本发明专利技术涉及用于太阳能电池制造的沉积半导体薄层的技术和装置，其以不同实施方式有利地提供低成本沉积技术以形成高质量、致密、良好粘附的并具有宏观尺度和微观尺度组成均匀的ＩＢＩＩＩＡＶＩＡ化合物薄膜。在一个实施方式中，提供在基底上生长ＩＢＩＩＩＡＶＩＡ族半导体层的方法。该方法包括在基底上沉积ＩＢ族材料薄膜和至少一层ＩＩＩＡ族材料，相互混合ＩＢ族材料和至少一层ＩＩＩＡ族材料以形成相互混合的层，在相互混合的层上形成包括至少一层ＩＩＩＡ族材料亚层和ＩＢ族材料亚层的金属薄膜。还描述了其它实施方式。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及制备用于辐射探测器和光电应用的半导体薄膜的方法和装置。背景太阳能电池是将日光直接转换为电能的光电器件。最为常用的太阳能电池材料是 单晶或多晶晶片形式的硅。然而，使用硅基太阳能电池生产电的成本高于用较传统的方法 生产电的成本。因此，从1970’ s早期已进行努力以降低用于地面使用的太阳能电池的成 本。降低太阳能电池成本的一个方法是发展低成本的能在大面积基板上沉积太阳能电池质 量的吸收材料的薄膜生长技术和使用高产量低成本的方法制造这些器件。包括一些IB 族(Cu、Ag、Au)、IIIA 族(B、Al、Ga、In、Tl)和 VIA 族(0、S、Se、Te、 Po)材料或周期表元素的IBIIIAVIA族化合物半导体是优良的用于薄膜太阳能电池结构 的吸收材料。特别的通常称为CIGS(S)、或Cu(In，Ga) (S，Se)2或CuIrvxGax(SySe1Jk，其中 0彡χ彡1、0彡y彡1且k约2的Cu、In、Ga、Se和S化合物已经用于生产接近20%转化 率的太阳能电池结构。含有IIIA族元素Al和/或VIA族元素Te的吸收材料也显示出应 用的前景。因此，总之，含有i) IB族Cu，ii)IIIA族In、Ga和Al中至少一种和iii)VIA族 S、Se和Te中至少一种的化合物对于太阳能电池应用具有极大的兴趣。在附图说明图1中显示了常规IBIIIAVIA族化合物光电电池例如Cu (In，Ga，Al) (S，Se， Te)2薄膜太阳能电池。在基板11上例如玻璃片、金属片、绝缘箔或网或导电箔或网上制 造器件10。在导电层13上生长包括Cu(In，Ga, Al) (S，Se, Te)2类材料的吸收薄膜12，在 基板11上预先沉积导电层13并作为器件的电接触。包括Mo、Ta、W、Ti和不锈钢等的各种 导电层已用于图1的太阳能电池结构中。如果基板本身是适合地选择的导电材料，那么也 能够不使用导电层13，由于基板11可作为与器件的欧姆接触。在生长吸收薄膜12后，在 吸收薄膜上形成例如CdS、ZnO或CdS/ZnO叠层的透明层14。辐射15通过透明层14进入 器件。也可在透明层14上沉积金属栅格(未显示)以减少器件的有效串连电阻。吸收膜 12优选的导电类型是P-型，透明层14优选的电类型是η-型。然而，也可使用η-型吸收 材料和P-型窗层。图1优选的器件结构称为“基板型(substrate-type)”结构。也能通 过在透明覆盖层(superstrate)上例如玻璃或透明聚合箔片上沉积透明导电层，然后沉积 Cu (In，Ga, Al) (S，Se, Te)2吸收薄膜，最后通过导电层形成与器件的欧姆接触来构造“覆盖 层型(superstrate-type)”结构。在这种覆盖层结构中，光通过透明覆盖层面进入器件。能 使用通过各种方法沉积的各种材料以提供图1中所示器件的各种层。在使用IBIIIAVIA族化合物吸收材料的薄膜太阳能电池中，电池效率是IB/IIIA 摩尔比的函数。如果在组成中具有多于一种的IIIA族材料，这些IIIA族元素的相对量或 摩尔比也将影响性能。对于Cu(ImGa) (S，Se)2K收层，例如，器件的效率是Cu/dn+Ga)摩 尔比的函数。此外，一些重要的电池参数，例如开路电压、短路电流和填充系数也随着IIIA 族元素摩尔比，即Ga/(Ga+In)摩尔比进行变化。通常，对于好的器件性能，Cu/(In+Ga)摩 尔比保持在约或低于1.0。另一方面，当Ga/(Ga+In)摩尔比增加时，吸收层的光带隙增加， 因此太阳能电池的开路电压升高而短路电流典型地可能降低。对于薄膜沉积工艺，能够控 制IB/IIIA的摩尔比和组成中IIIA族组分的摩尔比是重要的。应当注意的是尽管化学式 通常写为Cu (In，Ga) (S，Se) 2，但对于该化合物更为准确的化学式是Cu (In，Ga) (S，Se)k，其 中k典型地接近2但可以不精确等于2。为了简便，我们继续使用k值为2。另外应当注 意的是在化学式中符号“Cu (X，Y)”意味着X和Y从(X = 0%和Y = 100% )到(X = 100% 和γ = )所有的化学组成，例如Cu(In，Ga)意味着从CuIn到CuGa的所有组成。类似 的，Cu (In，Ga) (S，Se)2意味着具有Ga/(Ga+In)摩尔比从0-1变化和Se/(Se+S)摩尔比从 0-1变化的所有化合物组。对于太阳能电池制造，得到高质量Cu(In，Ga) Se2膜的首要技术是在真空室中将 Cu、In、Ga和Se共蒸发至经加热的基板上。然而，低的材料利用、高的装置成本、在大面积 沉积中面临的困难和相对低的产量是共蒸发方法商业化中面临的挑战。生长用于太阳能电池应用的Cu(In，Ga) (S，Se)2型化合物薄膜的另一种技术是两 阶段工艺(two-stage process)，其中首先在基板上沉积Cu(In，Ga) (S，Se)2材料的金属组 分，然后在高温退火过程中与S和/或Se反应。例如对于CuInSe2的生长，首先在基板上 沉积Cu和In的薄层，然后这种经堆叠的前体层与Se在升高的温度下反应。如果反应气氛 中含有硫，那么能生长CuIn(S，Se)2层。在所述前体层中添加Ga，即使用Cu/In/Ga叠层薄 膜前体可以生长Cu(In，Ga) (S，Se)2吸收材料。在现有技术方法中已经使用溅射和蒸发技术以沉积含有IB族和IIIA族组分的 所述前体叠层的层。在CulnSe2情况下，例如，在基板上顺序溅射沉积Cu和In层，然后在 含Se气氛中在升高的温度下加热所述经堆叠的薄膜典型地多于约30分钟的时间，如US 4，798，660所描述的。更为近期的US专利6，048，442公开一种方法，该方法包括溅射沉积 包含Cu-Ga合金层和In层以在金属背电极层上形成Cu-Ga/In叠层的经堆叠的前体薄膜， 然后将该前体叠层薄膜与Se和S之一进行反应以形成吸收层。US专利6，092, 669描述了 用于生产这种吸收层的溅射基装置。这样的技术可生产高质量的吸收层和高效的太阳能电 池，然而，它们具有装置高成本和相对低产率的问题。在US专利4，581，108描述的一种现有技术利用低成本的电沉积方法用于金属前 体的制备。在这种方法中，首先在基板上电沉积Cu层。然后进行In层的电沉积和在含有 Se的反应气氛中加热所述经沉积的Cu/In叠层。尽管低成本，但发现这种技术得到具有与 Mo 接触层粘附性差的 CuInSe2 薄膜。在文献("Low Cost Thin Film ChalcopyriteSolar Cells”，Proceedings of 18th IEEE Photovoltaic SpecialistsConf.，1985，1429 页)中 示范了 CIS和CIGS生长的Cu/In和Cu/In/Ga层的电沉积和硒化。一个问题是在太阳能 电池加工中化合物薄膜的剥落。之后，在另一篇参考文献(“Low Cost Methods for the Productionof Semiconductor Films for CIS/CdS Solar Cells，，，Solar Cells, 21 卷，65本文档来自技高网...
【技术保护点】
在基底上生长ⅠＢⅢＡⅥＡ族半导体层的方法，包括；在基底上沉积ⅠＢ族材料薄膜和至少一层ⅢＡ族材料；相互混合ⅠＢ族材料薄膜和至少一层ⅢＡ族材料以形成相互混合的层；和在相互混合的层上形成包括至少一层ⅢＡ族材料亚层和ⅠＢ族材料亚层的金属薄膜。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：BM巴索，
申请(专利权)人：索罗能源公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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