薄膜太阳能电池的Kesterite层制造制造技术

在衬底上真空沉积Kesterite膜并对其进行退火。沉积在低温下进行以提供良好的组分控制和有效的金属使用。在高温下进行短时长的退火。可采用在高真空环境中热蒸发、电子束蒸发或溅射作为沉积方法的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】方法
本专利技术涉及物理科学。更具体地说，本专利技术涉及制造技术以及类似的技术。
技术介绍
目前，(联)硒化铜铟镓(也称为Cu2InGa (S，Se)4或CIGS)以及碲化镉(CdTe)是为用于薄膜太阳能电池(solar cell)而开发的主要材料。对于CIGS材料而言，铟和镓的价格很高。由于近年来对平板显示用氧化铟锡(ITO)的需求不断增加，铟的价格也在持续上涨。对于CdTe而言，镉具有毒性，而碲十分稀有。当相对丰富的铜和锌替代CIGS材料中发现的镓和铟时，包含铜、锌、锡、硫和/或硒的吸收材料提供更经济的候选者。
技术实现思路
本专利技术的原理提供在衬底上形成吸收层的技术；例如，在用于太阳能电池的衬底上沉积Cu2ZnSn(SxSe4^x)(其中x在O至4之间变化)薄膜(“CZTSSe”)。在一方面，一种示例性方法包括提供衬底，将所述衬底置于高真空环境，在将所述衬底的温度保持在足够低的范围内以使得沉积于所述衬底上的材料的再蒸发不显著的同时，通过热蒸发将硫和硒中的至少一种以及铜、锌、锡沉积在所述衬底的表面上，从而形成适合太阳能电池应用的吸收层，并且在显著高于所述沉积步骤期间保持的温度的第二温度下，对所述衬底上沉积的所述吸收层进行退火。在另一方面，一种示例性方法包括以下步骤:提供具有基本平面表面的衬底，在将所述衬底的温度保持在足够低的范围内以使得沉积于所述衬底上的材料的再蒸发不显著的同时，将硫和硒中的至少一种以及铜、锌、锡真空沉积在所述衬底的所述基本平面表面上，从而形成适合太阳能电池应用的吸收层，在超过300°C的温度下对所述衬底上沉积的所述吸收层进行退火，在 所述吸收层上设置发射层，以及在所述发射层上方设置窗层。在本专利技术的又一方面，一种示例性方法包括提供具有基本平面表面的衬底；将所述衬底的温度保持在100-200°C之间；将S和Se中的至少一种以及Cu、Zn、Sn真空沉积在所述衬底的所述基本平面表面上，从而在所述基本平面表面上形成适合太阳能电池应用的吸收层，以及在300-600°C之间的温度下对所述衬底上真空沉积的所述吸收层进行退火。如在此使用的那样，“便于”某个动作包括执行动作，使动作更简单，有助于实施动作或导致动作被执行。因此，通过实例而非限制，在一个处理器上执行的指令可以便于通过发送导致或帮助执行操作的合适数据或命令来通过一个制造或测试设备或在远程处理器上执行的指令而实施的某个动作。为避免疑义，在动作者便于某个动作而非执行该动作时，该动作仍然由某个实体或实体组合来执行。本专利技术的一个或多个实施例或它们的要素(例如，对沉积、退火或相关制造或测试方法的计算机控制)可以包括计算机可读存储介质的计算机产品的形式实现，所述计算机可读存储介质具有用于执行所述方法步骤的计算机可用程序代码。此外，本专利技术的一个或多个实施例或它们的要素可以系统(或设备)的形式实现，所述系统(或设备)包括存储器、至少一个处理器，所述处理器与所述存储器耦合并被操作为执行示例性方法步骤。仍进一步地，在再一方面，本专利技术的一个或多个实施例或它们的要素可以用于执行此处描述的一个或多个方法步骤的装置(means)的形式实现；所述装置可以包括(i)硬件模块；(ii)软件模块，或者(iii)硬件和软件模块的组合；(i)-(iii)中的任一项实现此处阐述的特定技术，并且所述软件模块被存储在计算机可读存储介质(或者多个此类介质)中。本专利技术的技术可提供大量有益的技术效应。例如，一个或多个实施例可以提供以下优点中的一个或多个: 在真空沉积期间，可单独控制每种元素的通量以实现精确组成； 可在沉积期间加热衬底； 可同时沉积包括kesterite材料的所有元素； 所采用的方法是对环境安全的。附图说明 现在将参考附图，仅通过实例描述本专利技术的实施例，在附图中:图1是用于通过热蒸发沉积吸收层的系统的示意性示例；图2-10示出示例性方法流程的连续步骤；图11示出根据示例性方法流程制造的太阳能电池器件；图12示出根据本专利技术制造的太阳能电池的电流电压特性；图13示出根据本专利技术制造的太阳能电池的量子效率谱，以及图14示出在实现本专利技术的一个或多个方面和/或要素中可使用的计算机系统。具体实施例方式Kesterite (也称为Cu2ZnSnSxSex_4或CZTSSe)有希望实现低成本、可再生的太阳能电池，这是因为所用的全部元素都很廉价且储量丰富。与需要相对昂贵元素铟和镓的CIGS吸收体不同，锌和锡可容易地以合理价格获取，已通过各种技术沉积kesterite膜，这些技术包括热蒸发、溶液法、电镀、溅射和类似的技术。溶液法可获取联氨，联氨兼具爆炸性与毒性。溅射技术和电镀典型地包括Cu/Zn/Sn合金的沉积以及随后使用H2S或S进行退火超过两小时。大多数制造流程需要进行高温退火(>500°C)以生长用于kesterite吸收层的大颗粒。常用的高温退火法包括在具有流动的H2S气体的炉中执行退火，以及在具有足够S蒸气压的密封管内执行退火。这些方法可出现温度不均匀、高温下Sn、S和/或Se的损耗，表面光滑度和颗粒尺寸控制的一种或多种问题。此外，它们通常需要长时间来进行退火处理，例如在退火温度下从I到3小时，另外还需要1-3小时的冷却时间。替代高温退火，另一方法是在高衬底温度(>400°C )下沉积材料。此方法不需要长时间退火，但是Sn/Zn损耗很大，材料利用不充分。本专利技术的一个或多个实施例通过使用热板，只需要五(5)至二十(20)分钟的退火时间。不需要H2S密封舱。热蒸发是这样一种技术:其一般包括在高真空条件下加热固体源以产生迁移到被加热的衬底的原子或原子团。这些原子在衬底表面上扩散并在其上形成膜。用于进行热蒸发的系统一般包括聚焦在衬底加热器上的泻流室(effusion cell)。泻流室包含用于形成所述膜的组成元素。可设置用于旋转衬底以提高薄膜形成均匀性的机构。使用热蒸发沉积技术的系统是所属领域技术人员公知的。现在参考图1，该图提供了对用于通过热蒸发沉积kesterite的元素的系统20的示意性示例。出于该应用的目的，将使用术语“kesterite”表示由硫和硒中的至少一种以及铜、锌、锡的组合。kesterite可以包含硫但不包含硒,包含硒但不包含硫，或者既包含硫也包含硒。将相应地使用术语“CZTS”表示包含硫但不包含硒的kesterite,使用术语“CZTSe”表示包含硒但不包含硫的kesterite。既包含硫也包含硒的kesterite应被表示为“CZTSSe”。本专利技术的原理适用于形成可用于太阳能电池应用的CZTS, CZTSe和CZTSSe吸收层。系统20包括能够保持高真空的真空室22。在下面描述的示例性方法中，真空室保持在10_8乇。优选10_6乇至10_8乇的范围，但其它真空范围也可提供可接受的结果。为铜、锌和锡提供泻流室24。为硫和硒提供裂化室(cracking cell)26。如果将形成于衬底28上的吸收层不包含硒，则只需一个裂化室。优选地采用用于旋转衬底28的装置，但本图中未示出该装置。图2-10示出使用本专利技术的原理在制造光伏器件中使用的优选方法的示例性处理步骤。该示例性方法中的衬底28包括厚度为I至3mm，上面通过溅射涂有钥的钠钙玻璃(SLG)30。在该实例中厚度为约本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.10.26 US 12/911,8331.一种方法，包括: 提供衬底； 将所述衬底置于高真空环境； 在将所述衬底的温度保持在足够低的范围内以使得沉积于所述衬底上的材料的再蒸发不显著的同时，通过热蒸发将硫和硒中的至少一种以及铜、锌、锡沉积在所述衬底的表面上，从而形成适合太阳能电池应用的吸收层；以及 在显著高于所述沉积步骤期间保持的温度的第二温度下，对所述衬底上沉积的所述吸收层进行退火。2.根据权利要求1的方法，其中沉积期间的温度范围介于100-200°C之间，且所述第二温度高于500°C。3.根据权利要求2的方法，其中在存在硫的条件下对所述衬底进行退火。4.根据权利要求2的方法，其中通过泻流室沉积所述铜、锌和锡。5.根据权利要求4的方法，其中通过裂化室沉积硫和/或硒。6.根据权利要求5的方法，其中在所述衬底上同时沉积所述铜、锌、锡以及硫和/或硒。7.根据权利要求6的方法，其中所述衬底包括玻璃，所述玻璃的表面包括钥涂层，所述吸收层被沉积在所述钥涂层上。8.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤: 在所述吸收层上设置发射层，以及 在所述发射层上沉积窗层。9.根据权利要求1的方法，还包括在热蒸发之前，以非元素形式提供所述硫和硒中的至少一种以及所述铜、锌、锡中的一种或多种。10.根据权利要求1的方法，其中所述硫和硒中的至少一种以及所述铜、锌、锡以约3至5nm/分钟的速率沉积。11.一种方法，包括: 提供具有基本平面表面的衬底； 在将所述衬底的温度保持在足够低的范围内以使得沉积于所述衬底上的材料的再蒸发不显著的同时，将硫和硒中的至少一种以及铜、锌、锡真空沉积在所述衬底的所述基本平面表面上，从而形成适合太阳能电池应用的吸收层； 在超过300°C的温度下对所述衬底上真空沉积的所述吸收层进行退火； 在所述吸收层上设置发射层；以及 在所述发射层上方设置窗层。12.根据权利要求11的方法，其中以元素形式将所述铜、锌、锡中的至少一种以及硫和硒中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克嘉，G·苏普拉提克，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：
国别省市：