[发明专利]整合连接层的光电活性的、基于硫属元素的薄膜结构

说明书

优先权

本非临时专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求Gerbi等于2010年3月17日提交的序列号为61/314,840和题名为“基于硫属化物的材料及制备这种材料的改进方法(CHALCOGENIDE-BASED MATERIALS AND IMPROVED METHODS OF MAKING SUCH MATERIALS)”的美国临时专利申请的优先权，其中所述临时专利申请整体引入本文作为参考。

发明领域

本发明涉及制备基于硫属化物的光吸收材料以及涉及引入这些材料的光伏器件。更具体地，本发明涉及用于制造基于硫属化物的光吸收结构的方法，其中使用具有相对细粒结构的第一含硫属元素薄膜提高整体的电子性能，减少电缺陷，降低整体成本和/或增强第二含硫属元素薄膜对下层衬底的粘附性。

发明背景

n型硫属化物材料和/或p型硫属化物材料都具有光电功能性(本文中也称为光电活性、光吸收或光敏功能性)。当引入到光伏器件中时，这些材料吸收入射光并产生电输出。因此，这些基于硫属化物的光吸收材料在功能性光伏器件中已被用作光伏吸收区。这些组合物下文统称作光电活性的、基于硫属元素(PACB)组合物。

说明性PACB组合物通常包括铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和/或铝(Al)中的至少一种或多种的硫化物、硒化物和/或碲化物。硒化物和硫化物比碲化物更常见。具体的硫属化物组合物在工业上以如CIS、CIGS、CIGSS、CIG、CIGT、CIGAT等首字母缩写词指称以表明组合物成分。

根据一种提出用于制造PACB结构的技术，在初始阶段使用沉积方法在一个或多个层中沉积和/或共沉积所需的PACB成分以形成前体薄膜。在该阶段，前体薄膜中可能不包含至少一部分和有时所有的硫属元素。而是，可以在随后的加工阶段中全部或一部分硫属元素通过硫属元素化(chalcogenization)引入到前体中。硫属元素化往往涉及硫属元素存在下前体薄膜的热处理。这种热处理不仅将硫属元素引入前体中，而且将薄膜的晶体结构转换为更适合光敏功能性的晶形。由于硫属元素化是在所述前体至少部分形成后发生的，工业上称这些技术为“后硫属元素化(post-chalcogenization)”工艺。

这种方法有很多严峻的挑战需要克服。作为一个挑战，使前体硫属元素化倾向于引起薄膜的显著体积膨胀和/或前体中成分的显著扩散。这些机制可以导致降低粘附、诱导应力和/或引起其他问题的机械应力。此外，作为前体硫属元素化的结果，倾向于在邻近背面接触(例如，许多情况下的钼层)的薄膜底部的大部分中形成非常大的空隙。这些大的空隙倾向于引起PACB层和背面接触层之间的粘附问题。电子性能和使用寿命也受到严重影响。这些大的空隙也可诱导导致分层、破裂等的机械应力。仍然非常希望找到一种方式来改进、减少或甚至消除最终PACB薄膜中这些空隙的总数、大小和甚至位置。还非常希望能够提高这些PACB薄膜的粘附特性。在卷对卷(roll-to-roll)工艺中，粘附性问题变得更为关键，特别是当使用诸如丝网印刷的技术形成如集电栅的特征时。

作为另一个缺点，用于形成PACB薄膜的原料是相当昂贵的。非常希望降低这些成本。完成这一目标的一种方式是沉积更薄的PACB薄膜，从而使每个器件使用更少的材料。然而，随着厚度减小，更薄的PACB薄膜的电特性倾向于受到严重损害且甚至失效。仍然需要找到一种方法以溅射或以其他方式形成仍将提供足够电特性的较薄的PACB薄膜。

发明概述

本发明提供了改进的含硫属元素的光伏结构，以及相关的组合物、整合了这些结构的光伏器件、制备这些结构和器件的方法，和使用这些结构和器件的方法。根据本发明的原理，通过使用含硫属元素的连接层(tie-layer)提高了PACB组合物的粘附性。在本发明的典型的方法中，连接层最初是形成在衬底上，然后PACB组合物形成在该连接层上。

连接层不仅提高粘附性，也提高所得到的器件的整体电性能。例如，与没有连接层的其他类似的器件相比，数据已经表明，整合了在这样的连接层上形成的PACB组合物的光伏电池倾向于具有较高的平均效率、较低的器件间性能变异性、在大的波长范围内更好的光吸收以及减少大尺度的缺陷。值得注意的是，连接层还允许形成更薄的、高质量的PACB薄膜，其在连接层缺乏时是不可能形成的。本发明的原理良好地适用于工业规模的工艺，包括卷对卷加工，其可能涉及丝网印刷以沉积器件特征或其前体，如集电栅。