[發(fā)明專(zhuān)利]使用含堿層的過(guò)程和光電裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580045182.3
• 申請(qǐng)日: 2005-11-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101443929A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 約翰·R·塔特爾
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 德斯塔爾科技公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L51/42
• 分類(lèi)號(hào): H01L51/42
• 代理公司: 北京律盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王允方;劉國(guó)偉

相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考

本申請(qǐng)案主張2004年11月10日申請(qǐng)的序列號(hào)為60/626,843美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及使用含堿混合相半導(dǎo)體源層來(lái)形成薄膜光電裝置。

背景技術(shù)

替代性能量源(例如光電(PV)電池、模塊和電力系統(tǒng))為全世界對(duì)電力日益膨脹的需求提供清潔、可靠、可更新的能量。然而，在很大程度上，高于期望的產(chǎn)品成本和低于期望的生產(chǎn)能力僅使光電裝置用于特殊市場(chǎng)。隨著能量需求的增加，對(duì)當(dāng)前能量源的替代物的世界性需求也隨之增加。

PV技術(shù)提供一種取代傳統(tǒng)的非可更新能量源的清潔的非碳基替代物。按照將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率來(lái)測(cè)量PV電池的性能。盡管能在實(shí)驗(yàn)室中制造出相對(duì)有效的PV電池，但已證實(shí)難以在對(duì)于商業(yè)可行性較為關(guān)鍵的適當(dāng)成本基礎(chǔ)上以商業(yè)規(guī)模來(lái)生產(chǎn)PV電池。這個(gè)問(wèn)題在若干因素中具有其根源，其最重要的是優(yōu)化電力輸出的同時(shí)最小化成本和重量。此外，任何PV產(chǎn)品必需充分有效以便可適用于現(xiàn)實(shí)的能量市場(chǎng)。

為試圖降低成本，二十多年來(lái)一直在追求降低太陽(yáng)能電池的總厚度。當(dāng)今的主要太陽(yáng)能電池技術(shù)由晶體硅(Si)制成。典型的Si電池厚度在150微米到300微米的范圍內(nèi)。由于Si是“間接的”帶隙半導(dǎo)體，因而其厚度不能過(guò)分降低到150微米以下，否則將降低電池效率。另一方面，存在其它適用于太陽(yáng)能電池應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，所述材料是“直接的”帶隙半導(dǎo)體且可因此用小得多的太陽(yáng)能電池材料厚度來(lái)吸收太陽(yáng)光譜。此材料族通常被稱(chēng)為“薄膜”太陽(yáng)能電池。薄膜太陽(yáng)能電池通常為1-5微米厚，且因此相對(duì)于Si太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)提供極大的原料節(jié)約的潛力。

在薄膜太陽(yáng)能電池中，p-n結(jié)通常由不同材料——p型吸收體和n型窗口產(chǎn)生。此類(lèi)p型吸收體曾包含由來(lái)自元素周期表的列I、III和VI的元素組成的材料族。

這些成分的最有效形式之一是由包含各種比率的元素銅、銦、鎵和硒的化合物制成的吸收體。使用此合成物已變得非常普遍，而使得具有此組成的PV電池現(xiàn)被稱(chēng)為CIGS(Cu:In:Ga:Se)光電電池。

最好的CIGS太陽(yáng)能電池是在堿石灰玻璃上制造的，且在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中展示大于19％的轉(zhuǎn)換效率。已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，高效率部分是堿金屬(特別是鈉)在沉積過(guò)程期間擴(kuò)散離開(kāi)玻璃而進(jìn)入CIGS吸收體層的結(jié)果。堿金屬?gòu)牟Ａ蛲鈹U(kuò)散并進(jìn)入CIGS吸收體層的程度部分與沉積過(guò)程的熱平衡相關(guān)。熱平衡與處理溫度的量值和持續(xù)時(shí)間兩者相關(guān)。將CIGS吸收體中的最終堿金屬含量與在沉積期間的處理?xiàng)l件耦合不會(huì)有助于所期望的可再生性和制造控制。因此，在堿石灰玻璃襯底上制造CIGS?PV電池的領(lǐng)域的技術(shù)人員已嘗試通過(guò)以下方法來(lái)控制堿含量：首先在襯底與金屬背部接觸之間引入堿性阻擋層以防止堿性物質(zhì)向外擴(kuò)散，且隨后在背部接觸與CIGS半導(dǎo)體之間沉積已知厚度的含堿化合物。

如果選擇襯底不含有堿性物質(zhì)(例如金屬或塑料)，那么所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)為需要添加可控量的堿性金屬以便獲得最高可能的太陽(yáng)能電池性能。明確地說(shuō)，添加堿金屬使得CIGS膜能夠獲得較大晶粒大小、較強(qiáng)定向結(jié)構(gòu)、增大的載流子濃度和較高導(dǎo)電性。由于所有這些性質(zhì)都有利于生產(chǎn)增強(qiáng)的PV電池，因而此項(xiàng)技術(shù)需要向CIGS層添加堿金屬(例如鈉)。

直到現(xiàn)在，由于沉積過(guò)程的某些特殊性的緣故，在實(shí)際操作中還難以將堿金屬并入到CIGS吸收體中。特定問(wèn)題包括：確定應(yīng)當(dāng)在沉積過(guò)程中的哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)添加堿金屬才不會(huì)負(fù)面影響CIGS膜到金屬背部接觸的粘附；應(yīng)使用那些化合物來(lái)傳遞堿金屬，因?yàn)樵貕A金屬具有高度反應(yīng)性且需要考慮特殊處理；和在沉積過(guò)程中需要那種環(huán)境條件來(lái)實(shí)現(xiàn)將一定量的堿金屬成功并入到半導(dǎo)體材料中。為解決這些問(wèn)題，此項(xiàng)技術(shù)需要一種用于將堿金屬(例如鈉)并入在CIGS吸收體層中的可行過(guò)程。

盡管已在其它參考中涵蓋了鈉的添加，但尚未教示一種用以在形成過(guò)程期間添加鈉基堿性材料的實(shí)用方法。舉例來(lái)說(shuō)，2005年4月19日授予Stanbery的第6,881,647號(hào)美國(guó)專(zhuān)利(“Stanbery”)揭示在研制CIGSS(Cu:In:Ga:S:Se)裝置中使用鈉前體層作為表面活化劑來(lái)粘附兩個(gè)層。然而，Stanbery未揭示在沉積半導(dǎo)體層之前沉積堿性材料且使用后續(xù)熱處理的原理。