[發明專利]薄層太陽能電池的層系統

有效

• 申請號: 201380032811.3
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN104885205B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: J·帕爾姆;S·波爾納;T·哈普;T·達利博爾;R·迪特米勒
• 申請（專利權）人: 法國圣戈班玻璃廠
• 主分類號: H01L21/36
• 分類號: H01L21/36;H01L21/02;H01L31/032
• 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

技術領域

本發明涉及薄層太陽能電池的層系統和用于制造該層系統的方法。

背景技術

太陽能電池和太陽能模塊的薄層系統是充分已知的，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構防止從電子優良的區域向不良區域的電流流出。

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。因此出現較高的生產成本，因為生產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束之后的產品清除時還要出現其它成本。

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(Pyrolose)或PVD(物理氣相沉積)法——諸如熱蒸鍍或濺射——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，其呈現過大的不穩定性、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，因為所產生的載流子在該層中馬上再次復合，因為在異質結的這個范圍內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WO2009141132A2已知一種具有基于硫化銦的緩沖層的層系統。該層系統由CIS族的黃銅礦吸收體、尤其是Cu(In,Ga)(S,Se)₂與硫化銦構成的緩沖層結合組成。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——例如通過熱蒸鍍、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，在所述層系統和制造方法的迄今為止的研發中已經呈現出，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。

發明內容

因此，本發明的任務是，提供一種基于化合物半導體的帶有緩沖層的層系統，該層系統具有高效率和高穩定性，其中制造應當是成本低廉的和環境兼容的。