可包括諸如玻璃的任何合適的襯底材料。在 一些實(shí)施例中,襯底可以包括玻璃(例如,鈉鈣玻璃或無鈉(高應(yīng)變點(diǎn))玻璃)或柔性金屬箔 或聚合物(例如,聚酰亞胺)。背面接觸層可包括諸如金屬和金屬前體的任何合適的導(dǎo)電材 料。在一些實(shí)施例中,背面接觸層可以包括鑰(Mo)、鉬(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、鎳(Ni)或銅 (Cu)。
[0045] 步驟300提供了通過沉積至少兩組吸收材料而在背面接觸層上方形成堆疊式吸 收膜。吸收材料可以包括P型半導(dǎo)體,特別是諸如Cu(In,Ga)Se 2(CIGS)的黃銅礦半導(dǎo)體材 料。每一組吸收材料都包括在子步驟310、320和330中沉積的至少三層CIGS前體材料。在 一些實(shí)施例中,每一層的厚度都介于約l〇nm至約1 μ m之間。在其他實(shí)施例中,每一層的厚 度都介于約l〇〇nm至約200nm之間。堆疊式吸收膜是連續(xù)的,其具有連續(xù)分布的組和層以 形成連續(xù)的膜。
[0046] 三個以上的層中的至少一層包括諸如金屬前體的金屬材料。金屬材料可包括銅 (Cu)、銦(In)、鎵(Ga)或它們的組合。例如,金屬層可以包括組合物,諸如CuGaNa (CGN)、 Cu-Ga (CG)、(In, Ga)-Se、Cu-Se、In2Se3、Ga2Se3、In 2S3、Ga2S3、CuInGa (CIG)和 Cu(In,Ga) Se2。組中其他層中的至少一層包括元素 Se,并且Se層接觸至少一個金屬層。如本發(fā)明所 使用的,相對于Se層,術(shù)語"接觸"和"與…接觸"代表與金屬層相鄰并且在金屬層的上方 和/或下方的Se層的位置。按照次序堆疊各層以將多個硒(Se)層引入到薄膜中從而包括 一個或多個嵌入式Se層(S卩,Se層夾置在膜內(nèi)的金屬層之間)。在一些實(shí)施例中,堆疊式吸 收膜還可以包括硫(S)。例如,一個或多個組35中可有至少一層包括元素 S。
[0047] 如圖2所示,按次序沉積至少三層31、32、33并且形成組35。圖1中所示的子步驟 310、320和330代表沉積至少三層,并且方法可以包括用來形成組的附加層的附加子步驟。 在一些實(shí)施例中,一組可以包括至少四層。在其他實(shí)施例中,一組可以包括至少五層。在其 他實(shí)施例中,一組可包括六個以上的層。
[0048] 可以安排子步驟310及后面的子步驟的次序以實(shí)現(xiàn)堆疊式吸收薄膜的期望組成 分布。例如,圖3至圖5不出了用于一些實(shí)施例的各種堆疊次序。組35可以包括在第一 Se 層之前沉積的第一金屬層或可在第一 Se層之前沉積一個以上的金屬層。組35還可以一個 Se層或多個Se層。參考圖3,在一些實(shí)施例中,組的次序可以包括:(a)沉積CGN層;(b) 在CGN層上方沉積第一 In層;(c)在第一 In層上方沉積Se層;(d)在Se層上方沉積第二 In層;以及(e)在第二In層上方沉積CG層。在如圖4所示的其他實(shí)施例中,組中的次序可 以包括:(a)沉積CGN層;(b)在CGN層上方沉積CG層;(c)在CG層上方沉積In層;以及 (d)在In層上方沉積Se層。在如圖5所示的其他實(shí)施例中,組中的次序可以包括:(a)沉 積CGN層;(b)在CGN層上方沉積第一 Se層;(c)在第一 Se層上方沉積CG層;(d)在CG 層上方沉積第二Se層;(e)在第二Se層上方沉積In層;以及(f)在In層上方沉積第三Se 層。在給定的次序中,可以在之前的步驟(a)至(d)之前完成每個連續(xù)的步驟(b)至(e)。 也可重復(fù)給定的次序以形成多個組35。
[0049] 如圖6所示,沉積多個組35以形成堆疊式吸收膜30。在一些實(shí)施例中,堆疊式吸 收膜30可以包括至少兩個組35。在其他實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可以包括至少三個組 35。在其他實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可以包括至少四個組35。在其他實(shí)施例中,堆疊式 吸收膜30可以包括十個以上的組35。在其他實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可以包括三十個 以上的組35。在一些實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可以包括數(shù)量介于2至1000之間的多個 組。在其他實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可以包括1000個以上的組35。
[0050] 形成堆疊式吸收膜30的組35可以相同也可以不同以控制薄膜30的化學(xué)組成。在 一些實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30的Cu/ (Ga+In)的比率介于約0. 8至1. 0之間。在一些實(shí) 施例中,堆疊式吸收膜30的Ga/ (Ga+In)的原子組成比率介于約0. 2至約0. 4之間。在一 些實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30的Se/金屬的比率介于約0至約3之間。
[0051] 可以改變組35以控制堆疊式吸收膜30的組成深度分布,特別是堆疊式吸收膜30 的Ga/ (Ga+In)比率。在一些實(shí)施例中,堆疊式吸收膜30可包括Ga/ (Ga+In)的雙斜率 分布。雙斜率分布也可以包括在膜30的耗盡區(qū)37內(nèi)具有正斜率而在膜30的塊狀區(qū)39 中具有負(fù)斜率的Ga/ (Ga+In)比率變化率。圖7A和圖7B示出了對應(yīng)于吸收層厚度的Ga/ (Ga+In)的雙斜率分布的實(shí)例。如圖7A所示,轉(zhuǎn)折點(diǎn)38包括最低的Ga/ (Ga+In)比率???以基于吸收層的特性(例如,空間電荷區(qū)(SCR)的寬度、載流子密度等)優(yōu)化表面至轉(zhuǎn)折點(diǎn)38 之間的距離(d min)。
[0052] 在一些實(shí)施例中,每一組35都可以包括相同的層序并且可以改變不同組35i-35n 中的層的厚度以實(shí)現(xiàn)期望的分布。在其他實(shí)施例中,可以改變不同組35i-35n中的層的堆疊 次序以實(shí)現(xiàn)期望的分布。在其他實(shí)施例中,可以應(yīng)用不同次序和不同層厚度的組合。在如 圖7B所示的一些實(shí)施例中,可以調(diào)節(jié)每一組的Ga/ (Ga+In)比率以提供階梯狀的分布。
[0053] 可以使用諸如物理汽相沉積(PVD)或化學(xué)汽相沉積(CVD)的薄膜沉積技術(shù)形成層 31-33。在一些實(shí)施例中,PVD技術(shù)可以包括濺射、蒸發(fā)或它們的組合。例如,可以使用混合 系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中,混合系統(tǒng)可包括用于金屬層的配備有多個濺射靶的DC濺射系統(tǒng)和 用于Se層的熱蒸發(fā)系統(tǒng)??梢栽诩s300°C以下、約100°C以下、約50°C以下或約25°C以下的 沉積溫度下沉積吸收層。在一些實(shí)施例中,沉積溫度可以是室溫,例如,約20°C至約25°C。 如本發(fā)明所使用的,對應(yīng)于溫度的術(shù)語"約"可包括輕微的偏差。例如,±1度、±2度或±5 度的偏差。在較高溫度(例如,大于l〇〇°C)下,偏差可以更大,例如,±5度或±10度。
[0054] 在一些實(shí)施例中,如圖1中的步驟400所示,方法100還可以包括在吸收材料組的 上方沉積包括Se的頂層。例如,頂層可以包括元素 Se。在一些實(shí)施例中,頂部Se層的厚度 可以為約l〇nm以上、約20nm以上或約50nm以上。在其他的實(shí)施例中,頂部Se層的厚度可 以大于50nm。
[0055] 在步驟500中,在高溫下對沉積的吸收層進(jìn)行退火。最大退火溫度大于沉積溫 度。在一些實(shí)施例中,最大退火溫度可以達(dá)到約400°C以上、約450°C以上、約500°C以上、約 550°C以上或約600°C以上。在其他實(shí)施例中,最大退火溫度可以在約600°C以下,約580°C 以下或約550°C以下。在其他實(shí)施例中,最大退火溫度可介于上述溫度的組合之間。例如, 介于約400°C至600°C之間、約400°C至580°C之間、約450°C至580°C之間、約500°C至580°C 之間、約500°C至600°C之間以及約550°C至600°C之間。
[0056] 在一些實(shí)施例中,退火工藝可包括升高溫度以達(dá)到最大退火溫度的傾斜升溫期、 施加最大退火溫度的保持期、溫度降低的冷卻期或它們的組合。如圖8A和8B所示,用于堆 疊式吸收膜30的退火工藝可包括傾斜升溫期、其后的保持期以及隨后的冷卻期。在如圖8C 和8D所示的其他實(shí)施例中,退火溫度可包括第一最高溫度和第二最高溫度。退火工藝可包 括達(dá)到第一最大退火溫度的第一傾斜升溫期、第一最大退火溫度的保持期、達(dá)到第二最大 退火溫度的第二傾斜升溫期以及第二最大退火溫度的保持期。冷卻期可以包括受控的冷卻 工藝、自然冷卻工藝或兩者兼有。如圖8A至8D所示的實(shí)例中,冷卻期可包括受控的冷卻期, 期間冷卻系統(tǒng)提供緩慢的冷卻速率以使子結(jié)構(gòu)從最大退火溫度冷卻降至較低的溫度,例如 約400°C。受控冷卻之后可以是自然冷卻期,期間允許子結(jié)構(gòu)自然冷卻降至較低的溫度,例 如室溫。
[0057] 可以在受控的環(huán)境下實(shí)施退火工藝。在一些實(shí)施例中,在存在Se蒸汽或一種或多 種惰性氣體(例如氮?dú)猓∟ 2))或諸如氬氣(Ar)的稀有氣體的條件下實(shí)施退火步驟500。在退 火步驟500中也可以引入硫。例如,在退火工藝中也可以引入S蒸汽或硫化氫(H 2S)。在S 蒸汽或H2S存在下的最大退火溫度也可高于在Se蒸汽或惰性氣體存在下的最大退火溫度。 例如,如圖8C所示,退火工藝可包括在存在N 2下的第一最大退火溫度,接著是在存在H2S下 的更高的第二最大退火溫度。在另一個如圖8D所示的實(shí)施例中,退火工藝可包括在存在Se 蒸汽下的第一最大退火溫度,接著是在存在H2S下的更高的第二最大退火溫度。
[0058] 在步驟600的一些實(shí)施例中,可以對太陽能電池的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行附加的加工操作以 完成器件并且連接至其他的太陽能電池以形成太陽能電池組件。例如,進(jìn)一步的加工可以 包括在堆疊式吸收膜上方形成緩沖層、在緩沖層上方形成頂部接觸層以及劃出互連線。
[0059] 根據(jù)一些實(shí)施例,圖9示出了太陽能電池 10的截面圖。太陽能電池 10包括襯底 15、位于襯底15上的背面接觸層20以及位于背面接觸層20上方的如上所述的堆疊式吸收 膜30。太陽能電池10還可包括位于堆疊式吸收膜30上的緩沖層61以及位于緩沖層61上 方的正面接觸層62。太陽能電池10還可以包括包含三條劃線(稱為PI、P2和P3)的互連 結(jié)構(gòu)。P1劃線延伸穿過背面接觸層20并且填充有堆疊式吸收膜材料30。P2劃線延伸穿過 緩沖層61和堆疊式吸收膜30并且填充有正面接觸層材料62。P3劃線延伸穿過正面接觸 層62、緩沖層61和堆疊式吸收層30。
[0060] 步驟600中的附加的加工操作還可以包括后端處理、形成組件和形成陣列。太陽 能電池可以通過各自的互連結(jié)構(gòu)串聯(lián)連接至其他的太陽能電池以形成太陽能電池組件。太 陽能電池組件又可串聯(lián)連接或并聯(lián)連接至其他的組件以形成陣列。
[0061] 實(shí)例
[0062] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法來制造堆疊式吸收膜(F01)。用包括作為背面接觸材料的 鑰(Mo)的薄層來覆蓋鈉鈣玻璃襯底。將堆疊式吸收膜層沉積在鑰(Mo)背面接觸層上方并 且其包括具有以下層序的1400個組:CGN/In/Se/In/CG。通過包括將Cu、In和Ga或它們 的組合與堿性金屬一起用作濺射靶材料的DC濺射的混合磁控濺射系統(tǒng)和用于沉積硒層的 熱蒸發(fā)系統(tǒng)來沉積各層。在濺射系統(tǒng)中,將旋轉(zhuǎn)臺或圓柱形滾筒用作襯底支架。在沉積期 間,通過控制支架的轉(zhuǎn)速以及每一個靶和Se蒸發(fā)源的沉積速率來控制每一層的厚度。在大 于500°C的最大溫度下對沉積層進(jìn)行退火以形成a -CIGS,如圖8C所示,包括在冷卻之前, 在Ν2存在的條件下傾斜升溫至第一最大溫度并且保持在第一最大溫度,然后在H 2S存在的 條件下傾斜升溫至第二最大溫度并且保持在更高的第二最大溫度。
[0063] 相應(yīng)于厚度,測量退火之前的堆疊式前體層的Ga/ (Ga+In)比率和退火之后的堆 疊式吸收膜的Ga/ (Ga+In)比率。圖10A示出了測量的Ga/ (Ga+In)曲線。數(shù)據(jù)表明在退 火之后Ga/ (Ga+In)曲線與前體保持一致,例如,Ga/ (Ga+In)比率為約0.3。還通過X射 線衍射(XRD)測量膜R)1的特性,并且圖10B示出了 XRD峰值分析。XRD (112)峰值位置表 明膜 F01 的相為 Cu (Ιηα76&α3) Se2。
[0064] 為了進(jìn)行比較,根據(jù)本發(fā)明所述的方法制造另一個堆疊式吸收膜(F02)。在玻璃襯 底上沉積Mo背面接觸材料的薄層。通過混合濺射系統(tǒng)將堆疊式吸收膜層沉積在背面接觸 層上并且包括層序?yàn)镃GN/In/Se/In/CG的35個組。同樣使用兩步工藝來制造常規(guī)的吸收 膜(F03)。首先,通過濺射技術(shù)將CGN的多個層,接著為CG的多個層,然后為In的多個層沉 積在涂有Mo的玻璃襯底上。在H 2Se反應(yīng)氣體的環(huán)境中,在第一溫度下對F02和F03吸收 層進(jìn)行退火,然后在H2S氣體存在下,在更高的第二溫度下進(jìn)行退火,最后進(jìn)行冷卻。
[0065] 通過能量色散X射線光譜儀(EDX)和XRD對膜F02和F03的特性進(jìn)行測量。圖11A 示出了膜H)3的EDX行掃描,表明材料的原子百分比不一致,特別是,In和Ga的相互擴(kuò)散。 通過比較,圖11B示出了膜R)2的EDX行掃描,表明F02堆疊式吸收膜避免了不必要的第二 相并提供了更好的膜內(nèi)均勻性。與H)3比較,膜F02在退火之后的Ga/ (Ga+In)分布更加 類似于退火之前的所沉積的CIGS材料層的Ga/ (Ga+In)分布。圖11C示出了膜F02和R)3 的EDX曲線,圖11D示出了膜F02和R)3的XRD分析。XRD (112)峰值位置和EDX分布表明 F03工藝與形成堆疊式吸收膜的F02工藝相比,在表面和相位隔離處引入較少的Ga。
[0066] 還比較了器件的性能。膜F03的VQC的測量值為626mV而堆疊式吸收膜F02的V QC 的測量值為681mV。結(jié)果表明,由于其改進(jìn)的Ga八Ga+In)比率分布,膜F02具有更高的VQC。
[0067] 總之,本發(fā)明的方法提供了一種制造具有更高質(zhì)量吸收膜的太陽能電池和太陽能 電池子結(jié)構(gòu)的可控的、有效的方法。根據(jù)本發(fā)明的堆疊式吸收膜提供了對于膜中In和Ga 分布組成的更大精度,從而產(chǎn)生更高的工作電壓??煽氐闹苽涔に囘€使得具有更好的重復(fù) 性和產(chǎn)量。此外,高效和有效的方法消除了對反應(yīng)氣體H 2Se的需要,從而減小了工藝時間。 因此,本發(fā)明的方法在改進(jìn)工藝中的生產(chǎn)量和穩(wěn)定性的同時,也可以降低制造成本。
[0068] 雖然以上描述了關(guān)于CIGS的具體的實(shí)例,但是本發(fā)明描述的結(jié)構(gòu)和方法可以應(yīng) 用于各種基于黃銅礦的薄膜太陽能電池中,諸如CuInSe 2(CIS)、CuGaSe2(CGS)、Cu(In,Ga) Se2(CIGS)、Cu(In,Ga) (Se,S)2(CIGSS)等。例如,本發(fā)明所描述的結(jié)構(gòu)和方法可以應(yīng)用于由 包括以下元素的I-III-VI化合物的組合物而形成的薄膜:
[0069]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于制造太陽能電池的方法,包括: 在襯底上形成背面接觸層;以及 通過沉積至少兩組吸收材料在所述背面接觸層上方形成堆疊式吸收膜,每一組都包括 至少三層,其中: 所述至少三層中的至少一層包括元素 Se ; 所述至少三層中的至少一層包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬;并且 該至少一個Se層接觸該至少一個金屬層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中,每一組中的至少兩層包括選自由Cu、In和Ga組 成的組中的一種或多種金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中,所述堆疊式吸收膜的Cu/ (Ga+In)的比率介于約 0. 8至1. 0之間。
4. 一種用于制造太陽能電池的方法,包括: 提供襯底,在所述襯底上具有背面接觸層; 在所述背面接觸層上方沉積包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬的第一層; 在所述第一層上方沉積包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬并且具有與所述第 一層不同的組成的另一層; 在所述背面接觸層上方沉積包括元素 Se的層,該Se層與至少一個金屬層接觸;以及 順序重復(fù)所述沉積步驟以在所述背面接觸層上形成堆疊式吸收膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中,順序?qū)嵤┧龀练e步驟包括的次序?yàn)椋?(a) 沉積 CuGaNa (CGN)層; (b) 在所述CGN層上方沉積第一 In層; (c) 在所述第一 In層上方沉積Se層; (d) 在所述Se層上方沉積第二In層;以及 (e) 在所述第二In層上方沉積CG層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中,順序?qū)嵤┧龀练e步驟包括的次序?yàn)椋?(a) 沉積CGN層; (b) 在所述CGN層上方沉積CG層; (c) 在所述CG層上方沉積In層;以及 (d) 在所述In層上方沉積Se層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中,順序?qū)嵤┧龀练e步驟包括的次序?yàn)椋?(a) 沉積CGN層; (b) 在所述CGN層上方沉積第一 Se層; (c) 在所述第一 Se層上方沉積CG層; (d) 在所述CG層上方沉積第二Se層; (e) 在所述第二Se層上方沉積In層;以及 (f) 在所述In層上方沉積第三Se層。
8. -種太陽能電池,包括位于襯底上方的堆疊式吸收膜,所述堆疊式吸收膜包括至少 兩組吸收材料,每一組都包括至少三層,其中: 所述至少三層中的至少一層包括元素 Se ; 所述至少三層中的至少一層包括選自由Cu、In和Ga組成的組中的金屬;并且 該至少一個Se層接觸該至少一個金屬層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽能電池,還包括:位于所述襯底和所述堆疊式吸收膜之 間的背面接觸層、位于所述堆疊式吸收膜上方的緩沖層、以及位于所述緩沖層上方的正面 接觸層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池,其中,所述堆疊式吸收膜包括Ga八Ga+In)的雙 斜率分布,所述斜率分布在所述膜的耗盡區(qū)具有正斜率而在所述膜的塊狀區(qū)具有負(fù)斜率。
【文檔編號】H01L31/032GK104282781SQ201310398112
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】盧俊安, 許麗, 吳志力 申請人:臺積太陽能股份有限公司
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