[发明专利]形成具有CuInSe2和Cu(In,Ga)Se2膜的太阳能电池的系统和方法

说明书

相关申请的交叉参考 

本申请要求于2012年2月29日提交的题为“SOLAR CELLS WITH CUINSE₂AND CU(IN,GA)SE₂FILMS MADE BY REACTING EVAPORATED COPPER,INDIUM,AND GALLIUM CHLORIDES WITH SELENIUM”的美国临时申请61/604,792的优先权和权益。 

合同来源 

根据美国能源部与可持续能源联盟有限责任公司(Alliance for Sustainable Energy,LLC)(国家可再生能源实验室的管理者与经营者)之间的第DE-AC36-08GO28308号合同，美国政府在本发明中拥有权利。 

背景技术

太阳能电池是具有能够使阳光能量转换成电能的特性的器件。研究的目的通常是实现适用于廉价商业生产且同时提供可接受的高能量转换效率的太阳能电池设计。 

常规的薄膜太阳能电池由在刚性或柔性基底上的薄层的堆叠体构成，且所述薄层形成吸收光并将其转换成电的一个或多个结。简而言之，典型的薄膜PV器件，例如薄膜太阳能电池，可包括玻璃、金属或聚合物基底，背接触，吸收体，窗口层，前接触或低电阻率层，和顶部保护层(如玻璃基底)或类似的薄膜层排列。当前，使用由二硒化铜铟(“CIS”)或二硒化铜铟镓(“CIGS”)形成的吸收体或吸收体层制造许多太阳能电池，因为由任一材料形成的吸收体具有高的光吸 收系数和合适的光学和电学特性。对于CIS和CIGS太阳能电池，继续开展工作以提供生产CIS或CIGS薄膜层的更好方法，该薄膜层具有合适的组成和结构以允许由接受的太阳光所产生的电荷(即电子和空穴)在器件的CIS和CIGS层中存在足够长的时间，使得它们能够在前接触和背接触上分离并收集从而提供更高的转换效率。 

太阳能电池的商业生产包括使用多种方法生长包括CIS或CIGS吸收体的薄膜。可以使用共蒸发法通过从单质源同时蒸发铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和硒(Se)来生产薄膜。即使精确控制蒸发速率，已证明难以获得具有期望粗糙度和均匀厚度的均质薄膜。在其它商业生产线中，使用来自硒蒸气的硒化以形成用于太阳能电池的CIS或CIGS吸收体。在典型的方法中，提供基底作为太阳能电池的背接触，该基底是涂覆有钼(Mo)薄膜的钠钙玻璃。通过气相沉积法例如溅射，在基底上依次沉积Cu层、In层和Ga层。不同的层在H₂Se或含Se的气氛中热硒化并随后转变成CIS或CIGS薄膜。相比于共蒸发法，这种方法的优势是可以商业生产大面积的CIS或CIGS膜沉积物。 

研究用于制造更高效率太阳能电池技术的研究者们设计了一种形成Cu(In,Ga)Se₂膜的改进方法。具体地，Noufi在美国专利US5,441,897中教导了一种三阶段法，并且其教导可依赖于更加充分地理解教导形成薄膜方法的各方面。简而言之，所述三阶段包括：沉积形成In_xSe薄膜；向In_xSe膜添加铜以形成富Cu的CIS膜；和向该富Cu的CIS膜添加In_xSe以形成贫Cu的CIS膜。已表明，当在邻接窗口层或者与硫化镉(CdS)或太阳能电池的其它薄膜一起提供结的吸收体的表面处或表面附近，铜与铟的比率小于1:1(贫Cu)时，CIS(或CIGS)膜提供了更高效的太阳能电池吸收体。 

然而迄今为止，太阳能电池制造商已发现难以形成富Cu的CIS或CIGS薄膜并随后有选择地降低铜量以形成贫Cu区域(例如在CIS/CdS结或界面处的贫Cu表面)。在形成富Cu的CIS薄膜的步骤中，已经作出一些努力以利用铜取代铟。然而，这涉及需要极高温度(例如1200℃等)的化学法或化学气相沉积(CVD)，这在商业生产 装置中是不期望的，因为它增加了能量成本并且需要大量的工程以提供高温CVD环境。 

本文描述的实施方案解决了现有技术中的问题，通过研究本公开将清楚这一点。相关技术的前述实例以及与之相关的限制意图是说明性的而不是排他性的。在阅读说明书和研究附图时，本领域的技术人员将清楚相关技术的其它限制。 

发明概述 

结合系统、工具和方法来描述和说明下面的实施方案及其方面，所述系统、工具和方法意图是示例性和说明性的，而不意图限制范围。在各个实施方案中，已减少或消除了上述问题中的一个或多个，而其它实施方案针对于其它改进。