[發(fā)明專利]薄層太陽能電池的層系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380032810.9
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN104521006B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J·帕爾姆;S·波爾納;T·哈普;T·達利博爾;S·約斯特;R·迪特米勒
• 申請（專利權(quán)）人: 法國圣戈班玻璃廠
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/18;H01L31/0392
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 杜荔南,胡莉莉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄層太陽能電池的層系統(tǒng)和用于制造該層系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)

太陽能電池和太陽能模塊的薄層系統(tǒng)是充分已知的，并且視襯底和所施加的材料而定以不同的實施方案存在于市場上。材料被選擇為使得最大地利用入射的太陽光譜。由于物理特性和工藝可操作性，具有無定形硅、非微晶硅或多晶硅、碲化鎘(CdTe)、砷化鎵(GaAs)、銅-銦-(鎵)-硒化物-硫化物(Cu(In，Ga)(S，Se)₂)、銅-鋅-錫-硫代硒化物(來自鋅黃錫礦的組的CZTS)以及有機半導體的薄層系統(tǒng)特別適用于太陽能電池。五元半導體Cu(In，Ga)(S，Se)₂屬于黃銅礦半導體的組，其往往稱為CIS(二硒化銅銦或二硫化銅銦)或CIGS(二硒化銅銦鎵、二硫化銅銦鎵或硫代硒化銅銦鎵)。在縮寫CIGS中，S可以代表硒、硫或這兩個硫族元素的混合物。

基于Cu(In，Ga)(S，Se)₂的當前的薄層太陽能電池和太陽能模塊在p型導通的Cu(In，Ga)(S，Se)₂吸收體和通常包括氧化鋅(ZnO)的n型導通的前電極之間需要緩沖層。按照目前的知識，該緩沖層使吸收材料和前電極之間的電子匹配成為可能。此外，在前電極沉積的后續(xù)過程步驟中，該緩沖層還提供保護以免受DC磁控管濺射造成的濺射損害。附加地，該緩沖層通過p型和n型半導體之間的高電阻中間層的結(jié)構(gòu)防止從電子優(yōu)良的區(qū)域向不良區(qū)域的電流流出。

迄今為止最常使用硫化鎘(CdS)作為緩沖層。為了可以產(chǎn)生良好的電池效率，CdS迄今為止在化學浴過程(CBD過程)中以濕化學方式被沉積。然而，這就與如下缺點相聯(lián)系，即濕化學過程不能良好地適應于目前的Cu(In，Ga)(S，Se)₂薄層太陽能電池生產(chǎn)的過程流程。

CdS緩沖層的另一個缺點在于，它含有有毒的重金屬鎘。因此出現(xiàn)較高的生產(chǎn)成本，因為生產(chǎn)過程中必須提高安全預防措施，例如在廢水處理時。另外，在太陽能電池壽命結(jié)束之后的產(chǎn)品清除時還要出現(xiàn)其它成本。

因此，針對來自Cu(In，Ga)(S，Se)₂半導體族的不同吸收體，測試了由CdS構(gòu)成的緩沖體的不同替代方案；例如，濺射的ZnMgO、通過CBD沉積的Zn(S，OH)、通過CBD沉積的In(O，OH)和通過ALD(原子層沉積)、ILGAR(離子層氣相沉積)、濺射熱解或PVD(物理氣相沉積)法——諸如熱蒸發(fā)或濺射——沉積的硫化銦。

然而，所述材料尚不適宜作為基于Cu(In，Ga)(S，Se)₂用于商用的太陽能電池的緩沖體，因為這些材料達不到與具有CdS緩沖層的太陽能電池相同的效率(入射功率與太陽能電池所產(chǎn)生的電功率的比例)。對于這樣的模塊，效率處于小面積上實驗室電池的大約直至幾乎20％以及對于大面積模塊處于10％和12％之間。此外，當所述材料暴露于光、熱和/或濕度下時，其呈現(xiàn)過大的不穩(wěn)定性、滯后效應或效率退化。

CdS的另一個缺點被證實在于，CdS是具有約2.4eV的直接電子帶隙的直接半導體。因此，在Cu(In，Ga)(S，Se)₂/CdS/ZnO-陽能電池中在CdS層厚為幾十nm時入射光就已經(jīng)大部分被吸收。在該緩沖層中被吸收的光造成電收益損失，因為所產(chǎn)生的載流子在該層中馬上再次復合，因為在異質(zhì)結(jié)的這個范圍內(nèi)和在緩沖材料中存在許多起復合中心作用的晶體缺陷。因此，在該緩沖層中被吸收的光對于電收益而言是丟失了。其后果是太陽能電池的效率變得較低，這對于薄層太陽能電池是不利的。

例如，從WO 2009/141132 A2已知一種具有基于硫化銦的緩沖層的層系統(tǒng)。該層系統(tǒng)由CIS族的黃銅礦吸收體、尤其是Cu(In，Ga)(S，Se)₂與硫化銦構(gòu)成的緩沖層結(jié)合組成。硫化銦(In_vS_w)緩沖層例如具有輕度富含銦的組分，其中v/(v+w)＝41％至43％，并可以用不同的非濕化學方法——例如通過熱蒸發(fā)、離子層氣體反應、陰極霧化(濺射)、原子層沉積(ALD)或濺射熱解——沉積。

然而，在所述層系統(tǒng)和制造方法的迄今為止的研發(fā)中已經(jīng)呈現(xiàn)出，具有硫化銦緩沖層的太陽能電池的效率低于具有CdS緩沖層的太陽能電池的效率。