[发明专利]一种通过卷对卷过程制备半导体膜的化学浴沉积设备

说明书

有关申请的交叉引用

本发明要求美国专利申请No.13/154,481的优先权,该专利申请于2011年6月7日提交且于2011年10月20日公布，公布号为No.US2011/0256656A1,该专利申请通过引用方式结合于此。

技术领域

本专利发明涉及一种可用于在卷对卷过程中在连续传送的柔性基板上沉积半导体薄膜的化学浴沉积（CBD）设备及其方法,它对于沉积硫化镉（CdS）或硫化锌（ZnS）半导体膜以制备薄膜太阳能电池是尤其有用的。

背景技术

光伏技术是在全球变暖以及化石燃料正在耗尽的背景之下而发展起来的。传统能源的取代包括核能与可再生能源，其中核能在将来也会被耗尽。更有甚者，源于核能的潜在放射性污染可能对我们的环境带来严重的问题，特别是在最近的日本核电站事故之后。所以，我们的未来也许极大依赖于可再生能源。光伏器件，或称太阳能电池，在可再生能源中正发挥着主导作用，其巨大的未来需求显著推动着光伏技术的发展。目前的第二代光伏器件，即薄膜太阳能电池，已经出现在全球光伏市场上。它们现在包括三种主要类型：非晶硅、铜铟镓硒（CIGS)和碲化镉（CdTe）。在此薄膜太阳能电池的家族中,非晶硅电池具有低的转换效率，但对于一种三重结的设计,其转换率仍可高达13%，此外，它还有另一个能量随着最初的光照而退化的问题，但其技术却是相对成熟的。不同的是，铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池具有高达20%的最高光电转换率,高于碲化镉(CdTe)电池效率的17%。在元素周期表中,铜铟镓硒吸收膜的元素位于IB-IIIA-VIA族而碲化镉吸收膜的元素则位于IIB-VIA族,这些吸收材料都属于多组份P型半导体，对于这种半导体材料而言，不同组份的分布、化学计量关系均可决定材料的质量。

铜铟镓硒（CIGS）与碲化镉（CdTe）太阳能电池二者均包含吸收/缓冲薄膜层的堆集，以产生有效的光伏异质结。一个包含一高电阻层(该层有一个透射太阳光到吸收/缓冲界面的禁带)和一旨在减小阻抗损失及提供电接触的低电阻层的金属氧化物窗口被沉积于吸收/缓冲的表面上。这种设计显著减少了电荷载流子在窗口层以及/或者在窗口/缓冲界面的重新组合,因为大多数电荷载流子的产生与分离是局限于吸收层内部的。一般说来,铜铟镓硒太阳能电池是一个位于元素周期表IB-IIIA-VIA组别的化合物半导体的典型,而这些化合物半导体由位于IB组(铜、银、金),IIIA组(硼、铝、镓、铟、铊)和VIA组(氧、硫、硒、碲、钋)的元素所构成，而这些元素是优异的薄膜太阳能电池吸收层材料。尤其是,包含铜、铟、镓、硒和硫的化合物一般表示为CIGS(S),或Cu(In,Ga)(S,Se)₂或CuIn_1-xGa_x(S_ySe_1-y)_n,这里0≤x≤1,0≤y≤1且n大约为2,并且已经被应用于可产生大约20%光电转换率的太阳能电池的结构中。此处，Cu(In,Ga)(S,Se)₂意指具有Ga/(Ga+In)和Se/(Se+S)的摩尔比从0到1的整个化合物家族,应指出的是，Ga/(Ga+In)以及Cu/(Ga+In)的摩尔比是决定铜铟镓硒太阳能电池组成和转换率非常重要的因素。一般而言，一个好的CIGS太阳能电池要求Cu/(Ga+In)的比率处在0.75至0.95之间,而Ga/(Ga+In)的比率则在0.3至0.6之间。相较于CIGS,CdTe太阳能电池的组成要简单得多。一般说来,镉在CdTe膜中的含量接近50%。然而，镉的含量在硫化镉层的沉积及随后的退火程序后可能改变。例如,在靠近p-n结界面处，形成CdS_xTe_1-x层，x的含量通常不超过0.06，然而，x可从0改变到1，这导致CdTe(x=0)到CdS(x=1)的不同化合物构成。