用于大规模ＣＩＧＳ基薄膜光伏材料的室内钠掺杂方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及用于大规模ＣＩＧＳ基薄膜光伏材料的室内钠掺杂方法和系统。本文提供了一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法，包括提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底。该方法进一步包括在第一室内利用第一溅射工艺由包含铜物种和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层。另外，该方法包括在第一室内利用第二溅射工艺由包含铟物种的第二靶形成覆盖铜和镓层的铟层。该方法进一步包括在第一室内利用第三溅射工艺形成覆盖铟层的含钠层，由此形成包括所述铜和镓层、铟层以及含钠层的复合膜。另外，该方法包括使该复合膜经历至少一个热处理工艺而形成其中包含铜、铟、镓和钠的黄铜矿吸收层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及光伏材料和生产方法。更具体而言，本专利技术提供了用于制造薄膜太阳能电池的方法和结构。仅为举例的方式，本专利技术方法包括用于基于大规模成批系统来生产黄铜矿结构的(chalcopyrite structured)薄膜光伏电池的室内(舱内或箱内， in-chamber)钠掺杂，但是应该认识到，本专利技术可以具有其他的构造设计。
技术介绍
从一开始，人类都在努力找到利用能量的方式。能量以诸如石化产品、水电、核能、 风能、生物质能、太阳能的形式，以及诸如木材和煤的更基本形式出现。在过去的世纪里，现代文明已经依赖于石化产品能量作为重要的能量来源。石化产品能源包括气和油。气包括诸如丁烷和丙烷的较轻质形式，通常用于家用加热并作为用于烹饪的燃料。气还包括汽油、 柴油和喷气燃料，常常用于交通运输目的。石化产品的较重质形式在某些地方也能够用于家用加热。不幸的是，石化产品燃料的供给是有限的并且基于地球上可获得的量基本上是固定的。另外，由于更多人使用石油产品的量正在增加，所以它正迅速地变成稀缺资源，其随着时间将最终被耗尽。更近地，环境清洁和可再生能源已经成为所期望的。清洁能源的一个实例是水电能。水电能来源于通过水坝如内华达州的胡夫水坝(Hoover Dam)产生的水流驱动的发电机。所产生的电能用于为加利福利亚州洛杉矶市的大部分供电。清洁和可再生能源还包括风能、波能、生物质能等。即，风磨将风能转化成更有用的能量形式如电。还有其他类型的清洁能源包括太阳能。太阳能的具体细节能够在整个本专利技术背景并且更具体而言在以下描述中能够找到。太阳能技术一般将太阳的电磁辐射转化成其他有用的能量形式。这些其他的能量形式包括热能和电能。对于电能应用，经常使用太阳能电池。尽管太阳能是环境清洁的并且已经在一定程度上是成功的，但是在其被全世界范围内广泛使用之前还有许多局限(或限制)有待解决。作为一个实例，一种类型的太阳能电池利用晶体材料，其来源于半导体材料晶锭。这些晶体材料可以用于制造光电器件，包括将电磁辐射转化成电能的光伏和光电二极管器件。然而，晶体材料经常成本高昂并且难以大规模制备。另外，由这样的晶体材料制成的器件(装置，device)经常具有较低的能量转化效率。其他类型的太阳能电池利用 “薄膜”技术形成光敏材料的薄膜，用于将电磁辐射转化成电能。在制造太阳能电池中使用薄膜技术存在类似的限制。即，效能经常很差。另外，膜可靠性经常也较差并且不能在传统环境应用中使用很长时间。经常地，薄膜很难相互机械地整合在一起。此外，形成于含钠衬底上的电极层和上覆吸收层(在上方的吸收层，overlying absorber layer)的整合也存在问题，尤其对于大规模生产更是如此。这些传统技术的这些和其他局限性能够在本说明书通篇中并且更具体而言在以下内容中发现。
技术实现思路
本专利技术一般涉及光伏材料和生产方法。更具体而言，本专利技术提供了一种用于制造薄膜太阳能电池的方法和结构。仅以举例的方式，本专利技术方法包括基于大规模成批系统的用于生产黄铜矿结构的薄膜光伏电池的室内钠掺杂，但是应该认识到，本专利技术可以具有其他的构造设计。在一个具体实施方式中，本专利技术提供了一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法。 该方法包括提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底。另外，该方法包括在第一室内利用第一溅射工艺，由包含铜物种(物质，species)和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层 (overlying copper and gallium layer)。该方法进一步包括在该第一室内利用第二溅射工艺，由包含铟物种的第二靶形成覆盖(上覆在...上，overlying)铜层和镓层的铟层。另外，该方法包括在该第一室内利用第三溅射工艺形成覆盖铟层的含钠层 (sodium bearing layer)。由此形成包括该铜和镓层、铟层以及含钠层的复合膜。此外，该方法包括使该复合膜经历至少一个热处理工艺以形成其中包含铜、铟、镓和钠的黄铜矿吸 ^CM ( chalcopyrite absorber layer)。在另一个具体实施方式中，本专利技术提供了一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法。该方法包括提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底。该方法包括在第一室内利用第一溅射工艺，由包含铜物种和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层。另外，该方法包括在该第一室内利用第二溅射工艺，由包含铟物种的第二靶形成覆盖该铜和镓层的铟层。该方法进一步包括将包括覆盖铜层的铟层的透明衬底转移到第二室，同时没有破坏该第一室和第二室之间的真空以维持该铜镓层和铟层基本上没有湿气(moisture，水分)。另外，该方法包括在该第二室内利用第三溅射工艺，形成覆盖该铟层的含钠层。最后，形成包括该铜和镓层、铟层以及含钠层的复合膜。此外，该方法包括使该复合膜经历至少一个热处理工艺以形成其中包含铜、铟、镓和钠的黄铜矿吸收层并且包括将该复合膜的透明衬底维持在基本上无湿气的环境中。在另一个可替换实施方式中，本专利技术提供了一种加工光伏吸收材料的方法。该方法包括提供一种具有上覆钼层的衬底。另外，该方法包括形成覆盖钼层的含钠层。另外，该方法包括形成覆盖含钠层的包含铜、镓和铟的前体层。此外，该方法包括使该前体层经历热处理工艺以形成包括其中含有铜、铟、镓和钠的黄铜矿结构的光伏吸收层。在一个具体实施方式中，形成含钠层通过在混有铜和镓的含Na2SeO3(其中总计8at%的钠)的靶上溅射而实施。在另一个具体实施方式中，前体层的热处理在含硒的气体环境中实施。许多益处能够通过应用本专利技术而实现。具体地，钠掺杂工艺用作一个对于形成铜基黄铜矿结构的高效光伏吸收层的重要步骤。本专利技术提供了一种利用室内溅射工艺来实施钠掺杂的有效方式，从而在形成的吸收前体层中实现良好控制的钠浓度。该方法简化了掺杂工艺，其中利用可选的可互换的顺序实施导致形成铜、镓和铟基复合膜的一个或多个溅射工艺。室内钠掺杂对于复合膜可以在同一个溅射室内(可以是在不同的隔间)或在不同的室内实施，它们都可以构造成大规模成批系统的部分。当然，可以有其他的变形、修改和替代。这些和其他的优势可以在整个本专利技术说明书而尤其是以下内容中进行描述。附图说明图1是举例说明根据本专利技术一个实施方式的一种制造薄膜光伏电池的方法的简化流程图；图2 6是举例说明根据本专利技术某些实施方式的包括用于制造薄膜光伏电池而包含一系列工艺和结构的方法的示意图。具体实施例方式本专利技术一般涉及光伏材料和生产方法。更具体而言，本专利技术提供了一种用于制造薄膜太阳能电池的方法和结构。仅以举例的方式，本专利技术方法包括基于大规模成批系统用于生产黄铜矿结构的薄膜光伏电池的室内钠掺杂，但是应该认识到，本专利技术可以具有其他构造设计。图1是举例说明根据本专利技术一个实施方式的一种制造薄膜光伏电池的方法的简化流程图。该图仅是一个实例，不应该过度地限制本文所附权利要求的范围。方法1000包括以下工艺1.工艺1010，用于提供覆盖有第一电极层的透明衬底；2.工艺1020，用于在第一室内利用第一溅射工艺形成覆盖第一电极层的铜和镓层；3.工艺1030，用于在该第一室内利用第二溅射工艺形成覆盖铜和镓层的铟层；4.工艺1040，用于在该第一室内利用第三溅射工艺形成覆盖铟层的含钠层，由此 (1050)形成包括该铜和镓层、铟层和含钠层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法，所述方法包括：提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底；在第一室内利用第一溅射工艺，由包含铜物种和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层；在所述第一室内利用第二溅射工艺，由包含铟物种的第二靶形成覆盖所述铜和镓层的铟层；在所述第一室内利用第三溅射工艺，形成覆盖所述铟层的含钠层，由此形成包括所述铜和镓层、所述铟层以及所述含钠层的复合膜；以及使所述复合膜经历至少一个热处理工艺以形成其中包含铜、铟、镓和钠的黄铜矿吸收层。

【技术特征摘要】
US 2009-9-23 12/565,7491.一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法，所述方法包括 提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底；在第一室内利用第一溅射工艺，由包含铜物种和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层； 在所述第一室内利用第二溅射工艺，由包含铟物种的第二靶形成覆盖所述铜和镓层的铟层；在所述第一室内利用第三溅射工艺，形成覆盖所述铟层的含钠层，由此形成包括所述铜和镓层、所述铟层以及所述含钠层的复合膜；以及使所述复合膜经历至少一个热处理工艺以形成其中包含铜、铟、镓和钠的黄铜矿吸收层。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述透明衬底包括钠钙玻璃衬底。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电极层包含双层钼材料。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述黄铜矿吸收层包括具有钠掺杂的 CuInSe2(CIS) ^CuIn(Ga)Se2 (CIGS)或 CiJn (Ga) & 的化合物半导体。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述黄铜矿吸收层在热处理工艺之后在整个所述吸收层中包含平均原子密度为约5 X IO19原子/cm3的钠。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一溅射工艺能够在所述第二溅射工艺之后实施，以使所述铜和镓层覆盖所述铟层。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三溅射工艺能够在所述第二溅射工艺之后实施，接着是所述第一溅射工艺，以使所述含钠物种形成在所述铟层与所述铜和镓层之间。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三溅射工艺使用分布在宿主材料中的具有均勻组成的所述钠物种的含钠靶。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一溅射工艺、所述第二溅射工艺和所述第三溅射工艺在同一个室内但在不同隔间中实施。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理工艺在从室温升高至超过约500°C 或更高的温度下实施。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热处理工艺在流体硒化物或流体硫化物环境中实施。12.一种利用溅射工艺加工光伏材料的方法，所述方法包括 提供至少一个具有上覆第一电极层的透明衬底；在第一室内利用第一溅射工艺，由包含铜物种和镓物种的第一靶形成上覆铜和镓层； 在所述第一室内利用第二溅射工艺，由包含铟物种的第二靶形成覆盖所述铜和镓层的铟层；将包括覆盖所述铜层的所述铟层的所述透明衬底转移到第二室，同时没有破坏所述第一室和第二室之间的真空以将所述铜镓层和铟层维持为基本上无湿气；在所述第二室内利用第三溅射工艺，形成覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特D维廷，
申请(专利权)人：思阳公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]