用刻蝕步驟p3和可選的步驟p2制造光伏組件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制造用于獲得光伏組件的中間產(chǎn)品的方法，光伏組件包括多個(gè)太陽能電池，所述方法包括以下步驟：(a)在基板(4)上局部化地沉積Se或S材料的層(7)以覆蓋基板的至少一部分(400)，(b)在這種局部化層(7)上沉積導(dǎo)電材料的層(41)，所述層涂覆了局部化層。
【專利說明】 用刻蝕步驟P3和可選的步驟P2制造光伏組件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏太陽能的領(lǐng)域，并且更具體地涉及薄層形式的光伏組件。
[0002]在本專利申請的范圍內(nèi)，“薄層”是厚度小于5 μ m的層。

【背景技術(shù)】
[0003]光伏組件包括多個(gè)串聯(lián)放置的太陽能電池。事實(shí)上，單個(gè)太陽能電池的端子處所產(chǎn)生的小于I伏的電壓通常對許多設(shè)備來說太低了。因此，有必要將許多電池串聯(lián)放置。因此，幾百個(gè)電池串聯(lián)連接的光伏組件所供應(yīng)的電壓為約100伏。
[0004]對于薄層形式的光伏組件，通過在一個(gè)相同的基板上進(jìn)行刻蝕步驟和沉積步驟可以獲得此串聯(lián)布置。因此，制造了整體式互聯(lián)(monolithic interconnect1n)。這相對于大部分晶體硅的常規(guī)技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。事實(shí)上，制造由晶體硅制成的組件需要難操控且費(fèi)力的接線操作和焊接操作。所有這些操作都與薄膜技術(shù)毫不相干。
[0005]薄層形式的太陽能電池的整體式互聯(lián)的方法需要三個(gè)刻蝕步驟，通常被稱為P1、P2、P3。
[0006]第一步驟(Pl)確保了兩個(gè)相鄰的電池在太陽能電池的背面電極處電絕緣。
[0007]第二步驟(P2)能夠?qū)⒔o定電池的正面電極連接到相鄰電池的背面電極。
[0008]第三步驟(P3)在于使兩個(gè)相鄰的電池在背面電極處電絕緣。
[0009]實(shí)施各種技術(shù)以執(zhí)行這種整體式互聯(lián)方法。
[0010]最常規(guī)的技術(shù)是機(jī)械刻蝕或激光燒蝕。
[0011]因此，可以參考文件US-4502225，它描述了一種包括用于半導(dǎo)電裝置的刻蝕尖端的裝置。
[0012]薄層太陽能電池中的激光應(yīng)用具體描述在以下文章中:“用短激光脈沖和超短激光脈沖選擇性燒蝕薄膜”，Hermann等人，《應(yīng)用表面科學(xué)》，252期(2006年)4814頁(“Selective ablat1n of thin films with short and ultrashort laserpulses”，Hermann et al., Appl.Surf.Sc1.252 (2006) 4814);或者，“薄膜光伏中激光應(yīng)用 ”，Bartolme 等人，《應(yīng)用物理 B》，100 期(2010 年)427-436 頁(“Laser applicat1nsin thin-film photovoltaics”，Bartolme et al., Appl Phys B 100(2010)427-436)。
[0013]這些刻蝕技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):能夠用于在薄層中沉積的各種各樣材料，例如CdTe、a-S1、CZTS (通式 Cu2ZnSn (S，Se) 4)或 CIGS (通式 Cu (In, Ga) (Se, S) 2)。
[0014]然而，這些刻蝕技術(shù)均具有缺點(diǎn)。
[0015]因此，機(jī)械刻蝕導(dǎo)致:由于層上的機(jī)械應(yīng)力的存在而損害了材料；在接近刻蝕線的層的表面上形成了碎屑，這可能導(dǎo)致短路的問題；以及磨損了刻蝕尖端。而且通常，機(jī)械刻蝕的質(zhì)量對許多參數(shù)諸如薄層的形態(tài)或性質(zhì)以及刻蝕尖端的操作參數(shù)非常敏感。
[0016]而且，激光燒蝕不易于實(shí)施。事實(shí)上，要注意的是，所除去的材料可能熔化并且部分地阻塞激光燒蝕所產(chǎn)生的凹槽。因此，這種技術(shù)不能夠獲得制造品質(zhì)優(yōu)良的電接觸所需的清潔表面。
[0017]也可以使用化學(xué)刻蝕工藝。然而，相比于機(jī)械刻蝕或激光燒蝕的常規(guī)方法，這些方法的實(shí)施更復(fù)雜、更昂貴。
[0018]為了更好地準(zhǔn)確描述本發(fā)明的范圍，現(xiàn)將參照圖1a至圖1f描述薄層形式的光伏組件的整體式互聯(lián)的常規(guī)方法。這些附圖都是截面圖，并且代表實(shí)施這種方法的各種步驟。
[0019]圖1a表示基板1，基板I可以多種材料制成，特別是由玻璃，或者塑料或金屬(例如鋼、鋁或鈦)制成，并且可以是柔性或剛性的。
[0020]通常情況下，此基板是由厚度為幾毫米，通常介于Imm和3mm之間的鈉鈣玻璃制成。
[0021]在此基板I上沉積鑰層11，鑰層11的厚度通常介于10nm和2 μ m之間，優(yōu)選為約I μ m0
[0022]這種鑰層將用于構(gòu)成形成光伏組件的各種電池的背面電極。
[0023]圖1a示出了在沉積Mo層之后進(jìn)行刻蝕步驟。如之前所述，通常以機(jī)械方式或通過激光燒蝕進(jìn)行這種刻蝕。它形成了不含鑰的凹槽110。
[0024]這種凹槽110能夠限定圖1f中所示的相鄰的電池2和3的背面電極Ila和lib。
[0025]這種刻蝕步驟對應(yīng)于如前所述的步驟Pl。
[0026]凹槽110的寬度通常介于10 μ m和100 μ m之間，并且它優(yōu)選約50 μ m。
[0027]圖1b示出了該方法的另一個(gè)步驟，在該步驟中，產(chǎn)生了光伏層，例如結(jié)晶的CIGS層。此層具有光吸收功能。
[0028]此步驟在于:首先，在背面電極11上引入Cu、In、Ga以及Se型和/或S型的元素的金屬前體，用于生長CIGS的層，P型半導(dǎo)體。
[0029]可以使用適用于薄層沉積的眾多方法。
[0030]這些方法可以是:真空方法，諸如陰極蒸鍍或陰極濺射；或者大氣壓力下實(shí)施的方法，諸如電沉積、絲網(wǎng)印刷、刮刀涂布、噴墨涂布或狹縫涂布。
[0031]因此，通過陰極濺鍍可以沉積Cu、In和Ga的前體。隨后，通過真空方法或在大氣壓力下實(shí)施的方法可以在所獲得的層疊體上沉積Se和/或S的層。
[0032]通常情況下，始終需要大量引入S或Se。能夠以單質(zhì)氣體形式、氣體形式(H2S或H2Se)或者S或Se的蒸鍍層形式將硫族元素S或Se引入并沉積在金屬前體層的表面上。
[0033]應(yīng)注意的是,氣體H2S和H2Se有劇毒,從而使在工業(yè)規(guī)模上其使用大大復(fù)雜化。
[0034]這種金屬前體層的厚度通常介于300nm和I μ m之間。
[0035]通過使用升溫梯度介于1°C /s和10°C /s之間的高溫退火(被稱為硒化/硫化退火)使各成分轉(zhuǎn)化為結(jié)晶CIGS的層12。
[0036]具體可以參考文件US-5578503，它描述了一種用于獲得&^￥2型半導(dǎo)體的方法，其中X是In和/或Ga，而Y是Se或S。
[0037]這種方法包括升溫梯度為至少10°C /s的快速加熱步驟以達(dá)到大于或等于350°C溫度的退火，其后保持該溫度達(dá)介于10秒和I小時(shí)之間的持續(xù)時(shí)間。
[0038]在實(shí)踐中，該溫度通常介于400°C和600°C之間，并且優(yōu)選等于約500°C。
[0039]各成分的層可以被優(yōu)選由石墨制成的蓋子覆蓋。這種蓋子能夠確保退火期間Se和/或S的更有效分壓，從而提高Se和/或S在金屬前體中的擴(kuò)散。
[0040]也可以參考文件US-5436204，它描述了一種包括三個(gè)步驟的方法:
[0041]第一步驟，在介于350°C和500°C之間的溫度下沉積銦和/或鎵；第二步驟，在溫度升高至介于500和600°C之間的更高的再結(jié)晶溫度下沉積銅；和第三步驟，在保持此更高溫度下沉積銦和/或鎵。應(yīng)注意的是，整個(gè)該方法是在硒和/或硫的氣氛中進(jìn)行。
[0042]圖1c示出了實(shí)施該方法的另一個(gè)步驟，其中，在CIGS層上沉積η型半導(dǎo)體層13以形成ρη結(jié)。
[0043]通過化學(xué)浴、陰極濺射或其它蒸鍍可以沉積這種層。
[0044]厚度為幾十納米的層13可以例如由CdS組成并且通過化學(xué)浴進(jìn)行沉積。
[0045]可以使用其它材料，諸如厚度例如介于5nm和30nm之間的ZnS或Zn(0，S)。
[0046]圖1c還示出了該方法的另一個(gè)可選步驟。這種步驟在于沉積本征ZnO層14，其功能將被進(jìn)一步解釋。
[0047]這種層14對太陽光譜是高度透過，且具有高電阻。它通常通過陰極濺鍍進(jìn)行沉積并且具有幾十納米的厚度。
[0048]可以注意的是，在層14的沉積期間，層13防止了 ZnO和CIGS之間的反應(yīng)，從而保護(hù)了層12。
[0049]圖1d示出了實(shí)施該方法的一個(gè)步驟，其中，以機(jī)械方式或激光燒蝕進(jìn)行另一種刻蝕。
[0050]這種刻蝕對應(yīng)于上述的步驟P2，在于除去在鑰層11上先前沉積的所有層。因此，這種刻蝕能夠產(chǎn)生圖1d中標(biāo)記為111的開口。這將能夠產(chǎn)生兩個(gè)相鄰的電池之間的電互聯(lián)部分(P2)。
[0051]開口 111的寬度通常介于50μπι和150 μ m之間，并且它優(yōu)選等于約100 μ m。
[0052]而且，開口 110和開口 111之間的距離通常介于50 μ m和150 μ m之間，并且它優(yōu)選等于約100 U m。
[0053]圖1e示出了實(shí)施該方法的另外一個(gè)步驟，在該步驟中，沉積透明導(dǎo)電氧化物15的層。
[0054]這種層可以通過陰極濺射進(jìn)行沉積并且具有幾百納米的厚度。
[0055]它可以具體是厚度為約500nm的Al摻雜的ZnO。
[0056]這種Al摻雜的ZnO的層將用于形成電池2的正面電極的標(biāo)記為15a的導(dǎo)電透明電極和電池3的正面電極的標(biāo)記為15b的導(dǎo)電透明電極(參見圖1f)。
[0057]通常承認(rèn)的是，η型半導(dǎo)體層13可以具有不連續(xù)點(diǎn)。然后，ZnO的層14的功能確保了透明導(dǎo)電層15和CIGS層12之間的電絕緣。
[0058]其它材料，諸如錫摻雜的氧化銦(ITO)、銀納米線、碳納米管也可以被用來制造這種導(dǎo)電透明電極。同樣地，也可以使用其它的沉積技術(shù)。
[0059]應(yīng)理解的是，開口 110和開口 111之間的距離必須足夠有效，以避免電池2的正面電極15a和電池3的背面電極Ilb之間互聯(lián)電阻過大。
[0060]圖1f示出了該方法的最后步驟，在該步驟中，在各層的層疊體中進(jìn)行另一種刻蝕以明確地使電池3與電池2絕緣。
[0061]這種刻蝕步驟對應(yīng)于上述步驟P3。它可以以機(jī)械方式或通過激光燒蝕來進(jìn)行，并且在于除去在背面電極Iib上沉積的所有層。
[0062]所獲得的開口 112能夠使電池2和3在它們的正面電極15a和15b處電絕緣。
[0063]開口 112的寬度更通常介于ΙΟμπι和200μπι之間，并且它優(yōu)選為約ΙΟΟμπι。
[0064]圖1f還示出了兩個(gè)相鄰的電池2和3之間的電荷路徑。
[0065]因此，第一電池2的正面電極部15a能夠在正面處收集該電池2中產(chǎn)生的電荷，并且將電荷傳送到相鄰電池3的背面電極lib。
[0066]考慮到常規(guī)刻蝕技術(shù)具有的缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中已提出了解決方案。
[0067]然而，解決方案基本上涉及步驟P2。
[0068]解決方案的目的是局部提高CIGS材料的導(dǎo)電率，以使電荷從給定電池的正面電極傳導(dǎo)至相鄰電池的背面電極。
[0069]這可能涉及激光處理，使得CIGS能夠局部提供金屬行為。它具體可以參考以下文章:Westin等人，“經(jīng)由薄膜CIGS PV組件對P2互聯(lián)激光圖案化”，《太陽能材料和太陽能電池》92 期(2008年)1230 頁(Westin et al.，"Laser patterning of P2interconnect viathin-film CIGS PV modules", Solar Energy Materials and Solar Cells 92(2008) 1230)。局部沉積的金屬前體還可以通過在CIGS層中擴(kuò)散來起到這種作用。就這一點(diǎn)而言，它具體可以參考文件US-2010/0000589。
[0070]另一方面，迄今為止，除了機(jī)械刻蝕、激光刻蝕或任選的化學(xué)刻蝕，不存在進(jìn)行刻蝕Pl的其它方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0071]因此，本發(fā)明的目的在于，通過提出能夠確保相鄰的兩個(gè)太陽能電池在其背面電極處電絕緣而同時(shí)避免對機(jī)械刻蝕、激光刻蝕或化學(xué)刻蝕的需要的另一種方法，來減輕這種刻蝕的缺點(diǎn)。
[0072]因此，本發(fā)明首先涉及一種制造用于獲得包括多個(gè)太陽能電池的光伏組件的中間產(chǎn)品的方法，這種方法包括以下步驟:
[0073](a)在基板上局部化地沉積Se型或S型材料的層，以覆蓋基板的至少一部分，
[0074](b)在該局部化層上沉積導(dǎo)電材料的層，該層涂覆了局部化層。
[0075]在變型中，在步驟(a)期間，也在所述基板上局部沉積金屬層，以覆蓋基板的與被Se型或S型材料覆蓋的所述至少一部分不同的至少一部分。
[0076]本發(fā)明還涉及一種用于獲得包括多個(gè)薄層結(jié)構(gòu)的太陽能電池的光伏組件的方法，光伏組件依次包括:基板、背面電極、對金屬前體進(jìn)行退火所獲得的光伏層以及半導(dǎo)體層，其中:
[0077]按照本發(fā)明的方法制造中間產(chǎn)品，導(dǎo)電材料的層形成了背面電極；并且
[0078]進(jìn)行退火步驟，退火步驟改變了 Se型或S型材料的所述局部化層，以在所述背面電極中形成相比于背面電極的其余部分電阻率更大的區(qū)域，該區(qū)域確保了光伏組件的兩個(gè)相鄰電池之間的電絕緣。
[0079]因此，這種方法能夠避免Pl型刻蝕步驟的實(shí)施。
[0080]在第一變型中，在獲得光伏層之前，以小于或等于1°C /s的溫度梯度并且在介于225°C和300°C之間的溫度下，進(jìn)行退火步驟達(dá)介于I分鐘和5分鐘之間的持續(xù)時(shí)間，背面電極的所述區(qū)域由導(dǎo)電材料與Se或S反應(yīng)所產(chǎn)生的材料形成。
[0081]在其它變型中，在獲得光伏層期間，在介于400°C和650°C之間的溫度下，以嚴(yán)格大于1°C /s且可能高達(dá)15°C /s的溫度梯度進(jìn)行退火步驟。
[0082]因此，在第二變型中，所述區(qū)域由光伏材料形成。
[0083]在第三變型中，所述區(qū)域是凹槽。
[0084]在實(shí)施的另一個(gè)方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法在于按照本發(fā)明的變型制造中間產(chǎn)品，其中，在步驟(a)期間，還在基板上局部沉積金屬層，以覆蓋基板的與被Se型或S型材料覆蓋的所述至少一部分不同的至少一部分。
[0085]在這種情況下，獲得光伏層還導(dǎo)致了在這種層中形成由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域，這種區(qū)域在光伏組件的一個(gè)電池的正面電極和相鄰電池的背面電極之間產(chǎn)生了電連接。
[0086]在這種變型中，根據(jù)本發(fā)明的方法還能夠避免P2型刻蝕步驟的實(shí)施。
[0087]本發(fā)明還涉及一種包括在共用基板上串聯(lián)連接的多個(gè)太陽能電池的光伏組件，每個(gè)電池包括:正面電極，正面電極是透光的；和背面電極，由光伏層和另一半導(dǎo)體層使背面電極與正面電極隔開，使得背面電極與光伏層能夠形成ρη結(jié)，其中，通過背面電極的位于兩個(gè)電池之間并且相比于背面電極的其余部分電阻率更大的區(qū)域使兩個(gè)相鄰的電池電絕緣。
[0088]在第一變型中，所述區(qū)域由背面電極的導(dǎo)電材料與選自Se和S的元素反應(yīng)所產(chǎn)生的材料形成。
[0089]在第二變型中，這種區(qū)域由與光伏層相同的材料形成。
[0090]在第三變型中，這種區(qū)域是凹槽。
[0091]在另一個(gè)實(shí)施方式中，在所述光伏層中并且在兩個(gè)相鄰的電池之間，根據(jù)本發(fā)明的光伏組件還包括由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域，該區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)電池的正面電極和相鄰電池的背面電極之間的電連接。
[0092]本發(fā)明還涉及一種用于獲得根據(jù)本發(fā)明的光伏組件的中間產(chǎn)品，在基板上依次包括:Se或S的局部化層和涂覆該局部化層的導(dǎo)電材料層。
[0093]能夠獲得根據(jù)本發(fā)明的光伏組件的另一個(gè)實(shí)施方式的中間產(chǎn)品，在基板上還包括:與Se或S的局部化層不同的局部化金屬層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0094]經(jīng)閱讀下面的關(guān)于附圖所給出的描述，本發(fā)明將被更好地理解，并且本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將更加顯而易見，其中:
[0095]圖2a至圖2h表示了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明方法的各個(gè)步驟，
[0096]圖3和圖4示出了對應(yīng)于圖2d的根據(jù)本發(fā)明方法的步驟變型，
[0097]圖5a至圖5f示出了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一種方法的各個(gè)步驟，以及
[0098]圖6示出了圖5a至圖5f中所示的方法的變型。
[0099]這些附圖都是剖視圖，并且各個(gè)附圖通用的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。

【具體實(shí)施方式】
[0100]圖2a表示了可以由不同材料，常規(guī)的玻璃、塑料或金屬制成的基板4。在通常情況下，這種基板由鈉1丐玻璃制成，其厚度為幾毫米，例如3mm。
[0101]以局部化的方式，在這種基板4上沉積硒或硫的層7。
[0102]因此，基板的至少一部分400被Se型或S型材料覆蓋。
[0103]圖2a僅示出了基板4的被Se型或S型材料覆蓋的單個(gè)部分401。當(dāng)然，只要打算在基板4上制造多個(gè)光伏電池，則能夠用Se型或S型材料覆蓋基板的多個(gè)部分。
[0104]可以實(shí)施各種沉積方法來制造局部化層7。
[0105]因此，通過真空蒸鍍利用機(jī)械掩模沉積這種層。在這種情況下，這可能涉及根據(jù)待制造的光伏組件的電池的數(shù)目而包括多個(gè)槽的電沉積的鎳掩模。每個(gè)槽的寬度介于50 μ m和150 μ m之間，并且優(yōu)選地等于100 μ m。
[0106]例如使用在有機(jī)溶劑中分散的基于Se或S的納米顆粒的油墨，通過狹縫涂布、絲網(wǎng)印刷或噴墨類型的印刷工藝，也可以獲得層7。
[0107]優(yōu)選使用這種印刷工藝，因?yàn)槠鋵?shí)施產(chǎn)生了比真空實(shí)施工藝更低的成本。
[0108]圖2b示出了該方法的另一個(gè)步驟，其中，在基板4上沉積金屬層41，形成通過根據(jù)本發(fā)明的方法所獲得的光伏組件的各種電池的背面電極。
[0109]這種層41是連續(xù)的；因此它以均勻的方式覆蓋了基板4。
[0110]這種層例如由鑰制成,并且它的厚度介于10nm和2 μ m之間且特別是等于500nm。
[0111]特別地通過陰極濺射可以進(jìn)行鑰層的沉積。
[0112]如由圖2b所示，金屬層41涂覆了 Se或S的局部化層7。
[0113]圖2b中所示的層疊體構(gòu)成了隨后實(shí)施的方法步驟可以獨(dú)立制造的中間產(chǎn)品。
[0114]在實(shí)踐中，將能夠通過制造基板4的工業(yè)來制造中間廣品。
[0115]圖2c示出了該方法的一個(gè)步驟，在該步驟中，以層42的形式引入將形成光伏層的前體。
[0116]這些是Cu、In、Ga的金屬前體或Cu、Zn、Sn的金屬前體，和可選地選自Se和S的至少一種元素。
[0117]以示例的方式，元素Cu、In和Ga的比值通常以以下方式選擇:
[0118]0.75 ( Cu/(In+Ga) ( 0.95 ；0.55 ( In/(In+Ga) ^ 0.85 ；以及 0.15 彡 Ga/(In+Ga)彡 0.45。
[0119]元素Cu、Zn和Sn的比值自身通常以以下方式選擇:
[0120]0.75 ( Cu/ (Zn+Sn) ( 0.95 ;以及 1.05 ( Zn/Sn 彡 1.35。
[0121]這種層42可以基本上包括金屬前體。在這種情況下，則以氣態(tài)形式引入硫或硒。也可以以在金屬前體層上沉積的層的形式引入它們。
[0122]而且，該層42可以同時(shí)包括金屬前體以及硒或硫。
[0123]圖2d示出了該方法的另一個(gè)步驟，在該步驟中，同時(shí)轉(zhuǎn)換局部化層7和層42。
[0124]首先，進(jìn)行在中等溫度下退火的步驟。這種退火步驟包括:梯度小于或等于1°C /s且優(yōu)選為約0.10C /s的升溫，以達(dá)到介于225°C和300°C之間且優(yōu)選約250°C的溫度。使層疊體經(jīng)歷這種溫度達(dá)介于I分鐘和5分鐘之間的持續(xù)時(shí)間。
[0125]可以在真空中或在中性氣氛中進(jìn)行這種退火步驟。
[0126]因此，硒將與鑰層41反應(yīng)以在基板的部分400處在層41中形成MoSe2。MoSe2以其c軸與層41的表面平行的六方緊密堆積結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長。
[0127]在另Iv實(shí)施方式中，硫存在于層7中，硫與鑰層41反應(yīng)以形成MoSe2。
[0128]將調(diào)整鑰層的厚度和層7引入的硒或硫的量，以使得在層41的整個(gè)厚度中將鑰轉(zhuǎn)化成 MoSe2 或 MoS2。
[0129]因此，憑借這種退火步驟，在鑰層41中形成由MoSe2或此&形成的區(qū)域71。
[0130]以示例的方式，對于約500nm的鑰層厚度，根據(jù)鑰層的孔隙率，硒層7的厚度將介于I μ m和2 μ m之間而寬度介于50 μ m和150 μ m之間且優(yōu)選等于100 μ m,以便對應(yīng)于MoSe2的理論化學(xué)計(jì)量。在優(yōu)選的方式中，當(dāng)鑰層具有零孔隙率時(shí)，硒層7的厚度將為約1.8μπι。當(dāng)層7由硫制成時(shí)，其厚度將為約I μ m。
[0131]在與c軸平行的方向上的MoSe2的電阻率或MoS2的電阻率比鑰的電阻率更大。事實(shí)上，電阻率比值大于10。因此，層41的區(qū)域71相比于層41的其余部分具有更大的電阻率，層41的其余部分將構(gòu)成光伏電池的背面電極。
[0132]因此，這種區(qū)域71將能夠限定圖2f中標(biāo)記為5和6的兩個(gè)相鄰電池的背面電極41a和41b，并且使它們電絕緣。
[0133]形成電阻率更大的這種區(qū)域71能夠避免刻蝕步驟P1，并且因此能夠消除有關(guān)這種刻蝕步驟的缺點(diǎn)。
[0134]圖2d示出了該方法的實(shí)施方式，在該方法中，將形成電阻率更大的區(qū)域的退火步驟集成到退火方法中，通過該方法，將層42中存在的金屬前體轉(zhuǎn)化成光伏材料的層46，例如通過引入硒或硫而轉(zhuǎn)化成CIGS或CZTS。因此，根據(jù)是否引入硒、硫或兩種成分的混合物，CZTS型的材料可以特別地由Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnS4或Cu2ZnSn(S，Se)4組成。
[0135]在實(shí)踐中，在中等溫度下的退火步驟期間開始金屬前體的轉(zhuǎn)化。因此，基于Cu、Ga和Se形成各種化合物。然而，沒有實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化成CIGS或CZTS。
[0136]在這種實(shí)施方式中，在已經(jīng)進(jìn)行形成MoSe2或MoS2的退火步驟后，將基板4的溫度進(jìn)一步升高來進(jìn)行更高溫度的退火，以使得金屬前體結(jié)晶(轉(zhuǎn)化)成CIGS或CZTS。這種溫度典型地在介于400°C和650°C之間且優(yōu)選等于550°C。升溫梯度的值的范圍介于1°C /s和15°C /s之間。
[0137]在常規(guī)方式中，在退火期間；或者，在退火前，在金屬前體的層上沉積硒層或硫?qū)悠陂g或者在沉積金屬前體期間，可以以氣態(tài)形式引入硒或硫。在沉積金屬前體期間的情況下，在中性氣氛中進(jìn)行退火。
[0138]而且，也通常遵從約40%的Se的過化學(xué)計(jì)量，因?yàn)橐阎氖?Cu(In，Ga)Se2的理論化學(xué)計(jì)量為Se/Cu = 2。這在所選擇的金屬前體導(dǎo)致形成CZTS時(shí)同樣成立。
[0139]在常規(guī)方式中，退火的持續(xù)時(shí)間介于30秒和30分鐘之間，并且它優(yōu)選為約I分鐘的持續(xù)時(shí)間。
[0140]就這一點(diǎn)而言，可以參考前面提及的文件US-5578503和US-5436204的教導(dǎo)。
[0141]在文件US-5578503中描述的形成CIGS的方法的情況中，事實(shí)上在層41中形成區(qū)域71的在中等溫度下退火的步驟是在沉積包括金屬前體的層42之后進(jìn)行。
[0142]然后，在圖2c所示的方法步驟之后，進(jìn)行這種退火步驟。
[0143]然而，在文件US-5436204中描述的形成CIGS的方法的情況中，在層42的沉積之前進(jìn)行在層41中形成區(qū)域71的退火步驟。
[0144]換句話說，則在圖2b中所示的方法步驟和圖2c中所示的方法步驟之間進(jìn)行退火步驟。
[0145]圖2e至圖2h描述了根據(jù)本發(fā)明方法的其它步驟，其它步驟與關(guān)于圖1c至圖1f所描述的步驟相似。
[0146]因此，圖2e示出了在層46上沉積η型半導(dǎo)體層43以形成ρη結(jié)的實(shí)施步驟。如圖1c所示，所使用的材料可以是CdS、ZnS或Zn (O, S)。
[0147]圖2e示出了另一可選的步驟，它在于在層43上沉積透明材料的層44。如之前關(guān)于圖1c所示的，所使用的材料可以是ZnO。
[0148]圖2f示出了與前面提及的P2(圖1d)對應(yīng)的刻蝕步驟。
[0149]它在于除去在層41上先前沉積的所有層，但除了電阻率更高的區(qū)域71。
[0150]這種刻蝕能夠制造圖2f中標(biāo)記為411的開口，以及圖2h中標(biāo)記為5和6的兩個(gè)相鄰電池之間的電互聯(lián)的一部分。
[0151]這種刻蝕步驟對應(yīng)于步驟P2 (圖1d)。
[0152]優(yōu)選地，以介于50μηι和150 μ m之間且特別是約100 μ m的最小距離來放置區(qū)域71 與開口 411。
[0153]圖2g示出了另一種實(shí)施步驟，在該實(shí)施步驟中，在層44上沉積或者當(dāng)省略了層44時(shí)在層43上直接沉積透明導(dǎo)電氧化物層45。
[0154]這具體可以是Al摻雜的ZnO。
[0155]層45的厚度介于10nm和800nm之間，且優(yōu)選等于約500nm。
[0156]最后，圖2h示出了該方法的最后步驟，在該步驟中，在層疊體中進(jìn)行另一刻蝕。
[0157]這種刻蝕步驟對應(yīng)于步驟P3 (圖1f)。
[0158]所獲得的開口 412相比于開口 411進(jìn)一步遠(yuǎn)離區(qū)域71。它能夠使兩個(gè)電池5和6在它們的正面電極45a和45b處電絕緣。
[0159]應(yīng)注意的是，兩個(gè)電池5和6通過區(qū)域71與開口 411和412而被隔開。這種間隔是互聯(lián)區(qū)域。
[0160]通常，實(shí)施圖1c至圖1f中示出的步驟所給出的附圖標(biāo)記也對圖2e至圖2h中示出的步驟有效。
[0161]圖2h還示出了兩個(gè)相鄰的電池5和6之間的電荷路徑。
[0162]因此，第一電池5的正面電極45a能夠在正面處收集這種電池5中產(chǎn)生的電荷，并且能夠?qū)㈦姾蓚魉偷较噜忞姵?的背面電極41b。
[0163]剛剛已經(jīng)描述的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):消除整體式互聯(lián)的方法中常規(guī)考慮的刻蝕步驟之一(在這種情況下為步驟PD，并且因此克服有關(guān)這種刻蝕步驟的缺點(diǎn)。
[0164]參考圖3和圖4，現(xiàn)將進(jìn)行描述根據(jù)本發(fā)明的方法的兩種變型。
[0165]這些變型對應(yīng)于圖2d中示出的方法步驟。
[0166]在這些變型中，沒有在使層41的構(gòu)成材料與層7的硒或硫反應(yīng)以形成由層41的材料與Se或S反應(yīng)所得的導(dǎo)電材料制成的區(qū)域71的中等溫度(225°C -300°C )下退火。
[0167]這就是為什么在層41的構(gòu)成材料不必須是鑰。
[0168]反之，憑借引入Se或S，以這種方式進(jìn)行退火，以將層42中存在的金屬成分直接轉(zhuǎn)化成光伏材料。
[0169]典型地，在介于400°C和650°C之間的溫度下進(jìn)行退火，以嚴(yán)格大于1°C /s且可能高達(dá)15°C /s的溫度梯度來實(shí)現(xiàn)這種溫度。在優(yōu)選的方式中，升溫梯度為約10°C /s，并且溫度為約550°C。
[0170]在文件US-5436204中描述的形成CIGS的方法的情況中，在沉積包括金屬前體的層42期間進(jìn)行高溫退火步驟。
[0171]對于陡峭的升溫梯度，在基板的部分400處，層41的材料經(jīng)歷了因由硒或硫制成的局部化層7的膨脹造成的大的應(yīng)力。
[0172]這些應(yīng)力導(dǎo)致層41的局部破損，并且因此在該層中形成凹槽。
[0173]所執(zhí)行的退火也使層42轉(zhuǎn)換成光伏層46，這種破損導(dǎo)致在層41中形成區(qū)域410，區(qū)域410充滿有與層46的構(gòu)成材料性質(zhì)相同的光伏材料。這種變型示于圖3。
[0174]因此，實(shí)施該方法的這種變型也在層41中形成相比于層41的其余部分電阻率更大的區(qū)域410。這種區(qū)域410也將能夠產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的方法所獲得的光伏組件的兩個(gè)相鄰電池之間的電絕緣。
[0175]在文件US-5578503中描述的形成CIGS的方法的情況中，在沉積包括金屬前體的層42后進(jìn)行高溫退火步驟。
[0176]對于陡峭的升溫梯度，在基板的部分400處，層41和42的材料經(jīng)歷了因由硒或硫制成的局部化層7的膨脹造成的大的應(yīng)力。
[0177]這些應(yīng)力導(dǎo)致層41和42的局部破損，并且因此在該層中形成不含所有材料的凹槽。這種變型示于圖4。
[0178]這些變型區(qū)別于參照圖2d所描述的方法步驟。事實(shí)上，在這種情況中，相反地選擇了升溫梯度的值，以避免在鑰內(nèi)出現(xiàn)大的應(yīng)力。這允許硫或硒與鑰反應(yīng)，以獲得由MoS2*MoSe2制成的區(qū)域71。
[0179]在這些變型中，除鑰之外的材料可以被用于制造金屬層41。這種材料可以特別是Ni 或 Pt。
[0180]應(yīng)注意的是，對于這兩種變型，未改變該方法的其它步驟。
[0181]現(xiàn)在參考圖5a至圖5f，圖5a至圖5f示出了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的另一種方法的各個(gè)步驟。
[0182]如圖5a所示，在這種實(shí)施方式中，以局部化的方式在基板4上沉積金屬層8。該金屬具體是銅，或基于Cu和Se或基于Cu和S的合金。
[0183]因此，基板的至少一部分401被金屬覆蓋。
[0184]當(dāng)然，打算在基板4上制造多個(gè)光伏電池，則能夠用金屬覆蓋基板的多個(gè)部分。
[0185]在所有情況中，基板的被金屬覆蓋的部分400與被硒或硫覆蓋的部分401不同。
[0186]通過各種沉積方法并且特別是關(guān)于圖2a的層7中所提及的那些沉積方法，可以沉積層8。
[0187]圖5b示出了與關(guān)于圖2b示出相似的并且在基板上沉積特別是由鑰制成的金屬層41的方法步驟。
[0188]這種金屬層以均勻的方式覆蓋了基板，并且同時(shí)涂覆了 Se或S的局部化層和局部化金屬層。
[0189]圖5b中所示的層疊體構(gòu)成了隨后實(shí)施的方法步驟可以獨(dú)立制造的中間產(chǎn)品。
[0190]圖5c示出了與圖2c中示出相似的并且以層42的形式引入將形成光伏層的前體的方法步驟。
[0191]圖5d示出了該方法的另一個(gè)步驟，在該步驟中，同時(shí)轉(zhuǎn)換局部化層7和局部化層8與層42。
[0192]首先，進(jìn)行在中等溫度下退火的步驟。參照圖2d已描述了這種退火步驟，因此將不會(huì)再次詳細(xì)描述這種退火。
[0193]在這種退火步驟完成后，在鑰層41中形成由MoSe2或MoS2形成的區(qū)域71。該區(qū)域71具有相比于層41的其余部分更大的電阻率，因而能夠限定兩個(gè)相鄰電池的背面電極41a和41b并使它們電絕緣。
[0194]在形成區(qū)域71的這種退火步驟之后，進(jìn)一步升高基板的溫度來進(jìn)行高溫退火，正如參照圖2d所描述的，以將層42轉(zhuǎn)換成光伏材料層46。
[0195]因此，將不再詳細(xì)描述這種退火。
[0196]該退火還使局部化層8中存在的銅經(jīng)過層41擴(kuò)散，并且形成由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域 460。
[0197]實(shí)際上，由于銅在層46中擴(kuò)散的緣故，相比于光伏層的其余部分中存在的銅，層46局部地包含更大的銅的百分比。當(dāng)比值Cu/(In+Ga)大于I時(shí)，這會(huì)形成已知導(dǎo)電的基于Cu以及Se或S的化合物。這可以具體涉及Cu2Se型或Cu1^Se型,或者Cu2S型或Ci^8S型的化合物。
[0198]將調(diào)整層42的厚度和層8所引入的銅量，以使得在光伏層46內(nèi)的比值Cu/(In+Ga)大于 I。
[0199]以示例的方式，當(dāng)CIGS層46的厚度為約1.4μπι并且具有比值Cu/(In+Ga)為約0.8的化學(xué)計(jì)量時(shí)，厚度為約50nm并且寬度介于50 μ m和150 μ m之間且優(yōu)選等于100 μ m的層8足以使區(qū)域460中的比值Cu/(In+Ga)大于I。
[0200]因此，將根據(jù)層46的厚度和層46中的比值Cu/ (In+Ga)的值來選擇層8的厚度和覽度。
[0201]就這一點(diǎn)而言，在實(shí)踐中，銅經(jīng)過層41擴(kuò)散是在形成區(qū)域71的退火步驟期間開始。
[0202]然而，這種擴(kuò)散對于小于400 V的溫度相對較弱，并且當(dāng)退火溫度介于400 V和650°C之間時(shí)它變得更大。
[0203]也可以注意的是，如前所述，在圖4b所示的方法步驟和圖4c所示的方法步驟之間，即在層42的沉積之前，可以進(jìn)行在層41中形成區(qū)域71的退火步驟。
[0204]而且，如參照圖3和圖4所述的，該方法可以在沒有進(jìn)行使層41的鑰與層7的硒或硫反應(yīng)以獲得由MoSe2或MoS2制成的區(qū)域71的退火的情況下實(shí)施。
[0205]在這種情況下，以憑借引入Se或S將層42中存在的金屬成分來直接轉(zhuǎn)換成光伏材料的方式進(jìn)行退火。
[0206]根據(jù)所采用的方法，這種退火將形成光伏材料區(qū)域410 (圖3)或者形成不含導(dǎo)電材料和光伏材料的凹槽461 (圖4)。
[0207]將不再詳細(xì)描述這兩種變型。
[0208]這種高溫退火在這里再次使局部化層8中存在的銅經(jīng)過該層41擴(kuò)散，以在光伏層內(nèi)部形成由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域460。
[0209]還應(yīng)注意的是，當(dāng)層41的孔隙率大時(shí)促進(jìn)了銅經(jīng)過層41的擴(kuò)散。通過調(diào)節(jié)濺射的條件可以調(diào)整層41的孔隙率。
[0210]因此，當(dāng)在鑰的沉積過程濺射氬時(shí)，濺射壓力是所獲得的孔隙率的參數(shù)。
[0211]這就是為什么介于2mTorr和15mTorr之間的壓力范圍將能夠有利地通過陰極濺射形成層41。壓力優(yōu)選為約lOmTorr。
[0212]應(yīng)進(jìn)一步注意的是，在形成光伏層46和區(qū)域460的退火完成后，局部化層8的銅的一部分可以仍然存在于層41中。
[0213]如將在圖4f中所示的，這種導(dǎo)電區(qū)域460的形成能夠?qū)⒔o定電池的正面電極連接到相鄰電池的背面電極，并且因此能夠消除整體式互聯(lián)的方法中常規(guī)考慮的刻蝕步驟P2。
[0214]圖5e和圖5f描述了該方法的步驟，這些步驟與關(guān)于圖2e、圖2f和圖2g中描述的步驟相似。
[0215]因此，圖5e示出了在層46上沉積三個(gè)層:n型半導(dǎo)體層43 ;可選的透明材料層44 ；以及最后的透明導(dǎo)電氧化物層45。
[0216]圖5f示出了該方法的最后步驟，在該步驟中，進(jìn)行對應(yīng)于步驟P3的刻蝕步驟，獲得開口 412。
[0217]圖5f示出了兩個(gè)相鄰的電池5和6之間的電荷路徑。
[0218]第一電池5的正面電極45a能夠在正面處收集該電池5中產(chǎn)生的電荷并且能夠通過層46的導(dǎo)電區(qū)域460將電荷傳送到相鄰電池6的背面電極41b。
[0219]因此，根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施的這種方式能夠同時(shí)避免進(jìn)行Pl型刻蝕和P2型刻蝕的需要。
[0220]現(xiàn)在參照圖6，圖6對應(yīng)于圖5e示出了根據(jù)本發(fā)明方法的另一個(gè)步驟的變型。
[0221]圖6示出了在光伏層46上沒有以連續(xù)方式沉積半導(dǎo)體層43。相反，在光伏層46的區(qū)域460處，層43包括不連續(xù)點(diǎn)。
[0222]例如通過噴墨可以進(jìn)行層43的局部化沉積。它相對于圖5e中示出的實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn):避免電極45a和區(qū)域460之間的電阻因?qū)?3的存在而增加。
[0223]互補(bǔ)地，應(yīng)注意的是，當(dāng)引入硒和硫的混合物時(shí)，也可以將鍺集成到CZTS的晶格中以形成Cu2Zn (Sn, Ge) (S，Se) 4型的材料。
[0224]形成層42的金屬成分也可以是Cu型、Al型和In型的。
[0225]然后，根據(jù)本發(fā)明的方法獲得了其光伏層由Cu (In，Al) (S，Se) 2型的材料制成的太陽能電池。
[0226]權(quán)利要求書中的技術(shù)特征后所插入的附圖標(biāo)記僅旨在于促進(jìn)對權(quán)利要求書的理解而不應(yīng)限制權(quán)利要求書的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種制造用于獲得包括多個(gè)太陽能電池的光伏組件的中間產(chǎn)品的方法，所述方法包括以下步驟: (a)在基板(4)上局部化地沉積Se型或S型材料的層(7)，以覆蓋所述基板的至少一部分(400)， (b)在該局部化層(7)上沉積導(dǎo)電材料的層(41)，該層涂覆了所述局部化層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在步驟(a)期間，在所述基板(4)上還局部沉積金屬層(8)，以覆蓋所述基板的與被Se型或S型材料覆蓋的所述至少一部分(400)不同的至少一部分(410)。
3.一種獲得包括薄層結(jié)構(gòu)的多個(gè)太陽能電池的光伏組件的方法，所述光伏組件依次包括:基板(4)、背面電極(41)、對金屬前體進(jìn)行退火所獲得的光伏層(46)以及半導(dǎo)體層(43)，其中: 按照權(quán)利要求1所述的方法制造中間產(chǎn)品，導(dǎo)電材料的層(41)形成了所述背面電極；并且 進(jìn)行退火步驟，所述退火步驟改變了 Se型或S型材料的所述局部化層(7)，以在所述背面電極(41)中形成相比于所述背面電極的其余部分電阻率更大的區(qū)域(71、410、461)，該區(qū)域確保了所述光伏組件的兩個(gè)相鄰電池之間的電絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在獲得所述光伏層之前，以小于或等于1°C/s的溫度梯度并且在225°C至300°C的溫度下，進(jìn)行所述退火步驟達(dá)1分鐘至5分鐘的持續(xù)時(shí)間，所述背面電極的所述區(qū)域(71)由所述導(dǎo)電材料與Se或S反應(yīng)所產(chǎn)生的材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在獲得所述光伏層之前，在400°C至650°C的溫度下，以嚴(yán)格大于1°C /s并可能高達(dá)15°C /s的溫度梯度進(jìn)行所述退火步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述區(qū)域(410)由光伏材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述區(qū)域(461)是凹槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至7中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，按照權(quán)利要求2所述的方法制造所述中間產(chǎn)品，獲得所述光伏層使得在該層中形成由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域(460)，該區(qū)域在光伏組件的一個(gè)電池的正面電極和相鄰電池的背面電極之間產(chǎn)生了電連接。
9.一種包括在共用基板(4)上串聯(lián)連接的多個(gè)太陽能電池的光伏組件，每個(gè)電池包括:正面電極(45)，所述正面電極是透光的；和背面電極(41)，由光伏層(46)和另一半導(dǎo)體層(43)使所述背面電極與所述正面電極隔開，使得所述背面電極與所述光伏層能夠形成pn結(jié)，其中，通過所述背面電極(41)的位于兩個(gè)電池之間且相比于所述背面電極的其余部分電阻率更大的區(qū)域(71、410、461)來使兩個(gè)相鄰的電池(5、6)電絕緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組件，其中，所述區(qū)域(71)由所述背面電極(41)的導(dǎo)電材料與選自Se和S的元素反應(yīng)所產(chǎn)生的材料形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組件，其中，所述區(qū)域(410)由與所述光伏層相同的材料形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組件，其中，所述區(qū)域(461)是凹槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項(xiàng)所述的光伏組件，在所述光伏層(46)中并且在兩個(gè)相鄰的電池(5、6)之間，所述光伏組件還包括由導(dǎo)電材料制成的區(qū)域(460)，該區(qū)域在一個(gè)電池(5)的正面電極(45a)和相鄰電池(6)的背面電極(41b)之間產(chǎn)生了電連接。
14.一種用于獲得根據(jù)權(quán)利要求9至12中任意一項(xiàng)所述的光伏組件的中間產(chǎn)品，所述中間產(chǎn)品在基板(4)上依次包括:Se或S的局部化層(7)和覆蓋該局部化層的導(dǎo)電材料的層(41)。
15.一種用于獲得根據(jù)權(quán)利要求13所述的光伏組件的中間產(chǎn)品，所述中間產(chǎn)品在所述基板(4)上還包括:與Se或S的所述局部化層不同的局部化金屬層(8)。
【文檔編號】H01L31/0392GK104272459SQ201380022920
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月6日
【發(fā)明者】尼古拉斯·卡斯特, 查爾斯·羅杰 申請人:原子能和替代能源委員會(huì)