用于光伏结的硒化铜铟镓上的六方相外延硫化镉制造技术

一种制造光伏结构的方法包括在第一电极上方形成含有基于硒化铜铟镓的材料的p型半导体吸收体层，通过在包括氢气和氧气的环境中溅射来在所述p型半导体吸收体层上方形成n型硫化镉层，以及在所述硫化镉层上方形成第二电极。

【技术实现步骤摘要】
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明本专利技术根据能源部通过DOE/EERESunShotBRIDGE程序授予的拨款编号CPS25853在政府支持下完成。政府具有本专利技术中的某些权利。
本专利技术大体上涉及光伏装置领域，并且更具体来说涉及包含硫化镉与硒化铜铟镓之间的光伏异质结的薄膜太阳电池。
技术介绍
基于CuIn1-xGaxSe2(CIGS)的薄膜太阳电池由于在商业规模装置中其太阳能转换效率的稳定增加而继续在可再生能源市场中显示前景。硫化镉是与基于CIGS的薄膜太阳电池结合使用的薄膜材料。在p型吸收体层(如实施为CIGS膜)与透明导电层之间提供n型硫化镉层，并且确保自吸收体高效电荷输送到由n型透明导电氧化物层提供的电接点。当并入到基于CIGS的薄膜太阳电池中时硫化镉层通常称作缓冲或窗口层。硫化镉层可通常通过在分批法中化学浴沉积(CBD)来形成。然而，对于真空沉积的CIGS膜，化学浴沉积方法可能不是可行的方案。实际上不可能将化学浴沉积方法整合到沉积薄膜太阳电池材料的卷轮式沉积方法或连续沉积方法中。其它使用物理气相沉积来沉积硫化镉层的方法是可能的。一种此类方法是在真空下磁控溅射化学计量的硫化镉靶到吸收体衬底(即CIGS膜)的表面以形成薄硫化镉层。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种制造光伏结构的方法包括在第一电极上方形成包含基于硒化铜铟镓的材料的p型半导体吸收体层，通过在包括氢气和氧气的环境中溅射来在所述p型半导体吸收体层上方形成n型硫化镉层，以及在所述硫化镉层上方形成第二电极。根据本专利技术的另一个方面，光伏结构包含第一电极，其包含金属材料；位于所述第一电极上方的p型半导体吸收体层，其中所述p型半导体吸收体层包括基于硒化铜铟镓的材料；位于所述p型半导体吸收体层上方的主要六方相硫化镉层；以及位于所述硫化镉层上方的第二电极。根据本专利技术的另一个方面，光伏结构包含第一电极，其包含金属材料；位于所述第一电极上方的半导体吸收体层；位于所述半导体吸收体层的上部上方的硫化镉层；以及位于所述硫化镉层上方的第二电极。半导体吸收体层包括在吸收体层的p型硒化铜铟镓半导体下部与吸收体层的n型含镉硒化铜铟镓半导体上部之间的p-n结。附图说明图1A到1C是在制造期间根据本专利技术的一个实施例的例示性光伏结构的依序垂直横截面图。图1D是根据本专利技术的一个实施例的例示性光伏结构的替代实施例的垂直截面视图。图2显示可以用于形成过渡金属层(如含碱金属的过渡金属层，例如含钠钼膜)的溅射设备的俯视图的高度简化示意图。图3显示可以用于制造图1中所描绘的太阳电池的模块化溅射设备的俯视图的高度简化示意图。图4示意性地说明使用三组双磁控管来增加CIGS层的组合物用于改变其带隙的沉积速率和级别。图5是说明在各种硫化镉沉积方法下形成的样品光伏装置的平均开路电压的依赖的图。图6显示对应于条件A、B以及C的三种样品的界面区域的高分辨率透射电子显微图(HRTEM)。图7A到7D显示例示性装置G21中CdS/CIGS异质结的STEM-EDS图(在CdS中不掺杂O)。图7A显示高度Cd空乏区域由白色圆圈突出显示。自由白色矩形表示的区域的能源分散光谱学(EDS)定量表明略微经Cd掺杂的Cu缺乏的CIGS表面。图7B显示贯穿整个CdS层分布的Cu。图7C显示经Se填充的Cu空乏表面层。图7D显示CdS中的不明显Zn和O掺杂。图8显示自出现高度Cd空乏区域(图7A中的白色圆圈)的地方获取的HRTEM图像。异质界面相当相干。左上插图显示由正方形指示的高度Cd空乏区域的FFT图案，其可充分指示为立方Cu2S[110]晶带轴。图9A到9C显示例示性装置G19中CdS/CIGS异质结的STEM-EDS图(在CdS中较高O掺杂)。图9A显示在CdS中不存在Cu。自由矩形标示的区域的EDS定量表明标准Cu(In,Ga)Se2相。图9B显示虚线，其标示富含Se层(Cu缺乏)。自图7A，在此层中发现Cd，指示Cd取代Cu。图9C显示在整个CdS层中发现Zn。图10是自记录图9中的STEM-EDS图的地方获取的HRTEM图像，其显示四元化合物CdZnSO的纳米结晶度。CdS中的高浓度氧掺杂降低缓冲层的外延和结晶度。图11A到11D显示例示性装置G25中CdS/CIGS异质结的STEM-EDS图(在CdS中中等O掺杂)。图11A显示在CIGS中存在Cd。自由白色矩形表示的区域的EDS定量表明约7％Cd(原子百分比)。图11B和11C显示Cu输送到CdS中。图11D显示在CdS的外部发现Zn。图12显示自获得图11的区域获取的HRTEM图像。较高结晶度的六方CdxCu1-xS相在CIGS上外延生长。可观测到外延关系。图13A到13B显示例示性装置G09和G02中CdS/CIGS异质结的STEM-EDS图(在CdS中中等O掺杂)。在CdS沉积期间与G02装置(O2-H2流速差是负50sccm)相比，G09装置具有较高氢气比氧气流速比(O2-H2流速差是负70sccm)。在图13A中的G09装置中观测到具有原子台面的单晶六方CdS层，同时在图13B中的G02装置中观测到纳米晶CdS。具体实施方式如上文所论述，本专利技术涉及包含硫化镉与硒化铜铟镓之间的光伏异质结的薄膜太阳电池，其各个方面在下文描述。本专利技术的实施例可以用于形成各种光伏装置。图式未按比例绘制。除非明确地描述或以其它方式清楚地指示不存在元件的重复，否则在说明元件的单个实例的情况下，可重复元件的多个实例。如“第一”、“第二”以及“第三”的序数仅用以识别类似元件，并且不同序数可跨越本专利技术的说明书和权利要求书来使用。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侧上或第二元件的内侧上。如本文所用，如果第一元件的表面与第二元件的表面之间存在物理接触，那么第一元件“直接”位于第二元件“上”。从与直线真空生产线的相容性的观点来看，CdS的“干燥”非真空断裂沉积(例如物理气相沉积(PVD))更有利。然而，与其CBD-CdS/CIGS对应物相比，PVD-CdS/CIGS装置显示递送较低效率。此差异无法仅由如先前认为的PVD-CdS缓冲层在CIGS表面上的不佳覆盖率解释。一种可能的解释是PVD-CdS/CIGS表面中内埋p-n同质结的缺乏可能是原因。本专利技术的专利技术人认识到硫化镉的物理气相沉积诱导生长的CdS膜和CIGS吸收体的互混，进而致使所得净沉积膜堆叠含有显著量的Cu和其它在生长期间或在生长之后迁移、扩散或与CdS材料反应的元素，产生复合膜。本专利技术的专利技术人进一步认识到此类迁移物质可能对复合膜的电气装置特性有不利影响，产生质量不佳装置和低太阳电池转换效率。此外，本专利技术的专利技术人认识到在制造期间在沉积温度下PVD-CdS/CIGS装置的固有退火产生较高效率，刺激与在CBD-CdS工艺期间发生的工艺类似的化学相互扩散工艺，并且由于Cd占据CIGS表面的Cu空乏位置，可引起p-n同质结在CIGS表面上或在CIGS层的上部部分中形成。此表明在本专利技术的PVD-CdS/CIGS太阳电池期间原子的固有扩散可能是形成增强太阳电池性能的适合相的重要机制。在产生本专利技术的研究过程期间，本专利技术人研究PVD(即溅射)沉积的CdS/CIGS异质结的微观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造光伏结构的方法，其包含：在第一电极上方形成包含基于硒化铜铟镓的材料的p型半导体吸收体层；通过在包括氢气和氧气的环境中溅射来在所述p型半导体吸收体层上方形成n型硫化镉层；以及在所述硫化镉层上方形成第二电极。

【技术特征摘要】
2015.05.15 US 62/162,3711.一种制造光伏结构的方法，其包含：在第一电极上方形成包含基于硒化铜铟镓的材料的p型半导体吸收体层；通过在包括氢气和氧气的环境中溅射来在所述p型半导体吸收体层上方形成n型硫化镉层；以及在所述硫化镉层上方形成第二电极。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述环境中所述氢气的分压比所述氧气的分压大0.75毫托到2毫托。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述环境中所述氢气的分压比所述氧气的分压大1.25毫托到1.875毫托。4.根据权利要求2所述的方法，其中：所述环境包括惰性溅射气体；和所述环境的总压力在5毫托到10毫托范围内。5.根据权利要求2所述的方法，其中：氢气在第一流动速率下流动到溅射腔室中；氧气在第二流动速率下流动到所述溅射腔室中；以及所述第一流动速率与所述第二流动速率之间的差在30sccm到80sccm范围内。6.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化镉层包含形成具有主要六方晶体结构的单晶本征掺杂或锌掺杂的硫化镉层。7.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化镉层包含形成具有主要六方晶体结构的单晶硫化铜镉层。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述单晶硫化铜镉层主要由一或多种六方相硫化镉晶粒构成。9.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述n型硫化镉层包含形成具有主要六方晶体结构的第一单晶硫化铜镉层和在所述第一单晶硫化铜镉层上方形成具有主要六方晶体结构的第二单晶硫化镉层。10.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第二电极包含形成含锌氧化物层以使得锌扩散到所述n型硫化镉层中以形成经锌掺杂的硫化镉层。11.根据权利要求10所述的方法，其中氧和所述锌扩散到所述n型硫化镉层中以形成经锌和氧掺杂的硫化镉层。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述n型硫化镉层掺杂有铜、锌、氧或氢中的一或多者。13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含使镉原子自所述n型硫化镉层扩散到所述硒化铜铟镓p型半导体吸收体层的上部以形成所述半导体吸收体层的n型经镉掺杂的硒化铜铟镓半导体上部并且进而在所述吸收体层的p型硒化铜铟镓半导体下部与所述吸收体层的所述n型经镉掺杂的硒化铜铟镓半导体上部之间产生p-n同质结。14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含使镉原子自所述n型硫化镉层扩散到所述硒化铜铟镓p型半导体吸收体层的上部以形成所述半导体吸收体层的n型硒化镉铜铟镓半导体上...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺小庆，安格斯·罗基特，乔尔·瓦利，文森索·洛尔迪，尼尔·麦凯，乔迪·扎帕拉克，张伟杰，约翰·科森，
申请(专利权)人：北京铂阳顶荣光伏科技有限公司，贺小庆，安格斯·罗基特，乔尔·瓦利，文森索·洛尔迪，
类型：发明
国别省市：北京;11