基于多层的电活性膜的制造制造技术

本发明专利技术提供一种具有所需电特性的连续膜，该连续膜通过将两种以上预先制备的纳米粒子的分散体依次印刷和退火而得到。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于多层的电活性膜的制造本专利技术涉及薄膜材料、它们的制造，和由其制造的器件；并且特别涉 及梯度的(graded)和多结薄膜半导体结构体。为了降低半导体器件的成本，特别是光电(PV)电池的成本，目前正在 开发薄膜技术。尽管常规太阳能电池由通常具有数百微米的厚度的固体晶 体硅晶片的薄片制成，薄膜材料可以直接沉积到基底上以形成 2i^m以下 的层，从而导致较少的材料以及较低的生产成本。此外，薄膜技术允许单 片集成，即，原位产生电连接，这进一步降低生产成本。薄膜材料包括镉-碲化物(CdTe)、 二硒化铜铟(CIS)及其变体、非晶硅和 多晶硅(<50 (im)。近年来，技术进步尤其出现在基于CdTe和CIS的薄膜 技术中。两种物质均具有高吸光系数，使得入射辐射的大部分可以被吸收 在膜的1-2pm内。当被用作其中入射光子产生电子-空穴对的吸收体层时， 这些材料可以与例如CdS层配对形成异质结，并且夹在前接触和后接触之 间以形成太阳能电池。为了获得广泛的认同，薄膜PV电池必须显示出光能向电能的高转化 效率，并且在室外环境中可靠地运行多年，理想地不少于30年。基于CdTe 和CIS的技术表现出了长时间稳定性；然而，也观察到了性能退化。现有 薄膜器件的效率达到了理论最大值的65%(在实验室中为75%)，仍然落后 于某些单晶硅和GaAs电池，它们显示出了其最终可实现性能的90%。薄 膜技术的效率的改进可以通过多结和梯度的材料实现。例如，对CIS的研 究揭示了与镓掺杂从而形成被称作CIGS并且显示出Ga和In的浓度梯度 的化合物，导致更高的效率。对于高效率关键的薄膜技术的复杂性不利地影响成本和可制造性，从 而产生对改进技术-特别是经得起用不用定制的装置实现的低成本技术的 需要。开发低成本且可靠的CIGS和CdTe器件的挑战包括用于层沉积的 设备的标准化、厚度小于1 的吸收体层和对在大面积上的膜均一性的 控制。在各种实施方案中，本专利技术提供用于通过将两种以上预先制造的纳米 粒子的分散体依次印刷和退火以制造连续膜的方法。特别地，本专利技术的一 些实施方案使得可用于PV电池和其它半导体器件中的梯度的和多结的半 导体膜的制造变得便利。因为本专利技术不需要真空，所以其实施比基于真空 的技术更便宜且更便利。根据本专利技术的纳米粒子是特定元素组合物的粒子，并且直径不大于100 nm，优选不大于20nm。典型的纳米粒子包括金属氧化物粒子，它们 共同形成粉末。适用于半导体薄膜的一些纳米粒子组合物包含化学元素 Cu、 Ag、 In、 Ga、 Al、 Te、 Se、 S、 Cd和As中的两种以上。然而，应当 强调，本专利技术不限于所述元素，但是本方法通常应用于适合于分散和随后 印刷的纳米粒子的任意组合物。根据本专利技术的技术的优点之一在于，通过 提供对前体纳米粒子的组成控制将薄膜的组成最优化的能力。这使得由具 有特定化学组成的层构成的连续膜的制造变得便利，这允许将这些层的组 成最优化，并且因而允许改善对膜的电特性的控制，并且特别是改善对这 些特性在膜的整个厚度上的变化的控制。根据本专利技术的分散体包括纳米粒子与包含溶剂或分散剂在内的合适可 流动载体的任何(均相)混合物，无论混合物是溶液、胶体或悬浮液。在本 文中将这些纳米粒子的分散体称为"印刷组合物"或"纳米粒子基墨水"。根据本专利技术的方法可以使用各种印刷技术和相应的印刷设备来完成， 所述的印刷技术包括但不限于诸如以下技术喷墨印刷、气动喷雾印刷 (pneumatic spray printing)、丝网印刷、凹版移印、激光印刷、点阵印刷、 感热式印刷平版印刷术或3D印刷。这种通用性对可行性和成本有效性有 贡献。此外，纳米粒子的组成可以通过各种沉积和退火步骤变化。例如， 在本专利技术的一个实施方案中，不同的可印刷组合物包含比例不同的相同元 素的纳米粒子，例如，纳米粒子可以具有式CuIm-xG^Se2，其中x在O和 1之间变化(即，0如),从而导致至少一种元素(在本实例中In和Ga)贯 穿膜的浓度梯度。因此，在第一方面，本专利技术提供制造膜的方法，该方法包括以下步骤 提供基底和可流动的印刷组合物，所述可流动的印刷组合物具有不同的预 先制造的纳米粒子的分散体；以及，将这些印刷组合物的层依次印刷和退火成一个连续膜。在一些实施方案中，依次印刷两个以上的层，之后将它 们退火。此外，在一些实施方案中，在退火之前有蚀刻步骤。单独印刷的 层中的一些可以具有小于1 pm的厚度。在某些实施方案中，印刷组合物含有不同比例的相同类型的纳米粒子， 或比例不同的由相同元素组成的纳米粒子，使得退火层形成具有至少一种 材料的浓度梯度的膜。在备选实施方案中，每种印刷组合物包括不同类型的纳米粒子。在优选的实施方案中，纳米粒子具有不大于20nm的尺寸和 低尺寸分散性。在一些实施方案中，膜包括半导体材料并且与基底电相互作用。此外， 此结构体可以补充有导电覆盖层，从而形成半导体器件。在特别实施方案 中，器件是太阳能电池。在第二方面，本专利技术提供具有基本上非流速依赖性的粘度 (viscosity-independent flow rate)的可流动的印刷组合物。这些印刷组合物含 有载体和纳米粒子的分散体；纳米粒子包括作为第一组分的Cu和/或Ag 以及作为第二组分的Se、 Te和/或S。此外，印刷组合物可以含有作为第 三组分的In、 Ga和/或A1。应当强调，根据本专利技术的方法的实施方案不限于上述印刷组合物。从以下的结合附图的专利技术详述，将更易于理解以上讨论。附图说明图1是详述通过依次印刷和退火制造膜的方法的步骤的流程图。图2示意性地示出根据本专利技术的一个实施方案的制造膜的系统和方法。图3A是根据本专利技术制造的代表性太阳能电池的示意性正视图。 图3B是梯度的CIGS膜以及由其制造的太阳能电池的示意性正视图，所述梯度的CIGS膜通过以下方法制造首先沉积全部组成层，然后退火一次，从而制备连续膜。1.制造方法首先参照图1和2，它们分别示出实施本专利技术的实施方案的代表性工 艺顺序100和操作设备。工艺顺序包括在图1的流程图中详述的步骤，利 用设备并且产生图2中示出的中间和最终结构体。在第一步骤110中，提 供基底200和多种可流动的印刷组合物，如以下进一步描述的，所述可流动的印刷组合物包含不同的预先制造纳米粒子的分散体。印刷组合物202a 被选择用于在步骤112中的第一层，在步骤114中，使用印刷机204将此 组合物印刷到基底200上。在以下将描述的一些方案中，在印刷之后进行 蚀刻步骤116。在任选的步骤118中，使用热源206将沉积层干燥和退火 以形成连续膜208。用"退火"表示在足够的温度将沉积层加热足够的时 间，使纳米粒子熔合成均一组成的连续层。是否在特定层的沉积之后进行 退火取决于印刷组合物、层厚度和所需膜特性的细节。然而，通常，组合 物在其上沉积随后的组合物之前进行干燥。退火源206可以是任何合适的 热源，例如烘箱、真空烘箱、炉、IR灯、激光或电热板，而取决于纳米粒 子尺寸和组成以及墨水组成的合适的退火时间和温度可以在无需过度试 验的条件下，如通过以下在印刷设备的上下文中所描述的校准得到。退火 温度通常高于200°C。重复步骤112、 114，和任选地重复步骤116、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造膜的方法，所述方法包括以下步骤：　ａ．提供基底和多种可流动的印刷组合物，每一种所述可流动的印刷组合物都包含不同的预先制备的具有特定元素组成的纳米粒子的分散体，并且所述纳米粒子的平均尺寸为不大于１００ｎｍ；　ｂ．将所述印刷组合物中 的一种的层印刷到所述基底上；　ｃ．将所述印刷层退火以形成连续膜；和　ｄ．用另一种或同一种印刷组合物重复步骤（ｂ）和（ｃ）以形成膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：奈杰尔皮克特，詹姆斯哈里斯，
申请(专利权)人：纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]