[发明专利]硫属元素层的高生产量印刷和金属间材料的使用

说明书

发明领域

本发明涉及太阳能电池且更具体地涉及使用基于IB-IIIA-VIA化 合物的活性层的太阳能电池的制造。

发明背景

太阳能电池和太阳能组件将日光转换为电。这些电子器件传统地 使用硅(Si)作为光吸收半导体材料以相当昂贵的生产工艺制造。为 使太阳能电池更加经济可行，已开发出如下的太阳能电池装置结构： 该结构可以廉价地利用薄膜、光吸收半导体材料，例如但不限于铜铟 镓硫代二硒化物，Cu(In，Ga)(S，Se)₂，也被称为CI(G)S(S)。这类太 阳能电池通常具有夹在背面电极层和n型结配对层之间的p型吸收层。 背面电极层常常是钼，而结配对常常是CdS。在结配对层上形成透明 导电氧化物(TCO)，例如但不限于锌氧化物(ZnO_x)，通常将其用作 透明电极。CIS基太阳能电池已经证明有超过19％的功率转换效率。

成本有效地构建大面积CIGS基太阳能电池或组件中的中心挑战 是，CIGS层的元素应该在所有三个维度上在纳米、介观和宏观长度尺 度上处在窄的化学计量比之内，以使所产生的电池或组件具有高效率。 然而使用传统的真空基沉积工艺难以在相对大的衬底面积上实现精确 的化学计量组分。举例来说，通过溅射或蒸发难以沉积含有多于一种 元素的化合物和/或合金。这两种技术依赖受限于瞄准线和有限面积源 的沉积方法，趋向于产生不良的表面覆盖率。瞄准线轨迹和有限面积 源能够在所有三个维度上产生元素非均匀的三维分布和/或在大面积 上产生不良的膜厚度均匀性。这些非均匀性可以发生在纳米、介观和/ 或宏观尺度上。此类非均匀性也改变吸收层的局部化学计量比，降低 全部电池或组件的潜在(potential)功率转换效率。

已开发出真空基沉积技术的替代方法。特别是，使用真空半导体 印刷技术在柔性衬底上制备太阳能电池提供了传统真空沉积太阳能电 池的高度成本有效的代替。举例来说，T.Arita及其同事[20th IEEE PV Specialists Conference，1988，第1650页]描述了非真空丝网 印刷技术，该技术包括：以1：1：2的组成比将纯铜、铟和硒粉混合并 研磨并且形成可丝网印刷的糊料，将该糊料丝网印刷在衬底上，以及 烧结该膜以形成化合物层。他们报道说，虽然他们以单质铜、铟和硒 粉开始，然而在研磨步骤之后，糊料含有CuInSe₂相。然而，从烧结 层制造的太阳能电池具有非常低的效率，因为这些吸收体的结构和电 子品质差。

A.Vervaet等亦报道了沉积在薄膜上的丝网印刷的CuInSe₂[9th European Communities PV Solar Energy Conference，1989，第480 页]，其中将微米尺寸的CuInSe₂粉末与微米尺寸的硒粉末一起使用， 以制备可丝网印刷的糊料。在高温下烧结非真空丝网印刷所形成的层。 这种方法的困难是寻找用于致密CuInSe₂膜形成的合适助熔剂。尽管 以此方式制造的太阳能电池也具有不良的转换效率，然而使用印刷和 其它非真空技术制造太阳能电池仍有发展前景。

其它人曾尝试使用硫属元素化物粉末作为前体材料，例如通过丝 网印刷沉积的微米尺寸的CIS粉末，非晶态四元硒化物纳米粉末或通 过在热衬底上喷涂沉积的非晶态二元硒化物纳米粉末的混合物，以及 其它的例子[(1)Vervaet，A.等，E.C.Photovoltaic Sol.Energy Conf.，Proc.Int.Conf.，10th(1991)，900-3.；(2)Journal of Electronic Materials，Vol.27，No.5，1998，第433页；Ginley 等；(3)WO99，378，32；Ginley等；(4)US6,126,740]。到目前为 止，当使用硫属元素化物粉末来快速处理形成适合于太阳能电池的 CIGS薄膜时并没有获得有希望的结果。