混合CZTSSe 光伏器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及混合CZTSSe光伏器件。一種包括第一接觸和混合吸收體層的光伏器件。所述混合吸收體層包括硫?qū)倩飳雍团c所述硫?qū)倩飳咏佑|的半導(dǎo)體層。在所述吸收體層上形成緩沖層，以及在所述緩沖層上形成透明導(dǎo)電接觸層。
【專利說(shuō)明】混合CZTSSe光伏器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光伏器件，具體來(lái)說(shuō)，涉及使用了由諸如Cu-Zn-Sn-S/Se(CZTSSe)的 硫?qū)倩镆约捌渌咂焚|(zhì)的太陽(yáng)能半導(dǎo)體材料組成的混合吸收體層形成的方法和器件。

【背景技術(shù)】
[0002] &1-111-6&-5/56((：1655 6)技術(shù)提供了高性能太陽(yáng)能電池，其具有20.3%極高功率 轉(zhuǎn)換效率（PCE)。未存在已知的界面復(fù)合的問(wèn)題，CIGSSe太陽(yáng)能電池具有和帶隙相關(guān)的非 常大的開路電壓（Voc)。遺憾地是，對(duì)于諸如銦的稀有元素的依賴，限制了此技術(shù)的特大規(guī) 模使用。
[0003] Cu-Zn-Sn-S/Se (CZTSSe)是全包括了地球的豐富元素的新興的薄膜太陽(yáng)能電池技 術(shù)。盡管特別是使用基于肼的溶液處理的CZTSSe太陽(yáng)能電池的發(fā)展已經(jīng)取得進(jìn)展，其PCE 僅能達(dá)到11. 1%。
[0004] 在CZTSSe太陽(yáng)能電池中也存在若干主要限制。例如，可能會(huì)經(jīng)歷低Voc，這被猜 測(cè)為是源于高緩沖一吸收體界面復(fù)合、高體缺陷態(tài)、體中存在的帶尾態(tài)和可能的在體中或 界面釘扎的費(fèi)米能級(jí)。此外，CZTSSe還遭受低填充因子（FF)，該填充因子最可能是源于低 Voc和來(lái)自各種層或器件內(nèi)勢(shì)壘形成的更高的串聯(lián)電阻。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種包括第一接觸和混合吸收體層的光伏器件。所述混合吸收體層包括硫?qū)倩?(chalcogenide)層和與所述硫?qū)倩飳咏佑|的半導(dǎo)體層。在所述吸收體層上形成緩沖層， 在所述緩沖層上形成透明導(dǎo)電接觸層。
[0006] 另一種光伏器件，所述器件包括襯底、在所述襯底上形成的第一接觸和混合吸收 體層。所述混合吸收體層包括Cu-Zn-Sn-S/Se (CZTSSe)層和與所述CZTSSe層接觸的至少 一個(gè)半導(dǎo)體層。在所述吸收體層上形成緩沖層，以及在所述緩沖層上形成透明導(dǎo)電接觸層。 在所述透明導(dǎo)電接觸層上形成金屬接觸；所述金屬接觸和所述透明導(dǎo)電接觸層形成前光接 收表面。
[0007] -種用于制造光伏器件的方法，所述方法包括在襯底上沉積第一接觸；在所述第 一接觸上形成混合吸收體層，所述混合吸收體層包括Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)層和與所 述CZTSSe接觸的另一半導(dǎo)體層；在所述吸收體層上形成緩沖層；在所述緩沖層上沉積透明 導(dǎo)電接觸層；在所述透明導(dǎo)電接觸上構(gòu)圖金屬接觸，所述金屬接觸和所述透明導(dǎo)電接觸層 形成前光接收表面。
[0008] 從下文中對(duì)其說(shuō)明性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，這些及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易 見(jiàn)，所述詳細(xì)描述要結(jié)合附圖閱讀。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 本公開將參考以下附圖在優(yōu)選實(shí)施例的以下描述中提供細(xì)節(jié)，在附圖中：
[0010] 圖1為根據(jù)本發(fā)明原理的定為I型的光伏器件的橫截面圖；
[0011] 圖2為根據(jù)本發(fā)明原理的定為II型的光伏器件的橫截面圖；
[0012] 圖3為根據(jù)本發(fā)明原理的定為III型的光伏器件的橫截面圖；
[0013] 圖4A為用于基線CZTSSe器件的能帶圖和結(jié)構(gòu)，該器件包括透明導(dǎo)電氧化物 (TC0)、CdS緩沖層和CZTSSe吸收體層（光來(lái)自TC0側(cè)）
[0014] 圖4B為基線材料器件的能帶圖和結(jié)構(gòu)，該器件包括透明導(dǎo)電氧化物（TCO)、CdS緩 沖層和半導(dǎo)體吸收體層（X)(例如，CIGSSe);
[0015] 圖4C為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于I型器件的能帶圖和結(jié)構(gòu)，該器件包括混合 CZTSSe/半導(dǎo)體（X)吸收體層；
[0016] 圖4D為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于II型器件的能帶圖和結(jié)構(gòu)，該器件包括混合X/ CZTSSe吸收體層；
[0017] 圖4E為根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的用于III型器件的能帶圖和結(jié)構(gòu)，該器件包括混合X/ CZTSSe/X吸收體層；以及
[0018] 圖5為根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施例的用于形成帶有混合吸收體層的光伏器件的方法的框 圖/流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 根據(jù)本發(fā)明原理，提供了混合Cu2(Zn，Sn) (S，Se)4(CZTSSe)光伏器件，其結(jié)合了 CZTSSe的構(gòu)成元素在地球中含量豐富以及另一高性能太陽(yáng)能材料（為便于參考，始終標(biāo)為 X)的商性能和商開路電壓的優(yōu)點(diǎn)。
[0020] 半導(dǎo)體X可包括，例如，CIGSSe或CdTe，然而也可以采用其它半導(dǎo)體材料。 Cu-In-Ga-S，Se (以下CIGSSe)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生很高的性能，其效率的世界紀(jì)錄為20. 3%， 然而這些材料難以獲得并且包括諸如銦的昂貴的稀有元素。
[0021] 混合CZTSSe器件可包括帶有緩沖體（buffer) /CZTSSe/X配置的I型器件、帶有緩 沖體/X/CZTSSe配置的II型器件以及帶有緩沖體/X/CZTSSe/X配置的III型器件。與具有相 同總吸收體厚度的基線CZTSSe器件相比，所有類型的混合器件均提供更高的能量轉(zhuǎn)換效 率?；旌螩ZTSSe器件提供一種用于性能材料成本優(yōu)化的新途徑，該成本優(yōu)化是用于薄膜硫 屬化物太陽(yáng)能電池的大規(guī)模部署。
[0022] 要明白，將關(guān)于具有襯底和光伏疊層的給定說(shuō)明性構(gòu)造來(lái)描述本發(fā)明；然而，其它 構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、襯底、材料和工藝特征和步驟可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)變化。
[0023] 還要明白，當(dāng)諸如層、區(qū)域或襯底的元件稱為在另一元件"上"或者"之上"時(shí)，它 可以是直接在該另一元件上，或者可以存在中間元件。相反，當(dāng)一個(gè)元件被稱為"直接"在 另一元件"上"或者"之上"時(shí)，不存在中間元件。還要明白，當(dāng)元件被稱為"連接"或者"耦 合"到另一元件時(shí)，它可以是直接連接或耦合到該另一元件，或者也可以存在中間元件。相 反，當(dāng)元件被稱為"直接連接"或者"直接耦合"到另一元件時(shí)，不存在中間元件。
[0024] 可為集成電路集成產(chǎn)生光伏器件的設(shè)計(jì)，或者光伏器件的設(shè)計(jì)可以與印刷電路板 上的部件相結(jié)合。電路/板可以在圖形計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言中體現(xiàn)，并且被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ) 介質(zhì)（例如，盤、帶、物理硬盤驅(qū)動(dòng)器或諸如存儲(chǔ)存取網(wǎng)絡(luò)的虛擬硬盤驅(qū)動(dòng)器）中。若設(shè)計(jì) 者未制造芯片或者用于制造芯片或光伏器件的光刻掩模，設(shè)計(jì)者可通過(guò)物理手段（例如， 通過(guò)提供存儲(chǔ)有該設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)介質(zhì)的副本）或電子地（例如，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)）直接地或間 接地將所得到的設(shè)計(jì)傳送到這類實(shí)體。然后，把所存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男纬桑ɡ纾?⑶SII)，用于制造光刻掩模，光刻掩模通常包括要形成在晶片上的所討論的芯片設(shè)計(jì)的多 個(gè)副本。利用光刻掩模限定晶片（和/或其上的層）的要刻蝕的或者以其它方式處理的區(qū) 域。
[0025] 本申請(qǐng)中所描述的方法可用于制造光伏器件和/或具有光伏器件的集成電路芯 片。所得到的器件/芯片可以以原始芯片的形式（即，作為具有多個(gè)未封裝的器件/芯片 的單個(gè)晶片）、作為裸管芯或者以封裝的形式由制造者分配。在后者的情況下，器件/芯片 安裝在單個(gè)芯片封裝體（例如，具有固定到母板或其它更高級(jí)載體的引線的塑料載體）中 或者安裝在多芯片封裝體（例如，具有表面互連或掩埋互連、或者具有表面互連和掩埋互 連的陶瓷載體）中。在任何一種情況下，器件/芯片然后可以作為（a)諸如母板的中間產(chǎn) 品或（b)最終產(chǎn)品的一部分，與其它芯片、分立電路元件和/或其它信號(hào)處理裝置集成。該 最終產(chǎn)品可以是包括集成電路芯片的任何產(chǎn)品，包括玩具、能量收集器、太陽(yáng)能器件和其它 應(yīng)用，該其它應(yīng)用包括具有顯示器、鍵盤或其它輸入裝置以及中央處理器的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品或 裝置。此處描述的光伏器件對(duì)于用來(lái)給電子裝置、家庭、建筑物、車輛等提供電力的太陽(yáng)能 電池或面板特別有用。
[0026] 也要明白，將關(guān)于所列出的諸如Cu-Zn-Sn-S (Se) (CZTSSe)的元素來(lái)描述材料化 合物。對(duì)于CIGSSe、CdS等同樣適用。這些化合物可包括化合物內(nèi)元素的不同比例，例如

【權(quán)利要求】
1. 一種光伏器件，所述器件包括： 第一接觸； 混合吸收體層，包括： 硫?qū)倩飳?；以? 與所述硫?qū)倩锝佑|的半導(dǎo)體層； 在所述吸收體層上形成的緩沖層；以及 在所述緩沖層上形成的透明導(dǎo)電接觸層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中，所述硫?qū)倩飳影–u-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的器件，其中所述CZTSSe包括Cu2_xZn1+ySn (Si_zSez) 4+q，其中 l,0^y^ Ι,Ο^ζ^ 1,-1 l〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中，所述半導(dǎo)體層包括IV、III- V、II -VI和I -iii-vi2 族材料之一。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述半導(dǎo)體層包括Cu-In-Ga-S，Se(CIGSSe)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的器件，其中所述CIGSSe層包括CuInxGa(1_x)Se 2，其中X的值從1變 化到0。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中，所述硫?qū)倩飳优c所述緩沖層接觸，且所述半導(dǎo)體層 與所述硫?qū)倩飳咏佑|并與所述緩沖層相對(duì)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中，所述半導(dǎo)體層與所述緩沖層接觸，且所述硫?qū)倩飳?與所述半導(dǎo)體層接觸并與所述緩沖層相對(duì)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，還包括在所述透明導(dǎo)電接觸層上形成的金屬接觸以及還包 括在其上形成有所述第一接觸的襯底。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的器件，還包括第二半導(dǎo)體層，其中所述半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo) 體層夾住所述硫?qū)倩飳印?br> 11. 一種光伏器件，所述器件包括： 襯底； 在所述襯底上形成的第一接觸； 混合吸收體層，包括： Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)層；以及 與所述CZTSSe層接觸的至少一個(gè)半導(dǎo)體層；以及 在所述吸收體層上形成的緩沖層； 在所述緩沖層上形成的透明導(dǎo)電接觸層；以及 在所述透明導(dǎo)電接觸層上形成的金屬接觸，所述金屬接觸和所述透明導(dǎo)電接觸層形成 前光接收表面。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其中，所述CZTSSe包括CUhZn^Sr^ShSeJh，其中 l,0^y^ Ι,Ο^ζ^ 1,-1 l〇
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體層包括 Cu-In-Ga-S，Se(CIGSSe)或 CuInxGa(1_x)Se2，其中 X 的值從 1 變化到 0。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其中，所述CZTSSe層更接近所述光接收表面且在所述至 少一個(gè)半導(dǎo)體層的頂上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其中，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體層更接近所述光接收表面且 在所述CZTSSe層的頂上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11的器件，其中，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體層包括兩個(gè)半導(dǎo)體層，且所述 CZTSSe層夾在所述兩個(gè)半導(dǎo)體層之間。
17. -種用于制造光伏器件的方法，所述方法包括： 在襯底上沉積第一接觸； 在所述第一接觸上形成混合吸收體層，所述混合吸收體層包括Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)層和與所述CZTSSe層接觸的另一半導(dǎo)體層； 在所述吸收體層上形成緩沖層； 在所述緩沖層上沉積透明導(dǎo)電接觸層；以及 在所述透明導(dǎo)電接觸層上構(gòu)圖金屬接觸，所述金屬接觸和所述透明導(dǎo)電接觸層形成前 光接收表面。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述半導(dǎo)體層包括Cu-In-Ga-S，Se (CIGSSe)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在兩個(gè)半導(dǎo)體層之間形成所述CZTSSe層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括在所述混合吸收體層的形成期間，通過(guò)控制厚度 和帶隙中的至少一個(gè)來(lái)優(yōu)化性能。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK104253172SQ201410277666
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】T·格克曼, O·古納萬(wàn), R·A·海特, 金志煥, D·B·米茨, M·T·溫克勒 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司