[发明专利]基于多层的电活性膜的制造

说明书

本发明涉及薄膜材料、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～2μm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(＜50μm)。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1-2μm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1μm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，本发明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，本发明的一 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。因为本发明不需要真空，所以其实施比基于真空 的技术更便宜且更便利。

根据本发明的纳米粒子是特定元素组合物的粒子，并且直径不大于 100nm，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，本发明不限于所述元素，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。根据本发明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。

根据本发明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”。

根据本发明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， 在本发明的一个实施方案中，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CuIn_1-xGa_xSe₂，其中x在0和 1之间变化(即，0≤x≤1)，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。