[发明专利]用于制造CIGS太阳能电池的组合方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2010年5月4日提交的美国临时申请序列号61/331,347的利益，该临时申请通过引用被全部并入。

发明领域

本发明通常涉及半导体处理。更具体地，描述了使用组合方法来形成Cu₂ZnSnS₄(CZTS)太阳能电池和铜铟镓二硒化物(CIGS)太阳能电池的方法和所形成的测试衬底。

发明背景

组合处理一直用于评估在半导体处理以及其它工业例如电池、催化剂、制药和生物工程中形成的材料、过程和器件。没有做出将组合处理应用于太阳能应用的重大努力。

当需要干净的可再生能源时，广泛地研究了太阳能电池。目前，单晶和多晶硅太阳能电池是市场中的主要技术。单晶和多晶硅太阳能电池需要厚硅层来有效地吸收太阳光。这确定晶体硅太阳能电池的低材料利用率，因此确定实现低成本电的困难。另一方面，薄膜太阳能电池由于其内在材料特性而需要非常细的吸收材料层，以将太阳光有效地转换成电。非晶形/微晶硅(Si)、碲化镉(CdTe)和铜铟镓二硒化物(CIGS)是在薄膜太阳能电池中使用的目前在生产中的三种最重要的材料。在这三种薄膜太阳能电池当中，CIGS具有最佳实验室电池效率（接近20%）和最佳大面积模块效率(>12%)。

特别是，使用用于铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄)(CZTS)太阳能电池和CIGS太阳能电池的组合评估的真空处理工具发展太阳能电池测试衬底还没有完成。继续寻求对太阳能电池的改进，不管是在材料、单元过程还是过程序列中。然而，太阳能公司进行关于完全的衬底处理的研究和开发(R&D)。这种方法导致逐步增长的R&D成本和不能以及时和成本有效的方式进行广泛的实验。

对环境友好的、可持续的和可再生的能源的增长的要求是推动大面积薄膜(TF)光伏(PV)器件的发展。由于提供相当大一部分的全局能量要求的长期目标，存在对在光伏器件中使用的地球上丰富的高转换效率材料的附随的需要。多种地球上丰富的直接带隙半导体材料现在看来显示对在非常大规模(VLS)生产中的高效率和低成本（例如，大于100千兆瓦(GW)）的潜能的迹象，然而相对少的注意致力于其发展和特征描述。

在所有的薄膜PV技术当中，CIGS和CdTe是以大于10%的稳定模块效率达到批量生产的仅有的两种材料。太阳能生产容量必须在即将来临的数十年中极大地增加，以满足在2050年被预期加倍到27兆兆瓦(TW)的急剧增长的能量需要。然而，铟(In)、镓(GA)和碲(Te)的供应可能抑制CIGS和CdTe太阳能电池板的年产量。而且，铟和镓中的价格增长和供应约束可从对在平板显示器(FPD)和发光二极管(LED)以及CIGS PV中使用的这些材料的总要求产生。发展使用较广泛可用的原始材料来影响制造和与薄膜PV有关的R&D基础设施的器件的努力被认为是世界的应予最优先考虑的事。

CZTS硫铜锡锌矿是从PV社区收集增加的兴趣的一种类型的地球上丰富的材料系统。IBM最近宣布Cu₂ZnSn(Se,S)₄(CTZSS)太阳能电池的9.66%转换效率。所使用的这个太阳能电池从基于肼的溶液旋涂膜；然而，肼是已知的毒素。此外，电池使用CdS缓冲层中的镉和氟化镁抗反射涂层。虽然这组材料可能对制造不是合乎需要的，在非常短的一段时间内明显的效率提高说明对PV的CZTS型材料的潜能。然而，在这个经过证明的性能和32%的理论单结效率之间存在严重的差距。

利用地球上丰富的材料的薄膜PV器件的不成熟代表在商品化时间方面的表示令人畏惧的挑战。该同一不成熟也暗示对突破性发现的诱人机会。四元系统例如CZTS需要多个运动路径、热力相平衡考虑、缺陷化学和界面控制的管理。待管理的庞大相空间包括过程参数、源材料选择、构成和总集成方案。传统R&D方法对处理这样的复杂性是装备不良的，且R&D的传统上缓慢的步伐可能在必须与已经建立的薄膜PV加工生产线的日益提高的性能竞争时限制任何新材料达到工业关联。