[发明专利]用于CIGS光伏器件的钼基材

说明书

背景

1.发明领域

本发明涉及半导体纳米粒子。更具体地，其涉及用于使用纳米粒子的溶液相形成CIGS膜的方法和组合物。

2.包括根据37 CFR 1.97和1.98公开的信息的相关技术的描述。

对于普遍接受来说，光伏电池(“PV电池”，亦称作太阳能电池或PV器件)通常需要以与化石燃料竞争的成本产生电。为了降低这些成本，太阳能电池优选具有低材料成本和制造成本，连同增加的光电转化效率。

薄膜具有固有低的材料成本，因为在薄的(～2-4μm)活性层中材料的量小。因此，为开发高效率薄膜太阳能电池已经做出了相当大的努力。在所研究的各种材料中，黄铜矿系器件(Cu(In和/或Ga)(Se和、任选的S)2，在本文中统称为“CIGS”)已经显示出巨大前景并且已经吸引了相当大的兴趣。CuInS2(1.5eV)和CuInSe2(1.1eV)的带隙与太阳光谱良好地匹配，因此基于这些材料的光伏器件是高效的。

用于CIGS薄膜的常规制造方法包括昂贵的气相或蒸发技术。对于那些常规技术来说更低成本的方案是通过下列方式形成薄膜：使用溶液相沉积技术将CIGS组分的粒子沉积至基材上，并且之后将粒子熔化或熔合成为薄膜，以使粒子聚结形成大晶粒的薄膜。这可以通过以下方式完成：使用组分金属的氧化物粒子，随后用H₂还原，并且之后通过与含硒气体(通常是H₂Se)的反应烧结。备选地，可以使用预制的CIGS粒子完成溶液相沉积。

为了使用CIGS型粒子(即，CIGS或类似的材料)形成薄半导体膜，CIGS型粒子优选具有允许它们形成大晶粒的薄膜的某些性能。粒子优选是小的。当纳米粒子的尺寸小时，粒子的物理、电子和光学性能可以与相同材料的较大的粒子不同。较小的粒子通常堆积得更紧密，这促进了粒子在熔化时的聚结(coalescence)。

此外，窄的尺寸分布是重要的。粒子的熔点与粒径有关，并且窄的尺寸分布促进均匀的熔化温度，得到均匀、高质量(均匀分布、良好的电性能)的膜。

在一些情况下，需要用有机配体(在本文中被称为封端剂)将半导体粒子的表面改性，以使它们与用于将粒子沉积在基材上的溶剂或墨水相容。在此类情况下，用于纳米粒子的挥发性封端剂通常是优选的，从而在相对适中的加热时，可以移除封端剂以降低在纳米粒子熔化时碳或其他元素污染最终的膜的可能性。

已经显示，CIGS膜内的碳和其他污染物限制此类膜的晶粒尺寸，并且因此降低基于此类膜的PV器件的量子效率。因此，需要减少碳和其他膜污染物和增加CIGS膜的晶粒尺寸。已经提出肼作为用于沉积用于形成CIGS膜的CIGS粒子的无碳溶剂。参见D.B.Mitzi等人，Thin solid Films(固体薄膜)，517(2009)2158-62。然而，肼难以处理，其是高度易爆炸的，并且因此其供给服从政府控制和地区特定法规。已经提出了空气/氧退火以降低膜中的碳浓度。参见E.Lee等人，Solar Energy Materials&Solar Cells(太阳能材料&太阳能电池)95(2011)2928-32。

常规的真空沉积技术明显地避免了碳污染，因为未采用溶剂和封端剂。然而，此类真空技术受到上述缺点的阻碍。

因此，对具有改善的晶粒尺寸和比当前可使用溶液沉积技术获得的CIGS少的污染的溶液沉积的薄CIGS膜存在需求。

概述

概括地，本公开内容描述了PV器件和制造这种PV器件的基于溶液的方法。这种器件通常包括载体、钼基材和安置在钼基材上的光吸收材料的层。通常，光吸收材料是CIGS型材料，例如，具有式AB_1-xB’_XC_2-yC’_y的材料，其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B’独立地为Al、In或Ga；C和C’独立地为S、Se或Te，0≤x≤1；并且0≤y≤2。

如上所述，钼基材包括低密度钼层。低密度钼层通常具有大于约500nm的厚度并且可以具有大于约800nm的厚度。通常，厚度为约1000nm，但是它可以更厚。根据某些实施方案，钼基材还包括高密度钼层，其通常降低钼基材的总薄层电阻。高密度钼层通常设置在低密度钼层和载体之间。