薄膜光伏装置及制造方法制造方法及图纸

一种制造薄膜光伏装置(100)的方法，所述方法包括：a)在背面接触层上沉积吸收层的第一区，所述背面接触层设置在基板上，其中，所述第一区包含选自由In、Ga和Al组成的组中的一种或多种第一元素；b)在所述第一区上沉积所述吸收层的第二区，在沉积所述第二区期间，保持第一沉积速率比率；c)在所述第二区上沉积所述吸收层的第三区，在沉积所述第三区期间，保持第二沉积速率比率，且所述第二沉积速率比率小于所述第一沉积速率比率的0.83倍；以及d)在所述第三区上沉积所述吸收层的第四区，在沉积所述第四区期间，保持第三沉积速率比率，并且，所述第三沉积速率比率大于所述第二沉积速率比率的1.2倍。

【技术实现步骤摘要】
本申请是2012年04月17日递交的申请号为201280012915.3，专利技术名称为“薄膜光伏装置及制造方法”的分案申请。
本专利技术涉及由薄膜沉积制造的太阳能电池和/或光伏装置，并且更具体地涉及在硫族化合物半导体或ABC半导电化合物的吸收层中的多种元素的深度分布。
技术介绍
光伏装置通常被理解为光伏电池或光伏模组。光伏模组通常包括互连光伏电池阵列。一种用于制造光伏装置和/或光伏电池的方法包括例如将半导体材料切成多个晶圆。另一种用于制造光伏装置的方法包括将半导体材料作为一个薄膜沉积在一个基板上。薄膜光伏装置的制造可以比用晶圆制造光伏装置更具有成本效率。增加的成本效率的实现不仅是因为生产期间材料及能量的节省，也是因为在增加装置的光伏转换效率上技术的进步。本披露涉及使用相对低成本及低基板温度方法制造薄膜光伏装置，所述装置具有与在类似的基板温度水平上制造的现有技术薄膜装置相比更高的光伏效率。对于一个给定的电力输出，光伏装置成本的降低是拓展其商业化的主要动力，并且有助于减少化石燃料燃烧所致的排放。另外，光伏装置转换效率的增加使得每单位面积有更高电力输出，并且因此对于一个给定的输出功率有更低的材料及安装成本。一个薄膜光伏装置通常通过将多个材料层沉积在一个基板上制造。以简化的功能观点来看，这些材料层可以表示为一种可能被一个缓冲层涂覆的光伏吸收层，该组合被夹合在至少两个导电层之间。本披露内容涉及光伏装置，该装置含有通常基于一种ABC硫族化合物材料的一个吸收层，例如ABC2黄铜矿材料，其中A代表如在国际纯粹与应用化学联合会所定义的化学元素周期表第11族的元素，包括Cu或Ag，B代表周期表第13族中的元素，包括In、Ga或Al，并且C代表周期表第16族中的元素，包括S、Se或Te。一种ABC2材料的示例是Cu(In,Ga)Se2半导体，也被称为CIGS。本披露内容还涉及呈四元、五元或多元材料的形式(例如Cux(In,Ga)y(Se,S)z、Cux(In,Al)ySez、Cux(Zn,Sn)ySez、Cux(Zn,Sn)y(Se,S)z或(Ag,Cu)x(In,Ga)ySez)的通常的ABC三元合成物(例如CuxInySez或CuxGaySez)的变体。本披露提出了一种用于在相对低的基板温度(低于600℃)下生产光伏装置的方法。它特别有利于基于塑料基板或金属箔的柔性光伏装置的生产。本披露还提出了在吸收层中具有半导体元件的一种新颖特征深度分布的多种装置。可以使用多种方法(例如气相淀积、溅射、印刷、离子束或电镀)来制造薄膜ABC或ABC2光伏装置的光伏吸收层。最常见的方法是基于在真空室内通常使用多个材料蒸发源的气相沉积或共蒸发。美国专利4,335,266描述了由I-III-VI2黄铜矿化合物形成薄膜太阳能电池的方法，并且通常被认为是制造ABC2光伏装置技术的一个里程碑。美国专利5,441,897中提出了较新的现有技术，该专利提出了一种在两个或三个步骤中制造Cu(In,Ga)(Se,S)2薄膜太阳能电池的方法。美国专利6,258,620通过在沉积过程开始时使用不同材料原子比率对前述三个步骤方法有进一步贡献，并且可能性地贡献更多材料沉积步骤以构成一个前体层，该前体层其后通过在基本上更高的基板温度下加热所沉积的材料而转换成一个吸收层。虽然一些现有技术已经能够制造转换效率与更为传统的硅晶圆的技术相当的光伏装置，迄今已经通过使用高温沉积过程(通常在大约600℃)获得了薄膜的高效率。本披露因此描述了一种方法，该方法具有使高效率光伏装置也能够在基本上更低的沉积温度下(通常在350℃至550℃之间)制造的优点。本披露还描述了此种光伏装置的特征。
技术实现思路
本专利技术提出了高效率薄膜光伏装置(特别是柔性光伏装置，更精确地是在例如低于600℃的相对低的基板温度下制造的装置)的制造问题的解决方案。以下，使用ABC来代表三元、四元、五元或多元形式的材料的ABC或ABC2半导体化合物。如在以下段落中指明的，本专利技术的一个目标是要提供多种方法来改进光伏装置的制造以及所述装置的光伏转换效率，以及因此对所制造的光伏装置的表征。在通过在一个基板上沉积一个ABC半导体化合物所制造的薄膜光伏装置领域中的常见问题是需要600℃左右的高温来制造具有足够高的光伏转换效率以至于可以与基于晶圆的装置相抗衡的装置。在薄膜沉积期间，基板温度越高，所要求的能量越大。因此，本专利技术的一个目标是要提供一种用于在较低温度及能量水平下制造ABC光伏装置的方法，所述装置的光伏转换效率不仅与在所述高温下所制造的薄膜装置相当而且与基于硅晶圆的装置相当。在薄膜光伏装置制造领域中及更具体地在ABC薄膜光伏装置制造领域中的另一个问题是：高温沉积过程限制了基板材料的种类，ABC半导体可以沉积于这些基板材料上。因此该沉积过程受限于在该过程期间的所述高温下将不会退化的材料。因此，本专利技术的另一个目标是要提供一种在更多种基板(例如柔性塑料基板)上制造高效率ABC薄膜光伏装置的方法。由于在350℃至550℃之间的较低的ABC半导体沉积温度，利用本方法使得此目标变为可能。在薄膜光伏装置制造领域的另一个问题是：来自一些基板(例如金属基板)的材料可能会通过基板元素和杂质污染所沉积的半导体薄膜。避免此种污染的方法是用一个阻挡层(例如AlxOy、SixNy、或SixOy)涂覆该基板。然而所述阻挡层可能含有一些针孔，这将引发半导体薄膜的一些残留污染。针孔在阻挡层中的出现与基板的粗糙度有关。金属基板通常必须在涂覆有阻挡层之前进行表面处理，例如平滑化或抛光。另外，在沉积期间，本专利技术方法的相对低的温度导致有害的杂质扩散减少，并且可以允许在该光伏吸收层沉积之前从该过程中省去阻挡层沉积步骤。因此本专利技术的一个进一步的目标是要避免由于相对低温(低于550℃)的沉积方法造成的污染、粗糙度困难以及与金属基板相关联的处理成本，此沉积方法使能够使用非污染性且极其平滑的基板材料(例如塑料)。在高效率光伏模组制造领域的又一个问题是：模组是由单独的光伏电池(例如硅电池或在玻璃电池上的薄膜)组装成的。这种组装要求在若干个生产线阶段上分批加工，这与卷到卷(roll-to-roll)生产技术相比更加昂贵。另外，因为最高效率薄膜装置是在高温下且大多是在刚性玻璃基板上生产，它们本身并不适合卷到卷生产。在卷到卷生产中被用作连续网状物的金属基板的一个优点是：它们允许材料沉积期间的相对高的基板温度(高于550℃)，但要以前面所提到的表面处理为代价。因此，本专利技术的另一个目标是要提供一种方法，该方法使得能够在低成本以及低能量下进行高效率光伏装置的卷到卷制造。本专利技术的一个具体的目标是由于改进的光伏吸收层品质及转换特征来提供高效率的太阳能装置，如在以下段落中所指明的。在通过在一个基板上沉积一个黄铜矿或硫族化合物半导体吸收层来制造薄膜光伏装置的领域中的一个常见问题是：在该光伏半导体层中晶粒尺寸及图案所代表的结晶结构中的缺陷及不规则性可能会使光伏转换降级。在光曝露侧的半导体层厚度的第一微米内的所述结晶结构对于高的光伏转换效率是特别重要的。由于在低温下形成该半导层，所述缺陷及不规则性更频繁地发生。因此，本专利技术的一个目标是提供太阳能装置，这些太阳能装置在光曝露侧的半导体层厚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成薄膜光伏装置的吸收层的方法，所述方法包括：a)在背面接触层上沉积吸收层的第一区，所述背面接触层设置在基板上，其中，所述第一区包含选自由In、Ga和Al组成的组中的一种或多种第一元素；b)在所述第一区上沉积所述吸收层的第二区，其中，沉积所述第二区包括：以第一沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第二沉积速率沉积一种或多种第二元素，其中，所述一种或多种第二元素为Cu或Ag；以及，在沉积所述第二区期间，保持第一沉积速率比率，其中，所述第一沉积速率比率为所述第一沉积速率与所述第二沉积速率的比率；c)在所述第二区上沉积所述吸收层的第三区，其中，所述吸收层的第三区包含所述一种或多种第二元素中的一种，和一种或多种第一元素，并且，沉积所述第三区包括：以第三沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第四沉积速率沉积所述一种或多种第二元素中的一种；以及，在沉积所述第三区期间，保持第二沉积速率比率，其中，所述第二沉积速率比率为所述第三沉积速率与所述第四沉积速率的比率，且所述第二沉积速率比率小于所述第一沉积速率比率的0.83倍；以及，d)在所述第三区上沉积所述吸收层的第四区，其中，所述吸收层的第四区包含所述一种或多种第二元素中的一种，以及一种或多种第一元素，并且，沉积所述第四区包括：以第五沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第六沉积速率沉积所述一种或多种第二元素；以及，在沉积所述第四区期间，保持第三沉积速率比率，其中，所述第三沉积速率比率为所述第五沉积速率与所述第六沉积速率的比率，并且，所述第三沉积速率比率大于所述第二沉积速率比率的1.2倍。...

【技术特征摘要】
2011.04.19 IB PCT/IB2011/0008571.一种形成薄膜光伏装置的吸收层的方法，所述方法包括：a)在背面接触层上沉积吸收层的第一区，所述背面接触层设置在基板上，其中，所述第一区包含选自由In、Ga和Al组成的组中的一种或多种第一元素；b)在所述第一区上沉积所述吸收层的第二区，其中，沉积所述第二区包括：以第一沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第二沉积速率沉积一种或多种第二元素，其中，所述一种或多种第二元素为Cu或Ag；以及，在沉积所述第二区期间，保持第一沉积速率比率，其中，所述第一沉积速率比率为所述第一沉积速率与所述第二沉积速率的比率；c)在所述第二区上沉积所述吸收层的第三区，其中，所述吸收层的第三区包含所述一种或多种第二元素中的一种，和一种或多种第一元素，并且，沉积所述第三区包括：以第三沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第四沉积速率沉积所述一种或多种第二元素中的一种；以及，在沉积所述第三区期间，保持第二沉积速率比率，其中，所述第二沉积速率比率为所述第三沉积速率与所述第四沉积速率的比率，且所述第二沉积速率比率小于所述第一沉积速率比率的0.83倍；以及，d)在所述第三区上沉积所述吸收层的第四区，其中，所述吸收层的第四区包含所述一种或多种第二元素中的一种，以及一种或多种第一元素，并且，沉积所述第四区包括：以第五沉积速率沉积所述一种或多种第一元素；以第六沉积速率沉积所述一种或多种第二元素；以及，在沉积所述第四区期间，保持第三沉积速率比率，其中，所述第三沉积速率比率为所述第五沉积速率与所述第六沉积速率的比率，并且，所述第三沉积速率比率大于所述第二沉积速率比率的1.2倍。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：e)沉积所述吸收层的第五区，包括在所述第四区上沉积一种或多种第一元素，直至在所述第一区至所述第五区中，第二元素的总量相对于第一元素的总量能用大于0.6且小于0.99的原子比率表示。3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在实施(d)之后且在实施(e)之前，重复(c)和(d)。4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：向所述第一区至所述第五区中的至少一个区添加碱性材料，其中，添加所述碱性材料包括在形成所述第一区至所述第五区中的至少一个区期间，提供选自由NaF、NaCl、NaSe、KF、KCl、CsF和LiF组成的组中的一种或多种碱性材料。5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在沉积所述第五区之后向所述吸收层添加碱性材料。6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在形成所述第一区至所述第五区中的至少一个区期间，提供Se、S或Te中的一种或多种。7.一种形成薄膜光伏装置的吸收层的方法，包括：a)在背面接触层上沉积吸收层的第一区，所述背面接触层设置在基板上，其中，所述第一区包含In和Ga；b)在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿德里安·希里拉，阿约蒂亚·纳什·蒂瓦里，帕特里克·布罗什，西胁士郎，戴维·布雷莫，
申请(专利权)人：弗立泽姆公司，瑞士材料科学技术研究所，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH