[发明专利]具有NaxIn1SyClz缓冲层的薄层太阳能电池的层系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄层太阳能电池的层系统以及一种用于制造层系统的方法。

背景技术

太阳能电池和太阳能模块的薄层系统是充分已知的，并且视衬底和所施加的材料而定，市场上存在不同的实施方案。所述材料被选择为使得最大程度利用入射的太阳光谱。由于物理特性和工艺可操作性，具有无定形硅、微晶硅或多晶硅、碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、铜铟(镓)硒硫化物(Cu(In，Ga)(S，Se)₂)、铜锌锡硫代硒化物(源自锌黄锡矿的组的CZTS)以及有机半导体的薄层系统特别适用于太阳能电池。五元半导体Cu(In，Ga)(S，Se)₂属于黄铜矿半导体的组，经常将其称作CIS(二硒化铜铟或二硫化铜铟)或者CIGS(二硒化铜铟镓、二硫化铜铟镓或二硫代硒化铜铟镓)。缩写词CIGS中的S可以表示硒、硫或者两种硫族元素的混合物。

基于Cu(In，Ga)(S，Se)₂的当前的薄层太阳能电池和太阳能模块需要在p导通的Cu(In，Ga)(S，Se)₂吸收层和n导通的前电极之间的缓冲层。前电极通常含有氧化锌(ZnO)。根据目前的认识，该缓冲层能够在吸收材料与前电极之间实现电子匹配。该缓冲层此外还在通过直流磁控溅射沉积前电极的后续过程步骤中提供保护以防止溅射损伤。该缓冲层还通过在p型半导体和n型半导体之间的高阻中间层的构造阻止电流从导电性良好的区域流出到导电性差的区域。

迄今为止最常使用硫化镉(CdS)作为缓冲层。为了能够产生良好的电池效率，迄今为止在化学浴法(CBD沉积过程)中以湿化学方式沉积硫化镉。但是与此相联系的缺点是，湿化学过程不太适合于目前生产Cu(In，Ga)(S，Se)₂薄层太阳能电池的过程流程。

CdS缓冲层的另一个缺点在于其含有毒性重金属镉。因此产生较高的生产费用，因为在生产过程中(例如处置废水时)必须采取提高的安全措施。对于客户而言，处置产品可能会引起较高的费用，因为视当地法律而言制造商可能被强迫进行召回、处置或者回收产品。由此产生的费用将会转嫁给客户。

因此针对Cu(In，Ga)(S，Se)₂族半导体构成的不同吸收层测试了硫化镉构成的缓冲层的不同替代方案，例如溅射的ZnMgO、通过CBD沉积的Zn(S，OH)、通过CBD沉积的In(O，OH)、以及通过原子层沉积(ALD)、离子层气相沉积(ILGAR)、喷射热解法或物理气相沉积(PVD)、如热蒸发或喷溅的硫化铟。

然而这些材料尚不适合用作基于Cu(In，Ga)(S，Se)₂用作商用的太阳能电池的缓冲层，因为它们达不到与具有CdS缓冲层的太阳能电池一样的效率。效率说明了入射功率与太阳能电池所产生的功率之比，并且对于小面积上实验室电池的CdS缓冲层而言，效率为直至约20％，以及对于大面积模块而言，效率在10％和15％之间。此外当替代缓冲层暴露于光、热和/或湿度时，所述替代缓冲层还表现出过大的不稳定性、滞后效应或者效率退化。

CdS缓冲层的另一个缺点在于，硫化镉是一种直接半导体，具有大约2.4eV的直接电子带隙。因此在Cu(In，Ga)(S，Se)₂/CdS/ZnO太阳能电池中，即使CdS层厚为几十纳米，入射光也会被大量吸收。缓冲层中吸收的光无法用于电收益，因为所产生的载流子在该层中马上就重新重组，并且在异质结的该区域中和在缓冲材料中有很多起到重组中心作用的晶体缺陷。结果太阳能电池的效率变小，这对于薄层太阳能电池而言是不利的。

例如，从WO 2009141132 A2已知一种具有基于硫化铟的缓冲层的层系统。该层系统由CIGS族的黄铜矿吸收体并且尤其是Cu(In，Ga)(S，Se)₂与硫化铟构成的缓冲层结合组成。硫化铟(In_vS_w)缓冲层例如具有轻度富含铟的组分，其中v/(v+w)＝41％至43％。所述硫化铟缓冲层可以用不同的非湿化学方法——例如通过热蒸发、电子射线蒸发、离子层气体反应(ILGAR)、阴极雾化(溅射)、原子层沉积(ALD)或溅射热解——沉积。

然而，在所述层系统和制造方法的迄今为止的研发中已经呈现出，具有硫化铟缓冲层的太阳能电池的效率低于具有CdS缓冲层的太阳能电池的效率。