[发明专利]制造薄膜太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将太阳能转化成电力的太阳能电池制造。

背景技术

太阳能电池将太阳的能量转化成电力。这是一种不会导致温室的可再生能源。最广为人知的太阳能电池被配置为形成于n型与p型半导体之间的大面积p-n结。p-n结产生偏压。太阳光射入时带有许多颜色，包含低能红外光子、高能紫外光以及在两者之间的所有可见光。被原子吸收的具有足够高能量的光子可以将电子提升到较高激发态，并且产生电子-空穴对（electron-hole pair）。如果在此场区内或附近产生电子-空穴对，那么所述电子-空穴对将电子扫向n侧并且将空穴扫向p侧。当所述侧连接到外部电路时，电流将从p侧通过可能的负载流向n侧。

传统上使用硅（Si）作为吸光物来制造太阳能电池，所述吸光物使用厚度范围为180μm到330μm的单晶或多晶硅的晶片。晶片经历若干道工艺步骤，然后被整合于模块中。使用硅的太阳能电池因材料和工艺成本高而昂贵。为了实现在大规模下成本较低和可制造性得到改进的目的，在过去的三十年中已开发了薄膜技术。薄膜太阳能电池技术的主要优点在于其与硅太阳能电池相比成本较低。它们与在相对低成本的衬底（例如玻璃、金属箔以及塑料）上沉积有约1μm到3μm厚的吸收层的硅晶片相比，通常薄100倍。其可以在较低温度下连续沉积于大片面积上。其可以容许原料有较多杂质。其可以容易地整合到单片互连模块中。作为参考，薄膜太阳能电池中吸收层的半导体薄膜厚度比人类头发薄约10倍。薄膜太阳能电池通常由5到10个不同的层组成，所述层的功能包括降低电阻、形成p-n结、减少反射损耗以及提供用于电池之间接触和互连的稳固层。

薄膜太阳能电池技术之一是铜铟镓二硒化物（CIGS），其是最具成本效益的发电技术。这是由于以下事实：已用约1μm到3μm薄的Cu(InGa)Se₂吸收层实现了高效率的CIGS太阳能电池。另一优点在于CIGS太阳能电池和模块已在户外领域中显示极佳的长期稳定性。另外，与结晶硅太阳能电池相比，CIGS太阳能电池显示高辐射电阻。

用Cu(InGa)Se₂/CdS结在具有金属（例如钼）后触点的衬底配置中构筑CIGS太阳能电池。在涂布钼的衬底上形成Cu(InGa)Se₂吸收层，然后在CIGS层上沉积n型CdS层之后，在Cu(InGa)Se₂与CdS层之间形成结。然后，在CdS层上沉积透明ZnO层，接着沉积前触点层。

镓相对于铜和铟的比率是太阳能电池效率的关健。哈姆达A.阿勒萨尼（Hamda A.Al-Thani）等人（NREL报告7540-01-280-55002001年1月)报导了CIGS薄膜太阳能电池效率与化学组成的关系。随后针对Cu、Ga、In以及Se使用不同的溅射压力条件或固定的物理气相沉积速率在Mo膜上沉积CIGS膜。据报导，太阳能电池效率在12.35%与15.99%之间。铜成分为从23.76原子%到24.84原子%不等，铟成分为从17.01原子%到18.11原子%不等，镓成分为从6.38原子%到7.72原子%不等，并且硒成分为从50.44原子%到53.26原子%不等。还报导了Ga/(In+Ga)的原子比是在0.261与0.312之间变化。

多种薄膜沉积方法已用于制造Cu(InGa)Se₂半导体层，包括真空共蒸发、真空溅射和电镀。

Cu、In、Ga以及Se从各自靶材共蒸发是广泛使用的途径之一。这些方法之一是在涂布Mo的衬底的衬底上共蒸发元素In、Ga以及Se，接着共蒸发元素Cu和Se。另一方法是在金属化衬底上真空沉积Cu-Ga合金，接着真空沉积铟，从而获得Cu-Ga/In堆叠。然后，使Cu-Ga/In的堆叠在硒氛围下发生硒化，形成Cu(InGa)Se₂半导体薄膜。另一方法是两阶段共蒸发工艺。第一步骤涉及依序沉积铜和镓，并且共沉积铟和硒。这一步骤后紧跟着是第二阶段，其中使衬底在硒存在下退火，并且沉积铜薄层以中和表面上的过量铟和镓，从而形成CIGS吸收层。真空沉积工艺的主要问题是设备成本高和材料利用率低。

生成Cu(InGa)Se₂半导体薄膜的另一技术是电化学沉积。在1983年，巴塔查亚（Bhattacharya）（美国电化学学会杂志（J.Electrochem.Soc）,130,第2040页,1983年）首次证实了铜-铟-镓-硒可以通过电沉积工艺来制成。从那以后，已报导了数项研究。这些研究集焦于共电沉积工艺。