包括銅銦鎵硒的光伏器件的製作方法

2023-10-17 06:11:09 2

專利名稱：包括銅銦鎵硒的光伏器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及CIGS光伏器件。
背景技術：
隨著近來對替代能源的關注，太陽能電池技術快速地發展。薄膜太陽能電池技術是對矽太陽能電池技術的有前途的替代。銅銦鎵硒(CIGQ是商業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)水平具有優異的效率，並且幾家公司已對CIGS進行了中試規模的生產，但當前工藝未達到令人滿意的生產率。

發明內容
通常，製造光學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、 銦和鎵的層並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生在硒層的沉積之前。可以多次反覆執行鎘、銦和鎵的濺射以及硒的沉積。光學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電層，透明導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。其他特徵、目標和優點通過描述和附圖以及通過權利要求將是清楚的。


圖1是兩階段沉積系統的示意圖。圖2是兩階段沉積系統中的第二階段的詳細示意圖。
具體實施例方式對於銅銦鎵硒(GIGS)的沉積，有兩種基本的方法以化學計量的形式(Cu(InGa) Se2)同時共沉積全部的元素，以及對金屬合金膜(CuhCa+2Se)進行後西化。由於將元素蒸發規模化困難，所以在大量生產中共沉積主要存在控制問題並已證明極其昂貴。雖然實現小規模的研究和開發相當成功且相對容易，但由於在不同於實驗室工藝的連續生產過程中面臨著許多條件，所以規模擴大至商業可行水平證明相當具有挑戰性。連續生產與實驗室工藝的不同包括由移動基底的連續工藝導致的不同以及為了降低成本和提高生產量而執行的不同。可以使用包括濺射和電鍍的一系列技術來沉積用於硒化的金屬前驅體膜。近來在研究實驗室中製備的效率高達破紀錄的18. 8%的基於CIGS的裝置是基於使用物理氣相沉積(PVD)的多步工藝。PVD方法是用於理解膜生長和用於開發模型的有用工具，但是難以規模擴大。濺射技術適合於大面積沉積；然而，它們需要昂貴的真空設備和濺射靶材。電鍍 (EP)和自動鍍(AP)是得到低成本前驅體膜的可能合適的製備方法。然而，後硒化步驟非常長(據報導，對於一些步驟需要200小時的處理)。一直在開發快速熱硒化工藝，但是仍未被證明適合於大規模工藝。反應濺射為共沉積提供了選擇。在該工藝中，由傳統的金屬靶材(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。金屬靶材可以是平面的或可旋轉的。通常用於CIGS的反應濺射方法使用傳統的諸如Veeco商業產品的蒸發器。該方法存在阻礙實施的嚴重缺點。在其他問題中最致命的兩個問題是使用比蒸發器本身冷的狹窄出口使源本質上易於阻塞，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計非常難於擴大(包括分配材料的加熱管的複雜布置)。反應濺射銅、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於硒的傳輸的氣相傳輸沉積(Vapor Transport Deposition, VTD) 結合。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系統被證實是一種允許使用粉末進料器來控制材料的供給的生產工藝，並且在整個寬網(web)內產生高度均勻的材料流。VTD系統已廣泛地用於生產中，並且已用於廣泛地沉積高蒸氣壓材料。在使VTD技術適用於CIGS反應濺射應用的過程中，該技術使其自身具有潛在的應用。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並不是使包括鎘、銦和鎵的厚(1微米)層與硒反應，而是在每種金屬靶材之後順序地進行硒化。由於在商業化的濺射沉積系統中通常有近10個金屬濺射部分，所以這使得能夠進行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於偏析，但在VTD-反應濺射方法中通過將膜細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上的初始反應濺射沉積階段100。基底110在傳送機120上行進通過初始階段100。接下來，後續氣相傳輸沉積階段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連續通過後續階段130。如上所述，圖1中的兩階段濺射和硒化系統反覆多次，例如，5次、10次、15次等。以這樣的方式，可以控制組分分配並減少了總硒化時間。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。對於氣相傳輸沉積，載氣通過由進料執行器控制的螺旋進料裝置與半導體粉末結合。螺旋進料裝置可以是提供載氣和半導體粉末的良好分配的旋轉螺杆。可以通過螺杆旋轉的速率來精確地控制作為粉末輸入的半導體材料的量。可以通過電加熱器將載氣和半導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釐米至3. 0釐米範圍內的距離。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，由於陶瓷罩外表面的溫度低於熱可透膜的溫度，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電層的底層、蓋層、窗口層、吸收層和頂層。可以在生產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。可以通過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。可以將頂基底層置於頂層的頂部上以形成夾層結構並完成光伏電池。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製造中的半導體層的沉積，這些美國專利中每個美國專利的全部內容通過引用包含於此。沉積可以包括從源向基底傳輸蒸氣，或者在封閉的系統中使固體升華。用於製造光伏電池的設備可以包括傳送機，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， 用於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於此。可以將沉積室加熱至達到不小於大約450°C並且不大於大約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 的範圍，或者可以是大於450°C並小於大約700°C的任何其他範圍。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，以便於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電層。薄的蓋層可以在透明導電層的頂部上，並且至少部分地覆蓋透明導電層。接下來沉積的層是第一半導體層，第一半導體層可以用作窗口層，並且基於透明導電層和蓋層的使用，第一半導體層可以更薄。接下來沉積的層是第二半導體層，第二半導體層用作吸收層。如果需要，則在整個製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。透明導電層可以是諸如像氧化錫一樣的金屬氧化物的透明導電氧化物，可以用例如氟來摻雜透明導電氧化物。該層可以沉積在前接觸件和第一半導體層之間，並且可以具有足以減小第一半導體層中的針孔的影響的高電阻率。第一半導體層中的針孔可以導致在第二半導體層和第一接觸件之間形成分流，進而導致在針孔圍繞的局部區域上的洩漏。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域。可以設置蓋層以提供電阻這樣的增加。蓋層可以是由化學穩定性高的材料製成的非常薄的層。與具有相同厚度的相當厚度的半導體材料相比，蓋層可以具有更高的透明度。 適於用作蓋層的材料的示例包括二氧化矽、三氧化二鋁、二氧化鈦、三氧化二硼和其它相似的實體。蓋層也可以用於使透明導電層與第一半導體層電隔離和化學隔離，防止在高溫下發生的可以對性能和穩定性造成負面影響的反應。蓋層也可以提供可以更適合於接受第一半導體層的沉積的導電錶面。例如，蓋層可以提供表面粗糙度減小的表面。第一半導體層可以用作用於第二半導體層的窗口層。第一半導體層可以比第二半導體層薄。由於較薄，所以第一半導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體層。第二半導體層可以沉積到第一半導體層上。蓋層可以用於使透明導電層與第一半導體層電隔離和化學隔離，防止在高溫下發生的可以對性能和穩定性造成負面影響的反應。透明導電層可以沉積在基底的上方。用於產生電能的系統可以包括在基底上的透明導電層、包括寬帶隙半導體層的第一半導體層、第二半導體層、與第二半導體層接觸的界面層。界面層可以在第二半導體層、 連接到透明導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域中將第二半導體層的化學勢維持在控制水平。界面層可以在第二半導體層和背金屬接觸件之間。用於產生電能的系統包括連接到透明導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於第二半導體的帶隙的光透明。用於產生電能的系統可以包括串聯設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的裝置的精神和範圍的情況下，可以做出各種修改。例如，半導體層可以包括各種其他材料，只要所述材料可以用於緩衝層和蓋層。因此，其他實施例在權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種製造光伏器件的方法，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.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括反覆地執行沉積包括銅、銦和鎵的層的步驟和沉積硒層的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其中，基底包含玻璃。
4.如權利要求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生在沉積硒層的步驟之前。
7.如權利要求1所述的方法，所述方法還包括沉積透明導電層的步驟。
8.如權利要求7所述的方法，其中，透明導電層是透明導電氧化物層。
9.如權利要求8所述的方法，其中，透明導電氧化物層是氧化銦錫。
10.一種層狀結構，所述層狀結構包括基底；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.如權利要求10所述的層狀結構，其中，所述層狀結構形成光伏器件。
12.如權利要求11所述的層狀結構，其中，光伏器件是薄膜光伏器件。
13.如權利要求10所述的層狀結構，所述層狀結構還包括與所述包括銅、銦和鎵的層及硒層接觸的透明導電層。
14.如權利要求13所述的層狀結構，其中，透明導電層是氧化錫。
15.一種用於產生太陽能的系統，所述系統包括 基底；透明導電層，沉積在基底上；濺射的包括銅、銦和鎵的層，與透明導電層接觸；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.如權利要求15所述的系統，其中，所述系統形成光伏器件。
17.如權利要求16所述的系統，其中，光伏器件是薄膜光伏器件。
18.如權利要求15所述的系統，其中，透明導電層是氧化錫。
全文摘要
銅銦鎵硒光伏電池可以包括具有透明導電氧化物層的基底。可以使用濺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 優先權日2008年11月25日
發明者大衛·伊格爾沙姆 申請人:第一太陽能有限公司