[发明专利]薄层太阳能电池的层系统

说明书

技术领域

本发明涉及薄层太阳能电池的层系统和用于制造该层系统的方法。

背景技术

太阳能电池和太阳能模块的薄层系统是充分已知的，并且视衬底和所施加的材料而定以不同的实施方案存在于市场上。材料被选择为使得最大地利用入射的太阳光谱。由于物理特性和工艺可操作性，具有无定形硅、非微晶硅或多晶硅、碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、铜-铟-(镓)-硒化物-硫化物(Cu(In,Ga)(S,Se)₂)、铜-锌-锡-硫代硒化物(来自锌黄锡矿的组的CZTS)以及有机半导体的薄层系统特别适用于太阳能电池。五元半导体Cu(In,Ga)(S,Se)₂属于黄铜矿半导体的组，其往往称为CIS(二硒化铜铟或二硫化铜铟)或CIGS(二硒化铜铟镓、二硫化铜铟镓或硫代硒化铜铟镓)。在缩写CIGS中，S可以代表硒、硫或这两个硫族元素的混合物。

基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的当前的薄层太阳能电池和太阳能模块在p型导通的Cu(In,Ga)(S,Se)₂吸收体和通常包括氧化锌(ZnO)的n型导通的前电极之间需要缓冲层。按照目前的知识，该缓冲层使吸收材料和前电极之间的电子匹配成为可能。此外，在前电极沉积的后续过程步骤中，该缓冲层还提供保护以免受DC磁控管溅射造成的溅射损害。附加地，该缓冲层通过p型和n型半导体之间的高电阻中间层的结构防止从电子优良的区域向不良区域的电流流出。

迄今为止最常使用硫化镉(CdS)作为缓冲层。为了可以产生良好的电池效率，CdS迄今为止在化学浴过程(CBD过程)中以湿化学方式被沉积。然而，这就与如下缺点相联系，即湿化学过程不能良好地适应于目前的Cu(In,Ga)(S,Se)₂薄层太阳能电池生产的过程流程。

CdS缓冲层的另一个缺点在于，它含有有毒的重金属镉。因此出现较高的生产成本，因为生产过程中必须提高安全预防措施，例如在废水处理时。另外，在太阳能电池寿命结束之后的产品清除时还要出现其它成本。

因此，针对来自Cu(In,Ga)(S,Se)₂半导体族的不同吸收体，测试了由CdS构成的缓冲体的不同替代方案；例如，溅射的ZnMgO、通过CBD沉积的Zn(S,OH)、通过CBD沉积的In(O,OH)和通过ALD(原子层沉积)、ILGAR(离子层气相沉积)、溅射热解(Pyrolose)或PVD(物理气相沉积)法——诸如热蒸镀或溅射——沉积的硫化铟。

然而，所述材料尚不适宜作为基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂用于商用的太阳能电池的缓冲体，因为这些材料达不到与具有CdS缓冲层的太阳能电池相同的效率(入射功率与太阳能电池所产生的电功率的比例)。对于这样的模块，效率处于小面积上实验室电池的大约直至几乎20％以及对于大面积模块处于10％和12％之间。此外，当所述材料暴露于光、热和/或湿度下时，其呈现过大的不稳定性、滞后效应或效率退化。

CdS的另一个缺点被证实在于，CdS是具有约2.4eV的直接电子带隙的直接半导体。因此，在Cu(In,Ga)(S,Se)₂/CdS/ZnO-阳能电池中在CdS层厚为几十nm时入射光就已经大部分被吸收。在该缓冲层中被吸收的光造成电收益损失，因为所产生的载流子在该层中马上再次复合，因为在异质结的这个范围内和在缓冲材料中存在许多起复合中心作用的晶体缺陷。因此，在该缓冲层中被吸收的光对于电收益而言是丢失了。其后果是太阳能电池的效率变得较低，这对于薄层太阳能电池是不利的。

例如，从WO2009141132A2已知一种具有基于硫化铟的缓冲层的层系统。该层系统由CIS族的黄铜矿吸收体、尤其是Cu(In,Ga)(S,Se)₂与硫化铟构成的缓冲层结合组成。硫化铟(In_vS_w)缓冲层例如具有轻度富含铟的组分，其中v/(v+w)＝41％至43％，并可以用不同的非湿化学方法——例如通过热蒸镀、离子层气体反应、阴极雾化(溅射)、原子层沉积(ALD)或溅射热解——沉积。

然而，在所述层系统和制造方法的迄今为止的研发中已经呈现出，具有硫化铟缓冲层的太阳能电池的效率低于具有CdS缓冲层的太阳能电池的效率。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种基于化合物半导体的带有缓冲层的层系统，该层系统具有高效率和高稳定性，其中制造应当是成本低廉的和环境兼容的。