用于光伏結的硒化銅銦鎵上的六方相外延硫化鎘制造技術

一種制造光伏結構的方法包括在第一電極上方形成含有基于硒化銅銦鎵的材料的p型半導體吸收體層，通過在包括氫氣和氧氣的環境中濺射來在所述p型半導體吸收體層上方形成n型硫化鎘層，以及在所述硫化鎘層上方形成第二電極。

【技術實現步驟摘要】
關于聯邦政府贊助的研究或開發的聲明本專利技術根據能源部通過DOE/EERESunShotBRIDGE程序授予的撥款編號CPS25853在政府支持下完成。政府具有本專利技術中的某些權利。
本專利技術大體上涉及光伏裝置領域，并且更具體來說涉及包含硫化鎘與硒化銅銦鎵之間的光伏異質結的薄膜太陽電池。
技術介紹
基于CuIn1-xGaxSe2(CIGS)的薄膜太陽電池由于在商業規模裝置中其太陽能轉換效率的穩定增加而繼續在可再生能源市場中顯示前景。硫化鎘是與基于CIGS的薄膜太陽電池結合使用的薄膜材料。在p型吸收體層(如實施為CIGS膜)與透明導電層之間提供n型硫化鎘層，并且確保自吸收體高效電荷輸送到由n型透明導電氧化物層提供的電接點。當并入到基于CIGS的薄膜太陽電池中時硫化鎘層通常稱作緩沖或窗口層。硫化鎘層可通常通過在分批法中化學浴沉積(CBD)來形成。然而，對于真空沉積的CIGS膜，化學浴沉積方法可能不是可行的方案。實際上不可能將化學浴沉積方法整合到沉積薄膜太陽電池材料的卷輪式沉積方法或連續沉積方法中。其它使用物理氣相沉積來沉積硫化鎘層的方法是可能的。一種此類方法是在真空下磁控濺射化學計量的硫化鎘靶到吸收體襯底(即CIGS膜)的表面以形成薄硫化鎘層。
技術實現思路
根據本專利技術的一個方面，一種制造光伏結構的方法包括在第一電極上方形成包含基于硒化銅銦鎵的材料的p型半導體吸收體層，通過在包括氫氣和氧氣的環境中濺射來在所述p型半導體吸收體層上方形成n型硫化鎘層，以及在所述硫化鎘層上方形成第二電極。根據本專利技術的另一個方面，光伏結構包含第一電極，其包含金屬材料；位于所述第一電極上方的p型半導體吸收體層，其中所述p型半導體吸收體層包括基于硒化銅銦鎵的材料；位于所述p型半導體吸收體層上方的主要六方相硫化鎘層；以及位于所述硫化鎘層上方的第二電極。根據本專利技術的另一個方面，光伏結構包含第一電極，其包含金屬材料；位于所述第一電極上方的半導體吸收體層；位于所述半導體吸收體層的上部上方的硫化鎘層；以及位于所述硫化鎘層上方的第二電極。半導體吸收體層包括在吸收體層的p型硒化銅銦鎵半導體下部與吸收體層的n型含鎘硒化銅銦鎵半導體上部之間的p-n結。附圖說明圖1A到1C是在制造期間根據本專利技術的一個實施例的例示性光伏結構的依序垂直橫截面圖。圖1D是根據本專利技術的一個實施例的例示性光伏結構的替代實施例的垂直截面視圖。圖2顯示可以用于形成過渡金屬層(如含堿金屬的過渡金屬層，例如含鈉鉬膜)的濺射設備的俯視圖的高度簡化示意圖。圖3顯示可以用于制造圖1中所描繪的太陽電池的模塊化濺射設備的俯視圖的高度簡化示意圖。圖4示意性地說明使用三組雙磁控管來增加CIGS層的組合物用于改變其帶隙的沉積速率和級別。圖5是說明在各種硫化鎘沉積方法下形成的樣品光伏裝置的平均開路電壓的依賴的圖。圖6顯示對應于條件A、B以及C的三種樣品的界面區域的高分辨率透射電子顯微圖(HRTEM)。圖7A到7D顯示例示性裝置G21中CdS/CIGS異質結的STEM-EDS圖(在CdS中不摻雜O)。圖7A顯示高度Cd空乏區域由白色圓圈突出顯示。自由白色矩形表示的區域的能源分散光譜學(EDS)定量表明略微經Cd摻雜的Cu缺乏的CIGS表面。圖7B顯示貫穿整個CdS層分布的Cu。圖7C顯示經Se填充的Cu空乏表面層。圖7D顯示CdS中的不明顯Zn和O摻雜。圖8顯示自出現高度Cd空乏區域(圖7A中的白色圓圈)的地方獲取的HRTEM圖像。異質界面相當相干。左上插圖顯示由正方形指示的高度Cd空乏區域的FFT圖案，其可充分指示為立方Cu2S[110]晶帶軸。圖9A到9C顯示例示性裝置G19中CdS/CIGS異質結的STEM-EDS圖(在CdS中較高O摻雜)。圖9A顯示在CdS中不存在Cu。自由矩形標示的區域的EDS定量表明標準Cu(In,Ga)Se2相。圖9B顯示虛線，其標示富含Se層(Cu缺乏)。自圖7A，在此層中發現Cd，指示Cd取代Cu。圖9C顯示在整個CdS層中發現Zn。圖10是自記錄圖9中的STEM-EDS圖的地方獲取的HRTEM圖像，其顯示四元化合物CdZnSO的納米結晶度。CdS中的高濃度氧摻雜降低緩沖層的外延和結晶度。圖11A到11D顯示例示性裝置G25中CdS/CIGS異質結的STEM-EDS圖(在CdS中中等O摻雜)。圖11A顯示在CIGS中存在Cd。自由白色矩形表示的區域的EDS定量表明約7％Cd(原子百分比)。圖11B和11C顯示Cu輸送到CdS中。圖11D顯示在CdS的外部發現Zn。圖12顯示自獲得圖11的區域獲取的HRTEM圖像。較高結晶度的六方CdxCu1-xS相在CIGS上外延生長。可觀測到外延關系。圖13A到13B顯示例示性裝置G09和G02中CdS/CIGS異質結的STEM-EDS圖(在CdS中中等O摻雜)。在CdS沉積期間與G02裝置(O2-H2流速差是負50sccm)相比，G09裝置具有較高氫氣比氧氣流速比(O2-H2流速差是負70sccm)。在圖13A中的G09裝置中觀測到具有原子臺面的單晶六方CdS層，同時在圖13B中的G02裝置中觀測到納米晶CdS。具體實施方式如上文所論述，本專利技術涉及包含硫化鎘與硒化銅銦鎵之間的光伏異質結的薄膜太陽電池，其各個方面在下文描述。本專利技術的實施例可以用于形成各種光伏裝置。圖式未按比例繪制。除非明確地描述或以其它方式清楚地指示不存在元件的重復，否則在說明元件的單個實例的情況下，可重復元件的多個實例。如“第一”、“第二”以及“第三”的序數僅用以識別類似元件，并且不同序數可跨越本專利技術的說明書和權利要求書來使用。如本文所用，位于第二元件“上”的第一元件可以位于第二元件的表面的外側上或第二元件的內側上。如本文所用，如果第一元件的表面與第二元件的表面之間存在物理接觸，那么第一元件“直接”位于第二元件“上”。從與直線真空生產線的相容性的觀點來看，CdS的“干燥”非真空斷裂沉積(例如物理氣相沉積(PVD))更有利。然而，與其CBD-CdS/CIGS對應物相比，PVD-CdS/CIGS裝置顯示遞送較低效率。此差異無法僅由如先前認為的PVD-CdS緩沖層在CIGS表面上的不佳覆蓋率解釋。一種可能的解釋是PVD-CdS/CIGS表面中內埋p-n同質結的缺乏可能是原因。本專利技術的專利技術人認識到硫化鎘的物理氣相沉積誘導生長的CdS膜和CIGS吸收體的互混，進而致使所得凈沉積膜堆疊含有顯著量的Cu和其它在生長期間或在生長之后遷移、擴散或與CdS材料反應的元素，產生復合膜。本專利技術的專利技術人進一步認識到此類遷移物質可能對復合膜的電氣裝置特性有不利影響，產生質量不佳裝置和低太陽電池轉換效率。此外，本專利技術的專利技術人認識到在制造期間在沉積溫度下PVD-CdS/CIGS裝置的固有退火產生較高效率，刺激與在CBD-CdS工藝期間發生的工藝類似的化學相互擴散工藝，并且由于Cd占據CIGS表面的Cu空乏位置，可引起p-n同質結在CIGS表面上或在CIGS層的上部部分中形成。此表明在本專利技術的PVD-CdS/CIGS太陽電池期間原子的固有擴散可能是形成增強太陽電池性能的適合相的重要機制。在產生本專利技術的研究過程期間，本專利技術人研究PVD(即濺射)沉積的CdS/CIGS異質結的微觀本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制造光伏結構的方法，其包含：在第一電極上方形成包含基于硒化銅銦鎵的材料的p型半導體吸收體層；通過在包括氫氣和氧氣的環境中濺射來在所述p型半導體吸收體層上方形成n型硫化鎘層；以及在所述硫化鎘層上方形成第二電極。

【技術特征摘要】
2015.05.15 US 62/162,3711.一種制造光伏結構的方法，其包含：在第一電極上方形成包含基于硒化銅銦鎵的材料的p型半導體吸收體層；通過在包括氫氣和氧氣的環境中濺射來在所述p型半導體吸收體層上方形成n型硫化鎘層；以及在所述硫化鎘層上方形成第二電極。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述環境中所述氫氣的分壓比所述氧氣的分壓大0.75毫托到2毫托。3.根據權利要求2所述的方法，其中所述環境中所述氫氣的分壓比所述氧氣的分壓大1.25毫托到1.875毫托。4.根據權利要求2所述的方法，其中：所述環境包括惰性濺射氣體；和所述環境的總壓力在5毫托到10毫托范圍內。5.根據權利要求2所述的方法，其中：氫氣在第一流動速率下流動到濺射腔室中；氧氣在第二流動速率下流動到所述濺射腔室中；以及所述第一流動速率與所述第二流動速率之間的差在30sccm到80sccm范圍內。6.根據權利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化鎘層包含形成具有主要六方晶體結構的單晶本征摻雜或鋅摻雜的硫化鎘層。7.根據權利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化鎘層包含形成具有主要六方晶體結構的單晶硫化銅鎘層。8.根據權利要求7所述的方法，其中所述單晶硫化銅鎘層主要由一或多種六方相硫化鎘晶粒構成。9.根據權利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化鎘層包含形成具有主要六方晶體結構的第一單晶硫化銅鎘層和在所述第一單晶硫化銅鎘層上方形成具有主要六方晶體結構的第二單晶硫化鎘層。10.根據權利要求1所述的方法，其中形成所述第二電極包含形成含鋅氧化物層以使得鋅擴散到所述n型硫化鎘層中以形成經鋅摻雜的硫化鎘層。11.根據權利要求10所述的方法，其中氧和所述鋅擴散到所述n型硫化鎘層中以形成經鋅和氧摻雜的硫化鎘層。12.根據權利要求1所述的方法，其中所述n型硫化鎘層摻雜有銅、鋅、氧或氫中的一或多者。13.根據權利要求1所述的方法，其進一步包含使鎘原子自所述n型硫化鎘層擴散到所述硒化銅銦鎵p型半導體吸收體層的上部以形成所述半導體吸收體層的n型經鎘摻雜的硒化銅銦鎵半導體上部并且進而在所述吸收體層的p型硒化銅銦鎵半導體下部與所述吸收體層的所述n型經鎘摻雜的硒化銅銦鎵半導體上部之間產生p-n同質結。14.根據權利要求1所述的方法，其進一步包含使鎘原子自所述n型硫化鎘層擴散到所述硒化銅銦鎵p型半導體吸收體層的上部以形成所述半導體吸收體層的n型硒化鎘銅銦鎵半導體上...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賀小慶，安格斯·羅基特，喬爾·瓦利，文森索·洛爾迪，尼爾·麥凱，喬迪·扎帕拉克，張偉杰，約翰·科森，
申請(專利權)人：北京鉑陽頂榮光伏科技有限公司，賀小慶，安格斯·羅基特，喬爾·瓦利，文森索·洛爾迪，
類型：發明
國別省市：北京;11