[发明专利]基于硫属化物的光伏器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明一般性地涉及光伏器件的制造，更具体地，本发明涉及溅射(更具体磁控溅射)在形成光伏器件的吸收层和/或缓冲层中的用途。

背景技术

基于p-n结的光伏电池通常被用作太阳能电池。一般而言，基于p-n结的光伏电池包含与p-型半导体层直接接触的n-型半导体层。作为背景技术，当p-型半导体被放置成与n-型半导体紧密接触时，会发生电子由具有高电子浓度的区域(该结的n-型侧)到具有低电子浓度的区域(该结的p-型侧)的扩散。然而，这种载流子(电子)的扩散不会无限期地发生，因为这种电荷失衡形成了相反电场。在这个p-n结上形成的电场诱导由于光子吸收而形成的电荷载流子分离。

硫属化物(单独的和混合的)半导体在地球太阳光谱中具有适当的光学带隙，因此其可在薄膜基光伏电池(诸如太阳能电池)中作为光子吸收剂，从而产生电子-空穴对，并且将光能转化成可利用的电能。更具体地，半导体硫属化物膜通常在这样的器件中作为吸收层。硫属化物是由至少一种硫属离子(元素周期表中的16族(VIA)元素，例如硫(S)、硒(Se)和碲(Te))和至少一种更带正电的元素组成的化合物。如本领域技术人员所认识到的，当提及硫属化物时，其通常是指硫化物、硒化物和碲化物。薄膜基太阳能器件可以利用这些硫属化物半导体材料本身作为吸收层，或者可以利用这些硫属化物半导体材料与其他元素或甚至化合物(诸如氧化物、氮化物和碳化物等等)的合金作为吸收层。基于物理气相沉积(PVD)的工艺(具体地基于溅射的沉积工艺)通常被用于高生产量的、高产率的大批量制造这种薄膜。

附图说明

图1A-1D表示示例太阳能电池结构的示意性横截侧面图。

图2表示其中进行示例溅射工艺的示例溅射室。

图3表示溅射吸收层所用参数示例的表格。

图4表示示例转化层。

图5表示示例吸收层。

图6表示适用于形成吸收层的示例溅射源和参数的表格。

图7表示适用于形成缓冲层的示例溅射源和参数的表格。

图8表示吸收层和缓冲层之间的示例界面区域。

图9A-9H表示示例吸收层的组成谱。

图10A-10H表示示例吸收层的组成谱。

具体实施方式

本发明的特定实施方式涉及溅射(更具体磁控溅射)在形成光伏器件(此后也被称为“光伏电池”、“太阳能电池”或“太阳能器件”)的吸收层和/或缓冲层中的应用。在特定的实施方式中，磁控溅射被用于形成硫属化物吸收层或缓冲层。特定的实施方式预期降低喷溅(溅射)工艺期间由溅射靶喷射出的粒子(原子)能量，从而改善所沉积的吸收层或缓冲层的电子性质。在特定的实施方式中，能量降低可以在溅射工艺期间通过降低放电电压、增加溅射气氛的压强和增加溅射工艺期间的源和基板之间的距离中的一种或多种方式来实现。各种特定的实施方式可以利用单质溅射源(靶)也可以利用化合物溅射源(靶)。特定的实施方式还可以利用在H₂S和H₂Se中的至少一种的存在下的反应性溅射工艺，以沉积基于CIGS、具体地基于CuIn-(S，Se，Te)(例如CuIn(S，Se，Te)₂)的吸收层(如果适当的话，此后CuIn-Se、CuIn-S、CuIn-Te或其适当组合可以被统称为CuIn-(Se，S，Te))。如果适当的话，此后，当提及层时，其可以涵盖膜，反之亦然。或者，如果适当的话，当提及层时，其也可以涵盖一层或多层。

铜铟镓二硒化物(例如Cu(In_1-xGa_x)Se₂，其中X小于或等于约0.7)、铜铟镓硒化物硫化物(例如Cu(In_1-xGa_x)(Se_1-yS_y)₂，其中x小于或等于约0.7，y小于或等于约0.99)和铜铟镓二硫化物(例如Cu(In_1-xGa_x)S₂，其中x小于或等于约0.7)，以上各个通常被统称为“CIGS”材料，已被成功地用在光电电池中的薄膜吸收体的制造中，这主要由于他们具有相对高的吸收系数。实际上，利用铜铟镓二硒化物吸收层已经制造了光伏效率大于或等于约20％的光伏电池。为使吸收层(此后被单独称为或统称为“吸收层”或“吸收体”)中的缺陷密度最小化所做的各种努力已使得能够制造高品质的CIGS薄膜基光伏电池。