專(zhuān)利名稱(chēng)：在箔襯底上太陽(yáng)能電池的形成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光生伏打裝置的制作，更具體地說(shuō)，是涉及光生伏打裝置吸收體層的處理和退火。
背景技術(shù)：
已經(jīng)用吸收體層制成高效的光生伏打裝置，諸如太陽(yáng)能電池，該吸收體層由包含IB族、IIIA族、和VIA族元素的合金，例如銅與銦和/或鎵的合金，或鋁與硒和/或硫的合金制成。該種吸收體層常常稱(chēng)作CIGS層，而得到的裝置常常稱(chēng)作CIGS太陽(yáng)能電池。CIGS吸收體層可以淀積在襯底上。在鋁箔襯底上制作這種吸收體層是理想的，因?yàn)殇X箔相對(duì)便宜、輕、和可彎曲。遺憾的是，目前用于淀積CIGS吸收體層的技術(shù)，與把鋁箔作襯底使用不相容。
典型的淀積技術(shù)，包括蒸發(fā)、濺射、化學(xué)汽相淀積、等等。這些淀積過(guò)程通常在高溫下進(jìn)行并持續(xù)長(zhǎng)的時(shí)間。該兩個(gè)因素都能導(dǎo)致正在其上進(jìn)行淀積的襯底的損壞。這種損壞直接因襯底材料暴露在熱中，和/或因淀積過(guò)程的熱激發(fā)不希望有的化學(xué)反應(yīng)引起。因此，CIGS太陽(yáng)能電池的制作，通常要求非常牢固的襯底材料。這些限制已經(jīng)把鋁和鋁箔基的箔的使用排除在外。
一種替代的淀積辦法，是在襯底上進(jìn)行CIGS先質(zhì)(precursor)材料的溶液基印刷。溶液基印刷技術(shù)的例子，例如在公開(kāi)的PCT申請(qǐng)WO 2002/084708和共同轉(zhuǎn)讓的U.S.Patent Application 10/782,017中說(shuō)明，本文引用該兩申請(qǐng)，供參考。該淀積辦法的優(yōu)點(diǎn)，包括相對(duì)較低的淀積溫度和淀積過(guò)程的迅速性?xún)烧?。兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)的作用，是使正在其上進(jìn)行淀積的襯底的熱致?lián)p壞最小。
雖然在CIGS太陽(yáng)能電池制作中，溶液淀積是相對(duì)低溫度的步驟，但它不是僅有的步驟。除淀積外，CIGS太陽(yáng)能電池制作中的關(guān)鍵步驟，是CIGS吸收體層的硒化和退火。硒化是把硒引進(jìn)大塊的CIG或CI吸收體層，把硒摻進(jìn)膜中，而退火是提供有適當(dāng)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的吸收體層。在現(xiàn)有技術(shù)中，硒化和退火，是通過(guò)在H2Se或Se蒸汽中加熱襯底，并把該初生吸收體層長(zhǎng)時(shí)間保持在高溫中進(jìn)行的。
雖然用鋁作太陽(yáng)能電池裝置的襯底，由于這種襯底的低成本和輕的性質(zhì)兩者，應(yīng)是理想的，但有效地使CIGS吸收體層退火的常規(guī)技術(shù)，同樣把襯底加熱到高溫，導(dǎo)致Al襯底的損壞。在Al襯底長(zhǎng)時(shí)間暴露在熱和/或含硒化合物的時(shí)候，有若干因素導(dǎo)致Al襯底降質(zhì)。首先，在長(zhǎng)時(shí)間加熱的時(shí)候，在鍍鉬的Al襯底內(nèi)個(gè)別的層能夠熔融，并形成該裝置的金屬間的后接點(diǎn)，該金屬間的后接點(diǎn)降低鉬層計(jì)劃要達(dá)到的電子功能。其次，鉬層界面的形態(tài)在加熱期間被改變，對(duì)隨后CIGS粒子通過(guò)鉬層表面引起的成核模式的變化而生長(zhǎng)，有負(fù)面影響。第三，在長(zhǎng)時(shí)間加熱的時(shí)候，Al能夠遷移進(jìn)CIGS吸收體層，瓦解半導(dǎo)體的功能。第四，在Al箔中通常存在的雜質(zhì)(如Si、Fe、Mn、Ti、Zn、和V)，在長(zhǎng)時(shí)間加熱的時(shí)候，能夠隨同移動(dòng)的Al傳播，擴(kuò)散進(jìn)太陽(yáng)能電池中，瓦解電池的電子和光電子兩種功能。第五，當(dāng)Se暴露在Al中相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間和相對(duì)高的溫度時(shí)，能夠形成不穩(wěn)定的硒化鋁。在潮濕的空氣中，硒化鋁能夠與水蒸氣反應(yīng)，形成氧化鋁和硒化氫。硒化氫是巨毒氣體，它的自由形成能夠造成對(duì)安全的危害。因?yàn)樗羞@些理由，從而高溫淀積、退火、和硒化，對(duì)鋁或鋁合金制成的襯底是不能實(shí)現(xiàn)的。
因?yàn)楦邷?、長(zhǎng)時(shí)間淀積、和退火步驟，CIGS太陽(yáng)能電池不能在鋁襯底(如由Al和/或Al基合金構(gòu)成的可彎曲箔)上有效地制作，相反，必須在更牢固(也更昂貴)的材料，例如不銹鋼、鈦、或鉬箔、玻璃襯底、或金屬或金屬氧化物涂敷的玻璃制成的更重襯底上制作。因此，即使基于鋁箔的CIGS太陽(yáng)能電池比不銹鋼、鈦、或鉬箔、玻璃襯底、或金屬或金屬氧化物涂敷的玻璃襯底更輕、可彎曲、和不昂貴，但目前的實(shí)踐不允許把鋁箔用于襯底。
因此，本領(lǐng)域需要一種在鋁箔襯底上制作CIGS太陽(yáng)能電池的方法。


借助閱讀下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，能夠容易了解本發(fā)明的教導(dǎo)，附圖中圖1是剖面示意圖，表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的吸收體層的制作。
具體實(shí)施例方式
雖然為演示的目的，下面的詳細(xì)說(shuō)明包含許多具體的細(xì)節(jié)，本領(lǐng)域任一個(gè)一般人員將明白，下面的詳細(xì)描述的許多變化和更改，都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，下面說(shuō)明的本發(fā)明示例性的實(shí)施例，在闡述中對(duì)要求的發(fā)明不失任何普遍性和不加限制。
本發(fā)明的實(shí)施例能在鋁箔襯底上制作CIGS吸收體層。按照本發(fā)明的實(shí)施例，借助溶液淀積，在鋁襯底上形成包含IB族和IIIA族元素的初生吸收體層，可以借助快速加熱進(jìn)行退火，該快速加熱是從環(huán)境溫度到約200℃和約600℃之間的平穩(wěn)溫度范圍。使該溫度維持在平穩(wěn)范圍中約2分鐘和約30分鐘之間，然后降溫。另外，可以調(diào)制該退火溫度，使它在溫度范圍內(nèi)振蕩而不是維持在特定的平穩(wěn)溫度上。
圖1畫(huà)出局部已制作的光生伏打裝置100和快速加熱單元110。該裝置一般包括鋁箔襯底102、可供選擇的基本電極104、和初生吸收體層106。鋁箔襯底102厚約5微米到一百或更多微米，并有任何合適的寬度與長(zhǎng)度。鋁箔襯底102可以由鋁或鋁基合金制成。另外，鋁箔襯底102可以由金屬化的聚合物箔襯底制成，其中的金屬化聚合物箔襯底，是選自如下一組的聚合物聚酯(polyester)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphtalate)、聚醚亞胺(polyetherimide)、聚醚砜(polyethersulfone)、聚醚醚酮(polyetheretherketone)、聚酰亞胺(polyimide)、和/或以上的組合。舉例說(shuō)，襯底102的形式可以是適合供卷筒到卷筒(roll-to-roll)處理的長(zhǎng)片鋁箔?；倦姌O104由與初生吸收體層106的處理兼容的導(dǎo)電材料制成。舉例說(shuō)，基本電極104可以是鉬層，例如厚約0.1到25微米，更可取的是從約0.1到5微米厚?；倦姌O層的淀積，可以用濺射或蒸發(fā)淀積，或者用化學(xué)汽相淀積(CVD)、原子層淀積(ALD)、溶膠凝膠涂敷、電鍍、等等。
鋁和鉬能夠，且常常確實(shí)彼此相互擴(kuò)散，對(duì)裝置100產(chǎn)生有害的電子和/或光電子作用。為了防止這種相互擴(kuò)散，可以在鋁箔襯底102和鉬基本電極104之間夾入中間的界面層103。界面層可以由如下各種材料的任一種構(gòu)成，這些材料包括，但不限于鉻、釩、鎢、和玻璃，或諸如氮化物(包括氮化鉭、氮化鎢、和氮化硅)、氧化物、和/或碳化物的復(fù)合物。該層的厚度可以在從10nm到50nm范圍，更可取的是從10nm到30nm的范圍。
初生吸收體層106可以包括含有IB族、IIIA族、和(可供選擇)VIA族元素的材料。最好是，吸收體層的IB族元素是銅(Cu)，IIIA族元素是鎵(Ga)和/或銦(In)和/或鋁，而硒(Se)和/或硫(S)可以作為VIA族元素。當(dāng)初生吸收體層106開(kāi)始進(jìn)行溶液淀積時(shí)，或在隨后的處理期間，把VIA族元素?fù)竭M(jìn)初生吸收體層106中，從初生吸收體層106形成最后的吸收體層。當(dāng)?shù)矸e時(shí)，初生吸收體層106可以約1000nm厚。隨后的快速熱處理和摻入VIA族元素，可以改變得到的吸收體層的形態(tài)，使它厚度增加(如在某些情況下，增加至初生層厚度的約兩倍)。
在鋁箔襯底102上制作吸收體層，是較為直接的。首先，或者直接在鋁上，或者直接在諸如電極104的最頂層上，把初生吸收體層淀積在襯底102上。舉例說(shuō)，但不失一般性，可以按包含納米粒子的溶液基先質(zhì)材料膜的形式，淀積初生吸收體層，這種納米粒子包括一種或多種IB族、IIIA族、和(可供選擇地)VIA族元素。這類(lèi)溶液基印刷技術(shù)的這類(lèi)膜的例子，例如在共同轉(zhuǎn)讓的U.S.Patent Application10/782,017中說(shuō)明，標(biāo)題是“SOLUTION-BASED FABRICATION OFPHOTOVOLTAIC CELL”，在PCT公布WO 02/084708中也有說(shuō)明，標(biāo)題為“METHOD OF FORMING SEMICONDUCTORCOMPOUND FILM FOR FABRICATION OF ELECTRONICDEVICE AND FILM PRODUCED BY SAME”，在此引用兩者公開(kāi)的內(nèi)容，供參考。
另外，初生吸收體層106可以通過(guò)一系列原子層淀積反應(yīng)形成，或通過(guò)其他一般用于形成這類(lèi)層的常規(guī)過(guò)程形成。IB-IIIA-VIA吸收體層的原子層淀積，例如在共同轉(zhuǎn)讓、共同待決的申請(qǐng)序號(hào)10/934,658中說(shuō)明，標(biāo)題是“FORMATION OF CIGS ABSORBER LAYERMATERIALS USING ATOMIC LAYER DEPOSITION AND HIGHTHROUGHPUT SURFACE TREATMENT ON COILED FLEXIBLESUBSTRATES”，本文上面已經(jīng)引用該文，供參考。
然后，用加熱單元110，通過(guò)迅速?gòu)沫h(huán)境溫度到約200℃和約600℃之間的平均平穩(wěn)溫度范圍，加熱初生吸收體層106和/或襯底101，使初生吸收體層106退火。加熱單元110最好能提供足夠的熱，使初生吸收體層106和/或襯底101(或其有意義部分)快速升溫，例如在約5℃/s和約150℃/s之間。舉例說(shuō)，加熱單元110可以包括一個(gè)或多個(gè)能提供足夠輻射熱的紅外燈。舉例說(shuō)，8個(gè)定額為500瓦的IR燈，各置于離襯底102表面約1/8″到約1″(4個(gè)在襯底上和4個(gè)在襯底下，全部朝向襯底)，能夠在4″管爐中，提供足夠的輻射供約每小時(shí)25cm2襯底面積的熱處理。燈可以按可控方式逐漸升溫，例如以平均約10℃/秒的升溫速率。本領(lǐng)域那些熟練人員應(yīng)能設(shè)計(jì)其他類(lèi)型和配置的熱源，供加熱單元110使用。例如，在滾筒到滾筒的生產(chǎn)線(xiàn)中，加熱和其他處理，能夠用間隔1″的IR燈沿處理區(qū)的長(zhǎng)度，等距排列在襯底之上和之下，這里，襯底上和襯底下的IR燈，都朝向襯底。另外，IR燈也可以?xún)H放置在襯底102之上或之下，和/或按增大的側(cè)向加熱配置，從加熱室一側(cè)到襯底102的一側(cè)。
使吸收體層106和/或襯底102維持在平均平穩(wěn)溫度范圍約2分鐘和約30分鐘之間。例如，通過(guò)把加熱單元110的加熱量降低到適當(dāng)?shù)乃剑梢允箿囟缺３衷谛枰姆秶?。在IR燈的例子中，通過(guò)簡(jiǎn)單地?cái)嚅_(kāi)加熱燈，可以降低加熱?；蛘撸梢灾鲃?dòng)地使燈冷卻。例如，通過(guò)進(jìn)一步降低或關(guān)斷來(lái)自加熱單元110的熱，可以基本上降低吸收體層106和/或襯底102的溫度。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可以在退火階段之前或之中，把VIA族元素，如硒或硫摻進(jìn)吸收體層中。另外，兩個(gè)或多個(gè)分離的或連續(xù)的退火階段，能夠相繼地進(jìn)行，其中在第二階段或更后的階段中，把VIA族元素，如硒或硫摻入。例如，可以在迅速加熱或快速熱處理(RTP)之前或期間，使初生吸收體層106暴露于H2Se氣體、H2S氣體、或Se蒸汽中。在該實(shí)施例中，暴露的相對(duì)簡(jiǎn)易性，能使鋁襯底更好地耐受這些氣體或蒸汽的存在，特別是在高加熱水平上。
一旦初生吸收體層106已經(jīng)退火，可以形成另外的層，完成裝置100。例如，通常用作吸收體層的匯接配對(duì)的窗口層。舉例說(shuō)，匯接配對(duì)層可以包括硫化鈣(CdS)、硫化鋅(ZnS)、或硒化鋅(ZnSe)，或它們兩種或更多種的組合。這些材料的層，可以通過(guò)例如化學(xué)浴淀積、化學(xué)表面淀積、或噴涂熱分解，到達(dá)約50nm至約100nm的厚度。此外，透明的電極，如導(dǎo)電氧化層，可以用濺射、汽相淀積、CVD、ALD、電化學(xué)原子層外延等等，在窗口層上形成。
本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)對(duì)淀積或其他方法形成在鋁襯底上的初生CIGS吸收體層的快速熱處理，克服與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的缺點(diǎn)。鋁襯底比常規(guī)的襯底便宜且輕得多。因此，基于鋁襯底的太陽(yáng)能電池，當(dāng)與常規(guī)的硅基太陽(yáng)能電池相比時(shí)，能夠使電力生產(chǎn)有每瓦更低的成本和短得多的能量?jī)斶€周期。此外，鋁襯底能實(shí)現(xiàn)可彎曲的形狀因子，該可彎曲的形狀因子在太陽(yáng)能電池制作過(guò)程中，允許高生產(chǎn)率的卷筒到卷筒印刷，并在太陽(yáng)能模塊及系統(tǒng)的安裝中，允許更快更容易的安裝過(guò)程。
本發(fā)明的實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)在鋁襯底上制作輕而便宜的光生伏打裝置。初生吸收體層106的迅速加熱/快速熱處理，能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐嘶鸷蚔IA族元素的摻入，不損害或破壞鋁箔襯底102。平穩(wěn)的溫度范圍遠(yuǎn)在鋁熔點(diǎn)(約600℃)以下，避免損害或破壞鋁箔襯底。鋁箔襯底的使用，能夠極大地降低在這種襯底上制成的光生伏打裝置的材料費(fèi)用，如太陽(yáng)能電池的材料費(fèi)用，從而降低每瓦的成本。借助以卷筒到卷筒方式處理鋁箔襯底，當(dāng)襯底通過(guò)一系列淀積、退火、和其他處理階段時(shí)，在該襯底上構(gòu)建光生伏打裝置各層，獲得成規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效果。
雖然上面完整地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但能夠使用各種各樣的替代、修改、和等價(jià)物。因此。本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)參照以上說(shuō)明確定，而應(yīng)參照附上的權(quán)利要求書(shū)連同它們完整的等價(jià)范圍確定。在權(quán)利要求書(shū)中，不定冠詞“某一”或“某個(gè)”是指其后條目的一種或多種量值，除非另有明確記載。附上的權(quán)利要求書(shū)不應(yīng)解釋為包含意義加功能的限制，除非這種限制在給定的權(quán)利要求中用“意為”明顯記載。
權(quán)利要求
1.一種形成光生伏打裝置吸收體層的方法，包括如下步驟在鋁箔襯底上，形成包含一種或多種IB族元素和一種或多種IIIA族元素的初生吸收體層。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中形成初生吸收體層包括，從納米粒子先質(zhì)材料的溶液，淀積初生吸收體層。
3.按照權(quán)利要求1的方法，還包括從環(huán)境溫度快速加熱初生吸收體層和/或襯底到約200℃和約600℃之間的平穩(wěn)溫度范圍；在該平穩(wěn)溫度范圍中，維持吸收體層和/或襯底約2分鐘和約30分鐘之間；和降低吸收體層和/或襯底的溫度。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中快速加熱初生吸收體層和/或襯底，包括以約5℃/s和約150℃/s之間的速率，增加吸收體層和/或襯底的溫度。
5.按照權(quán)利要求3的方法，還包括在快速加熱初生吸收體層和/或襯底之前或期間，把一種或多種VIA族元素?fù)竭M(jìn)初生吸收體層中。
6.按照權(quán)利要求3的方法，其中的一種或多種VIA族元素，包括硒。
7.按照權(quán)利要求3的方法，其中的一種或多種VIA族元素，包括硫。
8.按照權(quán)利要求3的方法，其中快速加熱吸初生收體層和/或襯底，是通過(guò)初生收體層和/或襯底的輻射加熱完成的。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中使用一個(gè)或多個(gè)紅外燈進(jìn)行輻射加熱。
10.按照權(quán)利要求3的方法，其中形成并快速加熱初生吸收體層的步驟，是當(dāng)襯底通過(guò)滾筒到滾筒的處理時(shí)發(fā)生的。
11.按照權(quán)利要求3的方法，還包括在快速加熱初生吸收體層和/或襯底之后，把一種或多種VIA族元素?fù)竭M(jìn)初生吸收體層中。
12.按照權(quán)利要求3的方法，還包括，在鉬層和鋁襯底之間夾入中間層，其中該中間層在加熱期間，阻止鉬和鋁的相互擴(kuò)散。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中，該中間層包括鉻、釩、鎢、玻璃、和/或氮化物、氮化鉭、氮化鎢、和氮化硅、氧化物、或碳化物。
14.按照權(quán)利要求1的方法，其中的形成初生吸收體層，包括在襯底上淀積包含IB族和IIIA族元素的油墨膜。
15.按照權(quán)利要求1的方法，還包括在鋁襯底和初生吸收體層之間，淀積一層鉬。
16.一種光生伏打裝置，包括鋁箔襯底；和吸收體層，該吸收體層包含淀積在鋁箔襯底上的一種或多種IB族元素、一種或多種IIIA族元素、和一種或多種VIA族元素。
17.一種形成光生伏打裝置吸收體層的方法，包括如下步驟在金屬化聚合物箔襯底上，形成包含一種或多種IB族元素和一種或多種IIIA族元素的初生吸收體層。
18.按照權(quán)利要求17的方法，其中的箔襯底，是選自如下一組的聚合物聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚亞胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亞胺和/或以上的組合。
19.按照權(quán)利要求17的方法，其中用作聚合物箔襯底金屬化的金屬，是鋁，或鋁與一種或多種金屬的合金。
20.一種光生伏打裝置，包括金屬化的聚合物箔襯底；和吸收體層，該吸收體層包含淀積在鋁箔襯底上的一種或多種IB族元素、一種或多種IIIA族元素、和一種或多種VIA族元素。
全文摘要
本發(fā)明涉及光生伏打裝置的制作，更具體地說(shuō)，是涉及光生伏打裝置吸收體層的處理和退火。本發(fā)明的實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)鋁箔襯底上CIGS吸收層的制作。例如，一種光生伏打裝置，包括；鋁箔襯底(102)、可供選擇的基本電極(104)、和包括包含IB族、IIIA族、和VIA(可供選擇的)族元素材料的初生吸收體(106)。
文檔編號(hào)H01L31/0272GK101061588SQ200580036909
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月18日
發(fā)明者克雷格·萊德霍爾姆, 布蘭特·博爾曼 申請(qǐng)人:納米太陽(yáng)能公司