[发明专利]大规模CIGS基薄膜光伏材料的钠溅射掺杂方法

说明书

相关申请的参考

本申请要求享有2010年7月23日提交的美国临时申请No.61/367,030的优先权，其是普通受让的，并且将其全部内容引入于此，以便各种目的的参考。

技术领域

本发明总体上涉及薄膜光伏(photovoltaic)材料及其生产方法。更具体地，本发明提供一种用于在形成光伏材料的前体中掺杂钠的方法和结构。本方法包括用于制造黄铜矿光伏材料的室内(in-chamber)钠溅射掺杂，但是应当认识到，本发明也可有其他构造。

背景技术

人类长期接受挑战找到利用能量的途径。能量分为各种形式，例如石油化学、水电、核、风、生物资源、太阳、树木和煤。太阳能技术通常将来自太阳的电磁辐射转换为其他有用形式的能量。这些其他形式的能量包括热能和电能。为了电能应用，经常使用太阳能电池。尽管太阳能在环境上是清洁的并且已经有良好的应用，但是其在全世界广泛应用之前仍存在许多限制条件需要解决。举例来说，一种类型的太阳能电池使用源自半导体材料晶锭(ingot)的晶体材料。这些晶体材料可用于制造光电子器件，包括将电磁辐射转换为电能的光伏和光电二极管器件。然而，晶体材料通常是昂贵的并且难以大规模制造。另外，这种晶体材料制成的器件通常具有低的能量转换效率。其他类型的太阳能电池使用“薄膜”技术形成用于将电磁辐射转换为电能的感光材料薄膜。借助于薄膜技术制成太阳能电池存在类似的限制，也就是说，通常效率差。另外，通常膜的可靠性差，并且不能在常规的环境中在大范围的时段应用。通常，薄膜很难机械地彼此整合。此为，整合电极材料和覆盖在含钠衬底上形成的吸收剂材料也是有问题的，尤其对于大规模制造来说。

发明内容

本发明总体上涉及光伏材料及其制作方法。更具体地，本发明提供一种用于制造薄膜光伏材料的方法和结构。该方法包括，含钠(sodium-bearing)多层前体材料的室内溅射沉积，该前体材料包含铜、镓、和铟物质，用于通过热反应处理制造铜基吸收剂材料，但是应当认识到，本发明可具有其他构造。

在具体的实施方式中，本发明提供了一种对薄膜光伏材料进行钠掺杂的方法。该方法包括提供具有表面和覆盖该表面的氧化物材料的透明衬底。在氧化物上方形成金属电极材料。此外，该方法包括，至少使用具有4-12wt％的Na₂SeO₃化合物物质和88-96wt％的铜-镓物质的第一靶材器件实施溅射沉积过程以形成第一前体材料。铜-镓物质的特点在于第一Cu-Ga组成比。第二前体材料在第一前体材料上方形成，并且包括铜物质和镓物质，该铜物质和镓物质使用具有基本上等于第一Cu-Ga组成比的第二Cu-Ga组成比的第二靶材器件而沉积。然后，包括铟的第三前体材料在该第二前体材料上方形成。然后，至少在气态硒物质中的热反应处理导致形成包括钠和铜与铟-镓的原子比约为0.9的吸收剂材料。

在另一个实施方式中，本发明提供用于形成光伏材料的结构。该结构包括具有表面的衬底和该表面上方的钼材料。含钠材料覆盖该钼材料。该含钠材料通过使用具有约8wt％的Na₂SeO₃和92wt％的铜-镓(其中，铜大于80％)的第一溅射靶材器件而形成。铜-镓材料覆盖该含钠材料。铜-镓材料使用包含具有基本上等于铜的第一组成的铜的第二组成的Cu-Ga物质的第二溅射靶材器件而形成。铟覆盖该铜-镓材料。铟材料使用基本上纯的In物质的第三溅射靶材器件而形成。含钠材料、铜-镓材料、和铟材料形成前体，经过热反应处理，用于形成光伏材料。

在另一个实施方式中，本发明提供了对薄膜光伏材料进行钠掺杂的方法。该方法包括提供具有表面的衬底和覆盖该表面的介电材料。在介电材料上方形成金属电极。然后，可利用溅射沉积过程，其至少使用具有钠物质、铜物质、和镓物质的第一靶材器件，以形成第一前体材料。第二前体材料在第一前体材料上方形成，第二前体材料包括使用第二靶材器件沉积的铜物质和镓物质。包含铟的第三前体材料在第二前体材料上方形成。该方法包括将该前体材料经受在包括硒的环境中热处理，从而导致形成吸收剂材料。