緩沖層的薄層太陽能電池的層系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種薄層太陽能電池的層系統(tǒng)W及一種用于制造層系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能電池和太陽能模塊的薄層系統(tǒng)是充分已知的，并且視襯底和所施加的材料 而定，市場上存在不同的實施方案。所述材料被選擇為使得最大程度利用入射的太陽光 譜。由于物理特性和工藝可操作性，具有無定形娃、微晶娃或多晶娃、蹄化儒（CdTe)、神化嫁 (GaAs)、銅銅（嫁）砸硫化物（化(In，Ga) (S，Se)2)、銅鋒錫硫代砸化物（源自鋒黃錫礦的組 的CZTS)W及有機半導體的薄層系統(tǒng)特別適用于太陽能電池。五元半導體化(In,Ga) (S， Se)2屬于黃銅礦半導體的組，經(jīng)常將其稱作CIS(二砸化銅銅或二硫化銅銅）或者CIGS(二 砸化銅銅嫁、二硫化銅銅嫁或二硫代砸化銅銅嫁）?？s寫詞CIGS中的S可W表示砸、硫或者 兩種硫族元素的混合物。
[000引基于化(In,Ga) (S，Se)2的當前的薄層太陽能電池和太陽能模塊需要在P導通的 化(In,Ga) (S，Se)2吸收層和n導通的前電極之間的緩沖層。前電極通常含有氧化鋒狂nO)。 根據(jù)目前的認識，該緩沖層能夠在吸收材料與前電極之間實現(xiàn)電子匹配。該緩沖層此外還 在通過直流磁控瓣射沉積前電極的后續(xù)過程步驟中提供保護W防止瓣射損傷。該緩沖層還 通過在P型半導體和n型半導體之間的高阻中間層的構(gòu)造阻止電流從導電性良好的區(qū)域流 出到導電性差的區(qū)域。
[0004] 迄今為止最常使用硫化儒（Cd巧作為緩沖層。為了能夠產(chǎn)生良好的電池效率，迄 今為止在化學浴法（C抓沉積過程）中W濕化學方式沉積硫化儒。但是與此相聯(lián)系的缺點 是，濕化學過程不太適合于目前生產(chǎn)化(In,Ga) (S，Se)2薄層太陽能電池的過程流程。 陽0化]CdS緩沖層的另一個缺點在于其含有毒性重金屬儒。因此產(chǎn)生較高的生產(chǎn)費用，因 為在生產(chǎn)過程中（例如處置廢水時）必須采取提高的安全措施。對于客戶而言，處置產(chǎn)品 可能會引起較高的費用，因為視當?shù)胤啥灾圃焐炭赡鼙粡娖冗M行召回、處置或者回收 產(chǎn)品。由此產(chǎn)生的費用將會轉(zhuǎn)嫁給客戶。
[0006] 因此針對化(In, Ga)(S，Se)2族半導體構(gòu)成的不同吸收層測試了硫化儒構(gòu)成的緩 沖層的不同替代方案，例如瓣射的ZnMgO、通過C抓沉積的化(S，OH)、通過C抓沉積的In(0， OH)、W及通過原子層沉積（ALD)、離子層氣相沉積（ILGAR)、噴射熱解法或物理氣相沉積 (PVD)、如熱蒸發(fā)或噴瓣的硫化銅。
[0007] 然而運些材料尚不適合用作基于化(In,Ga) (S，Se)2用作商用的太陽能電池的緩 沖層，因為它們達不到與具有CdS緩沖層的太陽能電池一樣的效率。效率說明了入射功率 與太陽能電池所產(chǎn)生的功率之比，并且對于小面積上實驗室電池的CdS緩沖層而言，效率 為直至約20%，W及對于大面積模塊而言，效率在10%和15%之間。此外當替代緩沖層暴 露于光、熱和/或濕度時，所述替代緩沖層還表現(xiàn)出過大的不穩(wěn)定性、滯后效應或者效率退 化。
[0008] CdS緩沖層的另一個缺點在于，硫化儒是一種直接半導體，具有大約2. 4eV的直接 電子帶隙。因此在化(In,Ga) (S，Se)z/CdS/化O太陽能電池中，即使CdS層厚為幾十納米， 入射光也會被大量吸收。緩沖層中吸收的光無法用于電收益，因為所產(chǎn)生的載流子在該層 中馬上就重新重組，并且在異質(zhì)結(jié)的該區(qū)域中和在緩沖材料中有很多起到重組中屯、作用的 晶體缺陷。結(jié)果太陽能電池的效率變小，運對于薄層太陽能電池而言是不利的。
[0009] 例如，從WO2009141132A2已知一種具有基于硫化銅的緩沖層的層系統(tǒng)。該層系 統(tǒng)由CIGS族的黃銅礦吸收體并且尤其是化(In,Ga) (S，Se)2與硫化銅構(gòu)成的緩沖層結(jié)合組 成。硫化銅（IriySJ緩沖層例如具有輕度富含銅的組分，其中v/(v+w) =41 %至43%。所 述硫化銅緩沖層可W用不同的非濕化學方法一一例如通過熱蒸發(fā)、電子射線蒸發(fā)、離子層 氣體反應（ILGAR)、陰極霧化（瓣射）、原子層沉積（ALD)或瓣射熱解一一沉積。
[0010] 然而，在所述層系統(tǒng)和制造方法的迄今為止的研發(fā)中已經(jīng)呈現(xiàn)出，具有硫化銅緩 沖層的太陽能電池的效率低于具有CdS緩沖層的太陽能電池的效率。
[0011] IverLauermann等人的"Synchrotron-basedspectroscopyforthe characterizationofsurfacesandinterfacesinchalcopyritethin-filmsolar cells"（SolarEnergyMaterialsAndSolarCells，ElsevierSciencePublishers，荷 蘭，阿姆斯特丹，Bd. 95,化.6, 2010年12月17日，1495-1508頁）展示出一種具有含鋼緩沖 層的層系統(tǒng)，其中鋼含量在本發(fā)明所要求保護的范圍之外。利用Lauermann等人的裝置無 法實現(xiàn)本發(fā)明中所要求保護的范圍。
[0012] BarM.等人的"DepositionofInzSsonCu(In,Ga) (S，Se)2thinfilmsolar cell曰bsorbersbyspr曰yionIsyerg曰sre曰ction：Evidenceofstronginterf曰ci曰I diffusion"(AppliedPhysicsLetters，AIP，AmericanInstituteofPhysics，美國，紐 約，梅爾維爾，Bd. 90,化.13, 2007年3月29日，132118-1-132118-3頁）展示出一種具有含 鋼緩沖層的層系統(tǒng)，其中鋼含量在本發(fā)明中要求保護的范圍之外。利用Bar等人的裝置無 法實現(xiàn)本發(fā)明中要求保護的范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種基于硫族化合物半導體的帶有緩沖層的層系 統(tǒng)，該層系統(tǒng)具有高效率和高穩(wěn)定性，其中制造應當是成本低廉的和環(huán)境兼容的。
[0014] 按照本發(fā)明，該任務(wù)通過按照權(quán)利要求1的層系統(tǒng)解決。本發(fā)明的有利擴展由從 屬權(quán)利要求得出。
[0015] 另外，本發(fā)明包括用于制造薄層太陽能電池的層系統(tǒng)的方法。
[0016] 按照本發(fā)明的層系統(tǒng)的應用由其它權(quán)利要求得知。
[0017] 按照本發(fā)明的層系統(tǒng)至少包括：
[0018] -含有硫族化合物半導體的吸收層，W及
[0019] -布置在吸收層上的緩沖層，
[0020] 其中所述緩沖層含有化xlniSyClz，其中0. 05《X< 0. 2或者0. 2 <X《0. 5、 1《y《2且0. 6《x/z《1. 4。
[0021] 在按照本發(fā)明的層系統(tǒng)中，對于鋼含量取值X= 0. 2。
[0022] 如發(fā)明人的研究令人驚訝地得出的那樣，通過將鋼和氯加入到含硫化銅的緩沖層 中可W測量到太陽能電池的效率的顯著提高。
[0023]由于緩沖層的元素能夠分別W不同的氧化等級存在，因此只要沒有明確另作說 明，W下統(tǒng)一W元素名稱表示所有氧化等級。例如因此可將鋼理解成元素鋼、鋼離子W及化 合物中的鋼。
[0024] 腳注X反映了緩沖層中鋼的物質(zhì)量與銅的物質(zhì)量之比，并且對于太陽能電池的效 率是決定性的。在0. 05《X《0. 5的范圍內(nèi)就已經(jīng)能測量到與純硫化銅緩沖層相比顯著 的效率提局。
[0025] 在本發(fā)明層系統(tǒng)的一種有利構(gòu)型中，0. 1《X< 0. 2或者0. 2 <X《0. 3。對于運 些值而言可W測量到直至15%的特別高的效率。
[0026] 緩沖層中鋼的最佳的量明顯高于吸收層中鋼的總量。但是吸收層中鋼的量取決于 制造工藝。吸收層中的鋼活動性比較強。發(fā)明人假設(shè)，同時提供鋼和氯使得鋼在緩沖層中 結(jié)合。鋼在緩沖層中的存在同時阻止鋼從吸收層擴散出到緩沖層中。
[0027] 腳注y為1至2。腳注y反映了硫的物質(zhì)量與銅的物質(zhì)量之比。在本發(fā)明層系統(tǒng) 的一種有利構(gòu)型中，1. 3《y《1. 5。對于運些值來說可W測量到特別高的效率。對于稍微 富銅的緩沖層來說可W測量到特別高的效率。"富銅"在運里表示銅與硫的相對份額比InzSj 的化學計量比中大，并且因此y< 1.5。在本發(fā)明的另一種有利構(gòu)型中，緩沖層為非結(jié)晶構(gòu) 造的。
[0028] 比例x/z為0.6至1. 4,并且優(yōu)選為0.8至1. 2。對于運些值來說可