DE112009001334T5 - Photovoltaische Zelle hohen Wirkungsgrads und Herstellungsverfahren frei von Metalldisulfidsperrmaterial - Google Patents

Photovoltaische Zelle hohen Wirkungsgrads und Herstellungsverfahren frei von Metalldisulfidsperrmaterial Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst; Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht; Bilden einer über der ersten Elektrodenschicht liegenden Sperrschicht, um einen Grenzflächenbereich zu bilden; Bilden einer über der Sperrschicht liegenden Kupferschicht; Bilden einer über der Kupferschicht liegenden Indiumschicht, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden; Unterziehen mindestens der mehrschichtigen Struktur einem Wärmebehandlungsprozess in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung; Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium umfasst, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht; Halten des Grenzflächenbereichs im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet; Bilden einer über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegenden Fensterschicht.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen U.S. Patentanmeldung Nr. 61/075,338, eingereicht am 25. Juni 2008 mit dem Titel „High Efficiency Pholtovoltaic Cell and Manufacturing Method Free of Metal Disulfide Barrier Material” des Erfinders Howard W. H. Lee, die hierin durch Erwähnung für alle Zwecke abgetreten und aufgenommen ist.
  • Angabe bezüglich Rechten an Erfindungen unter staatlich unterstützter Forschung oder Entwicklung
  • Nicht zutreffend
  • Verweis auf eine „Sequenzauflistung”, eine Tabelle oder eine Computerprogrammauflistungsanlage, die auf einer Compact Disk eingereicht wurden.
  • Nicht zutreffend
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen im Allgemeinen Photovoltaikmaterialien und Herstellungsverfahren. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Struktur für die Herstellung von photovoltaischen Dünnschicht-Zellen hohen Wirkungsgrads vor. Lediglich zum Beispiel umfassen das vorliegende Verfahren und die vorliegenden Materialien Absorbermaterialien aus Kupferindiumdisulfidspezies, Kupferzinnsulfid, Eisendisulfid oder anderen für einschichtige Zellen oder mehrschichtige Zellen.
  • Seit Anbeginn der Zeit war die Menschheit mit dem Problem konfrontiert, einen Weg zur Gewinnung von Energie zu finden. Energie gibt es in Formen wie petrochemisch, hydroelektrisch, nuklear, Wind, Biomasse, solar und in primitiveren Formen wie Holz und Kohle. Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat die moderne Gesellschaft auf petrochemische Energie als wichtige Energiequelle gesetzt. Petrochemische Energie umfasst Gas und Öl. Gas umfasst leichtere Formen wie Butan und Propan, die üblicherweise verwendet werden, um Wohnraum zu beheizen und als Brennstoff zum Kochen zu dienen. Gas umfasst auch Benzin, Diesel und Düsentreibstoff, die üblicherweise für Beförderungszwecke verwendet werden. Schwerere Formen von Petrochemikalien können auch verwendet werden, um an manchen Orten Wohnraum zu beheizen. Leider ist die Versorgung mit petrochemischem Brennstoff beruhend auf der auf dem Planet Erde verfügbaren Menge beschränkt und im Wesentlichen unveränderlich. Wenn mehr Menschen Petroleumerzeugnisse in steigenden Mengen nutzen, wird es ferner schnell zu einer knappen Ressource, die schließlich im Laufe der Zeit aufgebraucht wird.
  • In letzter Zeit sind umweltfreundliche und erneuerbare Energiequellen gefragt. Ein Beispiel für eine saubere Energiequelle ist Wasserkraft. Wasserkraft wird von elektrischen Generatoren gewonnen, die durch den von Dämmen wie dem Hoover-Damm in Nevada erzeugtem Wasserstrom angetrieben werden. Die erzeugte elektrische Leistung wird genutzt, um einen großen Teil der Stad Los Angeles in Kalifornien mit Strom zu versorgen. Saubere und erneuerbare Energiequellen umfassen auch Wind, Wellen, Biomasse und dergleichen. D. h. Windmühlen wandeln Windenergie in brauchbarere Energieformen wie Elektrizität um. Noch andere Arten von sauberer Energie umfassen Solarenergie. Spezifische Einzelheiten zur Solarenergie lassen sich im gesamten vorliegenden Hintergrund und insbesondere nachstehend finden.
  • Die Solarenergietechnologie wandelt elektromagnetische Strahlung der Sonne allgemein in andere brauchbare Energieformen um. Diese anderen Energieformen umfassen Wärmeenergie und Strom. Solarzellen werden häufig für Stromanwendungen verwendet. Auch wenn Solarenergie umweltfreundlich ist und bis zu einem Punkt erfolgreich ist, bleiben viele Einschränkungen zu lösen, bevor sie in der ganzen Welt verbreitet genutzt wird. Zum Beispiel verwendet eine Art von Solarzelle kristalline Materialien, die aus Halbleitermaterialblöcken gewonnen werden. Diese kristallinen Materialien können genutzt werden, um optoelektronische Vorrichtungen herzustellen, die Photovoltaik- und Photodioden-Vorrichtungen umfassen, die elektromagnetische Strahlung in Strom umwandeln. Kristalline Materialien sind aber häufig teuer und schwierig im großen Maßstab herzustellen. Ferner weisen aus kristallinen Materialien hergestellte Vorrichtungen häufig niedrige Energieumwandlungswirkungsgrade auf. Andere Arten von Solarzellen nutzen „Dünnschicht”-Technologie, um eine Dünnschicht aus photosensitivem Material zu bilden, die zum Umwandeln von elektromagnetischer Strahlung in Strom zu verwenden ist. Ähnliche Beschränkungen liegen bei der Verwendung von Dünnschichttechnologie bei der Herstellung von Solarzellen vor. D. h. die Wirkungsgrade sind häufig mangelhaft. Ferner ist die Schichtzuverlässigkeit häufig mangelhaft und kann in herkömmlichen Umweltanwendungen nicht über längere Zeiträume verwendet werden. Häufig lassen sich Dünnschichten nur schwierig miteinander mechanisch integrieren. Diese und andere Beschränkungen dieser herkömmlichen Technologien lassen sich in der gesamten vorliegenden Beschreibung und Insbesondere nachstehend finden.
  • Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass verbesserte Techniken zum Herstellen von photovoltaischen Materialien und resultierenden Vorrichtungen erwünscht sind.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden von Dünnschicht-Halbleitermaterialien für photovoltaische Anwendungen vorgesehen. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden von Halbleitermaterialien vor, die für die Herstellung von photovoltaischen Zellen hohen Wirkungsgrads verwendet werden. Lediglich beispielhaft umfassen das vorliegende Verfahren und die vorliegenden Materialien Absorbermaterialien aus Kupferindiumdisulfidspezies, Kupferzinnsulfid, Eisendisulfid oder anderen für einschichtige Zellen oder mehrschichtige Zellen.
  • In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst, und das Bilden einer ersten Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden einer Sperrschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, um zwischen der ersten Elektrodenschicht und der Kupferschicht einen Grenzflächenbereich zu bilden. In einer spezifischen Ausführungsform bildet das Verfahren auch eine Kupferschicht, die über der Sperrschicht liegt, und bildet eine Indiumschicht, die über der Kupferschicht liegt, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Unterziehen zumindest der mehrschichtigen Struktur einem Wärmebehandlungsprozess in einer Umgebung, die eine schwefelhaltige Spezies enthält. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur. Das Kupferindiumdisulfidmaterial umfasst ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht. Das Verfahren hält den Grenzflächenbereich im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren auch das Bilden einer Fensterschicht, die über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die sich ergebende Solarzelle einen Wirkungsgrad von mindestens 10 Prozent und mehr, 11 Prozent und mehr, 13 Prozent und mehr und mehr als 15 Prozent. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • In einer alternativen spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein alternatives Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vor. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberfächenbereich umfasst, und das Bilden einer ersten Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. Das Verfahren umfasst auch das Bilden eines Kupferindiummaterials, das ein atomares Verhältnis von Cu:In umfasst, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, durch zumindest Sputtern eines zu zerstäubenden Materials (so genanntes Target), das ein Indiumkupfermaterial umfasst. Das Verfahren umfasst das Unterziehen des Kupferindiummaterials einem Wärmebehandlungsprozess in einer Umgebung, die eine schwefelhaltige Spezies enthält, und das Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Wärmebehandlungsprozess des Kupferindiummaterials. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Halten eines Grenzflächenbereichs zwischen der ersten Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt, und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht (z. B. Molybdändisulfid) mit Halbleitereigenschaften, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheiden. Das Verfahren umfasst auch das Bilden einer Fensterschicht, die über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegt. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Grenzflächenbereich durch eine Oberflächenmorphologie gekennzeichnet, die im Wesentlichen eine Bildung der Metalldisulfidschicht verhindert; die eine Dicke von etwa 5 bis 10 Nanometer aufweist. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren auch einen Wärmeprozess niedrigerer Temperatur von mindestens 300°C und mehr, um eine Bildung einer Molybdändisulfidschicht zu verhindern.
  • In einer anderen spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vor. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst, und das Bilden einer ersten Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Sperrschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, um einen Grenzflächenbereich zu bilden, und das Bilden einer Kupferschicht, die über der Sperrschicht liegt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bilden einer Indiumschicht, die über der Kupferschicht liegt, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden. Weiterhin umfasst das Verfahren das Unterziehen mindestens der mehrschichtigen Struktur einem Wärmebehandlungsprozess in einer Umgebung, die eine schwefelhaltige Spezies enthält. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial einen Dicke, die von 1 Mikrometer bis 2 Mikrometer reicht, und ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium von etwa 1,4:1 bis etwa 1,6:1 umfasst. Zudem umfasst das Verfahren das Halten des Grenzflächenbereichs zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, und das Bilden einer Fensterschicht, die über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegt. In einer Ausführungsform bildet das Kupferindiumdisulfidmaterial eine Absorberschicht einer photovoltaischen Vorrichtung, die unter Standardtestbedingung durch einen Wirkungsgrad von etwa 10% und mehr gekennzeichnet ist.
  • In einer noch anderen spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung auch eine photovoltaische Dünnschichtvorrichtung vor. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst, und eine erste Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Sperrschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, um einen Grenzflächenbereich zu bilden. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Absorberschicht, die über der Sperrschicht liegt. Die Absorberschicht umfasst ein Kupferindiumdisulfidmaterial, das durch eine Dicke, die von 1 Mikrometer bis 2 Mikrometer reicht, und ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,4:1 bis etwa 1,6:1 reicht, gekennzeichnet ist, und wobei der Grenzflächenbereich zwischen der ersten Elektrodenschicht und der Absorberschicht im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft ist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet. Weiterhin umfasst die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung eine Fensterschicht, die über der Absorberschicht liegt, und eine Kennlinie eines Energieumwandlungswirkungsgrads von etwa 10% und mehr.
  • In einer noch anderen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung eine photovoltaische Dünnschichtvorrichtung vor. Die Vorrichtung umfasst ein transparentes Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst, und eine erste Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Sperrschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, um einen Grenzflächenbereich zu bilden. Ferner umfasst die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung ein Kupferindiumdisulfidmaterial auf der ersten Elektrodenschicht, das von mindestens einem Behandlungsprozess einer mehrschichtigen Struktur umgewandelt wurde, die eine über der ersten Elektrodenschicht liegende Kupferschicht und eine über der Kupferschicht liegende Indiumschicht umfasst. Wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial durch ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, gekennzeichnet ist, und der Grenzflächenbereich zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft ist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Fensterschicht, die über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegt.
  • Des Weiteren sieht die vorliegende Erfindung eine photovoltaische Dünnschichtvorrichtung vor, die in einer bifazialen Weise ausgelegt sein kann. Die bifaziale Vorrichtung kann als Tandemzelle oder andere Multizellenkonfiguration ausgelegt sein. In einer spezifischen Ausführungsform weist die vorliegende Vorrichtung ein transparentes Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst, und eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht auf. Die Vorrichtung weist auch ein Kupferindiumdisulfidmaterial auf der ersten Elektrodenschicht auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kupferindiumdisulfidmaterial durch ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, gekennzeichnet. Die Vorrichtung weist auch eine Fensterschicht auf, die über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung auch einen Wirkungsgrad von etwa 10% und mehr auf und weist auch eine Bandlücke auf, die von etwa 1,4 eV bis 1,5 eV und vorzugsweise 1,45 eV bis etwa 1,5 eV reicht.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden viele Vorteile erreicht. Zum Beispiel nutzt die vorliegende Erfindung Ausgangsmaterialien, die im Handel erhältlich sind, um eine Dünnschicht aus halbleiterhaltigem Material zu bilden, die über einem geeigneten Substratelement liegt. Die Dünnschicht aus halbleiterhaltigem Material kann weiter bearbeitet werden, um ein Halbleiter-Dünnschichtmaterial von erwünschten Eigenschaften zu bilden, beispielsweise atomare Stöchiometrie, Verunreinigungskonzentration, Trägerkonzentration, Dotierung usw. In einer spezifischen Ausführungsform beträgt die Bandlücke des sich ergebenden Kupferindiumdisulfidmaterials etwa 1,55 eV. Ferner nutzt das vorliegende Verfahren umweltfreundliche Materialien, die verhältnismäßig weniger toxisch als andere photovoltaische Dünnschichtmaterialien sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das vorliegende Verfahren und die sich ergebende Struktur im Wesentlichen frei von einer Molybdändisulfidschicht, die eine Halbleitereigenschaft aufweist, die sich von der Absorberschicht unterscheidet, was den Wirkungsgrad der photovoltaischen Zelle verringert. In einer spezifischen Ausführungsform ist die den Absorber (CuInS2) umfassende vorliegende Vorrichtung durch eine Bandlücke bei etwa 1,45 eV bis 1,5 eV gekennzeichnet, kann aber andere Werte haben. In einer spezifischen Ausführungsform kann die Bandlücke bei einem CuInS2-Absorber, der eine Galliumspezies umfasst, der legiert wurde, höher sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung bifazial und können für eine Tandem- oder andere mehrschichtige Zellanordnung ausgelegt sein. Die bifaziale Zelle würde gemäß einer spezifischen Ausführungsform als obere Zelle oder Deckzelle dienen. Abhängig von der Ausführungsform können ein oder mehrere der Vorteile erreicht werden. Diese und andere Vorteile werden in der gesamten vorliegenden Beschreibung und insbesondere nachstehend näher beschrieben.
  • Lediglich beispielhaft umfassen das vorliegende Verfahren und die vorliegenden Materialien Absorbermaterialien aus Kupferindiumdisulfidspezies, Kupferzinnsulfid, Eisendisulfid oder anderen für einschichte Zellen oder mehrschichtige Zellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1–8 sind schematische Diagramme, die ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen.
  • 9 ist eine I-V-Kennliniendarstellung einer beispielhaften Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gemessen von einer kupferindiumdisulfidbasierten photovoltaischen Dünnschichtzelle, die durch einen Grenzflächenbereich zwischen einer Elektrodenschicht und einer Absorberschicht gekennzeichnet ist, der frei von einer Metalldisulfidschicht ist, die eine Halbleitereigenschaft aufweist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet.
  • 10 ist eine I-V-Kennliniendarstellung einer beispielhaften Solarzelle, gemessen von einer kupferindiumdisulfidbasierten photovoltaischen Dünnschichtzelle, die durch einen Grenzflächenbereich zwischen einer Elektrodenschicht und einer Absorberschicht gekennzeichnet ist, der von einer Metalldisulfidschicht verunreinigt ist, die eine Halbleitereigenschaft aufweist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden von Halbleitermaterialien für photovoltaische Anwendungen vorgesehen. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von photovoltaischen Dünnschichtvorrichtungen vor. Lediglich zum Beispiel wird das Verfahren verwendet, um ein Kupferindiumdisulfid-Dünnschichtmaterial für eine Solarzellenanwendung hohen Wirkungsgrads vorzusehen. Es würde aber erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung einen viel breiteren Bereich der Anwendbarkeit hat, zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um andere halbleitende Dünnschichten oder Mehrschichten zu bilden, die Eisensulfid, Kadmiumsulfid, Zinkselenid und andere sowie Metalloxide wie Zinkoxid, Eisenoxid, Kupferoxid und andere umfassen.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess eines Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 1 gezeigt ist ein Substrat 110 vorgesehen. In einer Ausführungsform umfasst das Substrat 110 einen Oberflächenbereich 112 und ist in einer Prozessphase in einer (nicht gezeigten) Prozesskammer gehalten. In einer anderen Ausführungsform ist das Substrat 110 ein optisch transparentes festes Material. Zum Beispiel kann das Substrat 110 ein Glas, Quarz, Quarzgut oder ein Kunststoff oder Metall oder Folie oder Halbleiter oder andere Verbundwerkstoffe sein. Abhängig von der Ausführungsform kann das Substrat ein einzelnes Material, mehrere Materialien, die geschichtet sind, Verbundstoffe, oder gestapelt sein, einschließlich Kombinationen derselben und dergleichen. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 2 gezeigt sieht die vorliegende Erfindung einen Prozess zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vor, um eine Elektrodenschicht zu bilden.
  • Insbesondere wird eine Elektrodenschicht 120 gebildet, die über dem Oberflächenbereich 112 des Substrats 110 liegt. Zum Beispiel kann die Elektrodenschicht 120 aus Molybdän unter Verwenden von Sputtern, Verdampfung (z. B. Elektronenstrahl), Galvanisieren, Kombination derselben und dergleichen gemäß einer spezifischen Ausführungsform hergestellt werden. Die Dicke der Elektrodenschicht kann von 100 nm bis zu 2 Mikrometer und anderen Werten reichen, wobei sie gemäß einer spezifischen Ausführungsform durch einen spezifischen Widerstand von etwa 100 Ohm/cm2 bis 10 Ohm/cm2 und weniger gekennzeichnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Elektrode aus Molybdän oder Wolfram, kann aber aus anderem wie Kupfer, Chrom, Aluminium, Nickel oder Platin bestehen. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Gezeigt ist ein Prozess zum Bilden einer Kupferschicht, die über der im letzten Prozess gebildeten Elektrodenschicht liegt. Insbesondere wird eine Kupfer(Cu)-Schicht 130 gebildet, die über der Elektrodenschicht 120 liegt. Zum Beispiel wird die Kupferschicht unter Verwenden eines Sputterprozesses gebildet. In einem Beispiel kann ein DC-Magnetronsputterprozess verwendet werden, um die Cu-Schicht 130 auf der Elektrodenschicht 120 unter einer folgenden Bedingung abzuscheiden. Der Abscheidungsdruck (unter Verwenden von Ar-Gas) wird auf etwa 6,2 mTorr gesteuert. Der Gasdurchsatz wird auf etwa 32 sccm eingestellt. Die Abscheidungstemperatur kann gerade bei Raumtemperatur liegen, ohne Notwendigkeit des absichtlichen Erhitzens des Substrats. Natürlich kann sich ein geringfügiges Erhitzen aufgrund des während der Abscheidung erzeugten Plasmas ergeben. Ferner kann die Gleichstromversorgung von etwa 115 W erforderlich sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein Gleichstrom in einem Bereich von 100 W bis 150 W abhängig von spezifischen Fällen mit unterschiedlichen Materialien geeignet. Die volle Abscheidungszeit für eine Cu-Schicht von 330 nm Dicke liegt bei etwa 6 Minuten oder mehr. Natürlich kann die Abscheidungsbedingung gemäß einer spezifischen Ausführungsform verändert und abgewandelt werden. Zum Beispiel kann der Sputterprozess von Cu unter Verwenden eines Kupfer-Gallium(Cu-Ga)-Legierungstargets ausgeführt werden. Daher kann die Cu-Schicht 130 zumindest teilweise eine wünschenswerte und anpassbare Menge von Ga-Spezies in der endgültigen Metallpräkursorschicht enthalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden einer Sperrschicht 125, die über der Elektrodenschicht liegt, um einen Grenzflächenbereich zwischen der Elektrodenschicht und der Kupferschicht zu bilden. In einer spezifischen Ausführungsform wird der Grenzflächenbereich während späterer Bearbeitungsschritte im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht gehalten, die eine Halbleitereigenschaft aufweist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet. Abhängig von der Ausführungsform weist die Sperrschicht geeignete leitende Eigenschaften auf und kann reflektierend sein, um elektromagnetische Strahlung zurückzureflektieren zu lassen, oder kann auch transparent oder dergleichen sein. In einer spezifischen Ausführungsform wird die Sperrschicht aus Platin, Titan, Chrom oder Silber gewählt. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie gezeigt ist ein Prozess zum Vorsehen einer Indium(In)-Schicht, die über der Kupferschicht liegt, veranschaulicht. Insbesondere ist die Indiumschicht 140 über der Kupferschicht 130 liegend gebildet. Zum Beispiel wird die Indiumschicht unter Verwenden eines Sputterprozesses über der Kupferschicht abgeschieden. In einem Beispiel kann ein DC-Magnetronsputterprozess verwendet werden, um die auf der Cu-Schicht 130 liegende In-Schicht 140 unter einer ähnlichen Bedingung zum Abscheiden der Cu-Schicht abzuscheiden. In einem anderen Beispiel kann der Sputterprozess zum Abscheiden der In-Schicht 140 unter Verwenden eines In-Ga-Legierungstargets ausgeführt werden, um eine über der Cu-Schicht 130 liegende In-Ga-Schicht zu bilden. Der Ga-Anteil kann durch Wählen eines geeigneten Konzentrationsverhältnisses in dem In-Ga-Legierungstarget und bestimmter Abscheidungsbedingungen auf einen Sollwert angepasst werden. Dieser Ga-Gehalt trägt zumindest teilweise zur endgültigen Ga-Spezies und dem Verhältnis von Cu/(In + Ga) in der Metallpräkursorschicht zum Bilden der Absorberschicht der Solarzelle bei. Die Abscheidungszeit für die Indiumschicht kann kürzer als die für die Cu-Schicht sein. Zum Beispiel können 2 Minuten und 45 Sekunden für das Abscheiden einer In-Schicht von etwa 410 nm Dicke gemäß einer spezifischen Ausführungsform ausreichend sein. In einem anderen Beispiel wird die über der Kupferschicht liegende Indiumschicht abhängig von der spezifischen Ausführungsform durch einen Galvanisierungsprozess oder andere vorgesehen.
  • Gemäß erfindungsgemäßen Ausführungsformen veranschaulichen 1 bis 4 eine Bildung einer mehrschichtigen Struktur 150, die Kupfer und Indium auf einem transparenten Substrat umfasst, die durch Prozesse eines Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vorgesehen wird. In einer Ausführungsform sind die Kupferschicht 130 sowie die Indiumschicht 140 mit einer stöchiometrischen Steuerung vorgesehen, um sicherzustellen, dass die gebildete mehrschichtige Struktur 150 ein Cu-reiches Material mit einem atomaren Verhältnis von Cu:In von mehr als 1 darin ist. Zum Beispiel kann das atomare Verhältnis von Cu:In abhängig von der spezifischen Ausführungsform in einem Bereich von 1,2:1 bis 2,0:1 oder größer liegen. In einer Umsetzung liegt das atomare Verhältnis von Cu:In zwischen 1,35:1 und 1,60:1. In einer anderen Umsetzung liegt das atomare Verhältnis von Cu:In zwischen 1,4:1 und 1,60:1. In einem noch anderen Beispiel ist das atomare Verhältnis von Cu:In mit etwa 1,5:1 gewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Cu:In kupferreich in die resultierende Struktur eingebracht, was im Wesentlichen die gesamte Indiumspezies aufbraucht. In einer spezifischen Ausführungsform bewirkt der Bildungsprozess der Indiumschicht 140 im Wesentlichen keine Änderung der atomaren Stöchiometrie in der früher gebildeten Kupferschicht 130. In einer anderen spezifischen Ausführungsform wird der Bildungsprozess der Indiumschicht 140 früher über der Elektrodenschicht 120 liegend ausgeführt, während der Bildungsprozess der Kupferschicht 130 später über der Indiumschicht 140 liegend ausgeführt wird.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie gezeigt wird die ausgebildete mehrschichtige Struktur 150, die mindestens eine Indiumschicht 140 über einer Kupferschicht 130 umfasst, einem Wärmebehandlungsprozess 200 in einer Umgebung, die eine schwefelhaltige Spezies 210 enthält, bei einem angemessenen Druck und bei einer Temperatur von etwa 400°C bis etwa 600°C etwa drei bis fünfzehn Minuten lang für einen schnellen Wärmeprozess gemäß einer spezifischen Ausführungsform unterzogen. In einem Beispiel sind die schwefelhaltigen Spezies in einer Fluidphase. Als Beispiel kann der Schwefel in einer Lösung vorgesehen werden, die aufgelöstes Na2S, CS2, (NH4)2S, Thiosulfat und andere aufweist. In einem anderen Beispiel sind die schwefelhaltigen Spezies 210 Wasserstoffsulfid in Gasphase. In anderen Ausführungsformen kann der Schwefel in einer Feststoffphase vorgesehen werden. In einer Feststoffphase kann der elementare Schwefel erhitzt und sieden gelassen werden, was zu einer Gasphase verdampft, z. B. Sn. In einer spezifischen Ausführungsform darf die Gasphase mit den Indium-/Kupferschichten reagieren. In anderen Ausführungsformen können andere Kombinationen von Schwefelspezies verwendet werden. Natürlich umfasst der Wärmebehandlungsprozess 200 einen bestimmten vorbestimmten Anfahr- und Niederfahrzeitraum mit einer bestimmten vorbestimmten Geschwindigkeit für Temperaturänderungen. Zum Beispiel ist der Wärmebehandlungsprozess ein schneller thermischer Glühprozess. Das Wasserstoffsulfidgas wird durch ein oder mehrere Einlassventile mit Durchflussteuerung in die Prozesskammer vorgesehen, wo der Wasserstoffsulfidgasdruck durch eine oder mehrere Pumpen untergesteuert wird. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • In einer spezifischen Ausführungsform kann der Schwefel als Schicht vorgesehen werden, die über den Indium- und Kupferschichten oder den Kupfer- und Indiumschichten liegt. In einer spezifischen Ausführungsform wird das Schwefelmaterial als eine dünne Schicht oder strukturierte Schicht vorgesehen. Abhängig von der Ausführungsform kann der Schwefel als Schlicker, Pulver, Feststoff, Gas, Paste oder andere geeignete Form vorgesehen werden. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • Bezüglich der 5 bewirkt der Wärmebehandlungsprozess 200 eine Reaktion zwischen Kupfer-Indium-Material in der mehrschichtigen Struktur 150 und den schwefelhaltigen Spezies 210, wodurch eine Schicht aus Kupferindiumdisulfidmaterial (oder eine Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht) 220 gebildet wird. In einem Beispiel wird das Kupferindiumdisulfidmaterial oder die Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht 220 durch Aufnehmen von Schwefelionen/-atomen, die aus den schwefelhaltigen Spezies gelöst oder aus diesen zersetzt wurden, in die mehrschichtige Struktur 150 mit wechselseitig darin diffundierten Indiumatomen und Kupferatomen umgewandelt. In einer Ausführungsform würde der Wärmebehandlungsprozess 200 zu einer Bildung einer Abdeckschicht über dem umgewandelten Kupferindiumdisulfidmaterial 220 führen. Die Abdeckschicht enthält eine Dicke von im Wesentlichen Kupfersulfidmaterial 221, ist jedoch im Wesentlichen frei von Indiumatomen. Das Kupfersulfidmaterial 221 umfasst einen Oberflächenbereich 225 des gleichen Kupfersulfidmaterials, das im Wesentlichen frei von Indiumatomen ist. In einer spezifischen Ausführungsform erfolgt die Bildung dieser Abdeckschicht unter Cu-reichen Bedingungen für die ursprüngliche Cu-In-haltige mehrschichtige Struktur 150. Abhängig von den Anwendungen liegt die Dicke des Kupfersulfidmaterials 221 beruhend auf der ursprünglichen mehrschichtigen Struktur 150 mit einer über der Kupferschicht 130 liegenden Indiumschicht 140 in einer Größenordnung von etwa fünf bis zehn Nanometer und mehr. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 6 gezeigt wird ein Eintauchprozess 300 an dem Kupfersulfidmaterial 221, das die Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht 220 bedeckt, durchgeführt. Insbesondere wird der Eintauchprozess gemäß einer spezifischen Ausführungsform durch Einwirkenlassen von 1 bis etwa 10 Gew.-% Kaliumcyanidlösung 310 auf den Oberflächenbereich 225 ausgeführt. Das Kaliumcyanid dient als Ätzmittel, das Kupfersulfidmaterial 221 selektiv entfernen kann. Der Ätzprozess beginnt bei dem freiliegenden Oberflächenbereich 225 und die Dicke des Kupfersulfidmaterials 221 hinunter und wird an der Grenzfläche zwischen dem Kupfersulfidmaterial 221 und dem Kupferindiumdisulfidmaterial 220 im Wesentlichen angehalten. Dadurch wird die Kupfersulfidabdeckschicht 221 selektiv durch den Ätzprozess entfernt, so dass ein neuer Oberflächenbereich 228 der verbleibenden Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht 220 gemäß einer spezifischen Ausführungsform freigelegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Ätzselektivität zwischen Kupfersulfid und Kupferindiumdisulfid bei etwa 1:100 oder mehr. In anderen Ausführungsformen können andere selektive Ätzspezies verwendet werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann die Ätzspezies Wasserstoffperoxid sein. In anderen Ausführungsformen können andere Techniken, einschließlich elektrochemisches Ätzen, Plasmaätzen, Sputterätzen oder eine beliebige Kombination derselben, verwendet werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann das Kupfersulfidmaterial mechanisch entfernt, chemisch entfernt, elektrisch entfernt oder in einer beliebigen Kombination derselben usw. entfernt werden. In einer spezifischen Ausführungsform liegt die Absorberschicht aus Kupferindiumdisulfid bei etwa 1 bis 10 Mikrometer, kann aber andere Werte haben. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • 7 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 7 gezeigt wird eine p-Kupferindiumdisulfidschicht 320 gebildet. In bestimmten Ausführungsformen hat das zuvor gebildete Kupferindiumdisulfidmaterial 220 eine p-halbleitende Eigenschaft besessen und ist im Wesentlichen das gleiche wie die p-Kupferindiumdisulfidschicht 320. In einer anderen Ausführungsform wird das Kupferindiumdisulfidmaterial 220 einem zusätzlichen Dotierungsprozess unterzogen, um die p-Verunreinigungsdichte darin zum Zweck des Optimierens von I-V-Eigenschaften der photovoltaischen Dünnschichtvorrichtungen hohen Wirkungsgrads anzupassen. In einem Beispiel werden Aluminiumspezies in das Kupferindiumdisulfidmaterial 220 gemischt. In einem anderen Beispiel wird das Kupferindiumdisulfidmaterial 220 mit einem Kupferindiumaluminiumdisulfidmaterial gemischt, um die Schicht 320 zu bilden. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • Anschließend wird eine Fensterschicht 310 gebildet, die über dem p-Kupferindiumdisulfidmaterial 320 liegt. Die Fensterschicht 310 kann aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus einem Kadmiumsulfid (CdS), einem Zinksulfid (ZnS), Zinkselen (ZnSe), Zinkoxid (ZnO), Zinkmagnesiumoxid (ZnMgO) oder anderen gewählt werden und kann mit Verunreinigungen für Leitfähigkeit, z. B. n+-Typ, dotiert werden. Die Fensterschicht 310 soll als anderer Teil eines PN-Übergangs dienen, der einer photovoltaischen Zelle zugeordnet ist. Daher wird die Fensterschicht 310 während oder nach ihrer Bildung stark dotiert, um eine n+-Halbleiterschicht zu bilden. In einem Beispiel werden Indiumspezies als Dotierungsmaterial verwendet, um die Bildung der n+- Eigenschaft zu bewirken, die der Fensterschicht 310 zugeordnet ist. In einem anderen Beispiel wird der Dotierungsprozess unter Verwenden geeigneter Bedingungen ausgeführt. In einer spezifischen Ausführungsform kann die ZnO-Fensterschicht, die mit Aluminium dotiert ist, von etwa 200 bis 500 Nanometer reichen. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das einen Prozess des Verfahrens zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 8 gezeigt wird eine leitende Schicht 330 zumindest teilweise oben auf die Fensterschicht 310 hinzugefügt, um eine obere Elektrodenschicht für die photovoltaische Vorrichtung zu bilden. In einer Ausführungsform ist die leitende Schicht 330 eine transparente leitende Oxid-TCO-Schicht. Zum Beispiel kann die TCO aus einer Gruppe bestehend aus In2O3:Sn (ITO), ZnO:Al (AZO), SnO2:F (TFO) und anderen gewählt werden. In einer anderen Ausführungsform ist die Bildung der TCO-Schicht von einem bestimmten vorbestimmten Muster zum wirksamen Ausführen der Funktion der oberen Elektrodenschicht für die photovoltaische Vorrichtung unter Berücksichtigen des Maximierens des Wirkungsgrads der dünnschichtbasierten photovoltaischen Vorrichtungen gefolgt. In einer spezifischen Ausführungsform kann die TCO auch als Fensterschicht dienen, was im Wesentlichen eine separate Fensterschicht eliminiert. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • 9 ist eine I-V-Kennliniendarstellung einer beispielhaften Solarzelle, gemessen an einer kupferindiumdisulfidbasierten photovoltaischen Dünnschichtzelle, die gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform durch einen Grenzflächenbereich zwischen einer Elektrodenschicht und einer Absorberschicht im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, gekennzeichnet ist. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie in 9 gezeigt wird, ist eine Stromdichte einer photovoltaischen Kupferindiumdisulfid-Dünnschichtzelle hohen Wirkungsgrads, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, gegen eine Vorspannung aufgetragen. Die Kurve schneidet die y-Achse mit einem Kurzschlussstromwert bei etwa 0,0235 A/cm2 und schneidet eine Nullstromlinie mit einer Vorspannung bei etwa 0,69 V. Die entsprechende photovoltaische Zelle weist eine Absorberschicht aus einer Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf. Insbesondere ist die Absorberschicht etwa 1,5 μm dick und hat ein atomares Verhältnis von Cu:In bei etwa 1,5:1. Zwischen der Absorberschicht und der unteren Elektrodenschicht wird ein Grenzflächenbereich während der Zellenbildungsprozesse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, gehalten. Beruhend auf einer Standardformel kann ein Zellenumwandlungswirkungsgrad η geschätzt werden:
    Figure 00190001
    wobei JSC die Kurzschlussstromdichte der Zelle ist, VOC die angelegte Leerlauf-Vorspannung ist, FF der so genannte Füllfaktor ist, der als Verhältnis des maximalen Leistungspunkts dividiert durch die Leerlauf-Spannung (VOC) und den Kurzschlussstrom (JSC) definiert ist. Die Einfalllichtstrahlungsstärke (Pin, in W/m2) unter Standardtestbedingungen [d. h. STC, das eine Temperatur von 25°C und eine Strahlungsstärke von 1000 W/m2 mit einem Massenspektrum von Luft 1,5 (AM1,5) festlegt] und der Flächeninhalt der Solarzelle (in m2). Somit kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Wirkungsgrad von 10,4% für diese bestimmte Zelle, die durch einen Grenzflächenbereich zwischen einer Elektrodenschicht und Absorberschicht im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, präzis geschätzt werden. In einer spezifischen Ausführungsform beträgt die Bandlücke etwa 1,45 eV bis 1,5 eV. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • 10 ist eine I-V-Kennliniendarstellung einer beispielhaften Solarzelle, gemessen an einer kupferindiumdisulfidbasierten photovoltaischen Dünnschichtzelle, die durch einen Grenzflächenbereich zwischen einer Elektrodenschicht und einer Absorberschicht verunreinigt von einer Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft ist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, gekennzeichnet ist. Das Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das die Ansprüche dieser Anmeldung nicht unangemessen beschränken sollte. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. Wie gezeigt veranschaulicht die Darstellung eine Verschlechterung aufgrund von Verunreinigung und/oder Fehlern an einem Grenzflächenbereich in dem Absorbermaterial, was bereits erwähnt wurde. Wie in 10 gezeigt wird, ist eine Stromdichte einer photovoltaischen Kupferindiumdisulfid-Dünnschichtzelle mangelhaften Wirkungsgrads gegen eine Vorspannung aufgetragen. Der Kurzschlussstromwert beträgt nur etwa 0,019 A/cm2 und die Leerlauf-Spannung beträgt etwa 0,66 V. Die entsprechende photovoltaische Zelle weist eine Absorberschicht aus einer Kupferindiumdisulfid-Dünnschicht auf, die im Wesentlichen der in 9 gezeigten Zelle ähnelt, wenngleich es bei der Zelle von 10 Beschränkungen gibt. Insbesondere ist die Absorberschicht etwa 1,5 μm dick und hat ein atomares Verhältnis von Cu:In bei etwa 1,5:1. Zwischen der Absorberschicht und der unteren Elektrodenschicht wird aber ein Grenzflächenbereich von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet, während der Zellbildungsprozesse (ohne Hinzufügen einer geeigneten Sperrschicht) verunreinigt. Dadurch ist der Energieumwandlungswirkungsgrad, der ebenfalls unter Verwenden der I-V-Kennliniendarstellung extrahiert werden kann, mit einem Wert von etwa 6,7% viel schlechter, was ein Beispiel für eine Einschränkung des Absorbermaterials veranschaulicht. Daher sieht das Verwenden der vorliegenden Sperrschicht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, um einen Grenzflächenbereich zu bilden, und das Halten des Grenzflächenbereichs im Wesentlichen frei von den Metallverunreinigungen, die eine Halbleitereigenschaft aufweisen, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheiden, eine stark verbesserte Technik zum Herstellen einer photovoltaischen Dünnschichtzelle hohen Wirkungsgrads vor.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hält das vorliegende Verfahren einen Grenzflächenbereich zwischen der über dem Oberflächenbereich liegenden Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit Halbleitereigenschaften, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheiden. Abhängig von der Art des Elektrodenmaterials wird die Metalldisulfidschicht aus Molybdändisulfidschicht oder dergleichen gewählt. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Grenzflächenbereich durch eine Oberflächenmorphologie gekennzeichnet, die im Wesentlichen eine Bildung der Metalldisulfidschicht verhindert, die durch eine Dicke von etwa 5 bis 10 Nanometer gekennzeichnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das vorliegende Verfahren einen Wärmeprozess während mindestens des Prozess des Haltens oder eines Teils des Prozess des Haltens von mindestens 300°C und mehr, um eine Bildung der Metalldisulfidschicht zu verhindern, die die Molybdändisulfidschicht oder eine ähnliche Schicht sein kann. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • Auch wenn das Vorstehende gemäß spezifischen Ausführungsformen veranschaulicht wurde, kann es andere Abwandlungen, Alternativen und Varianten geben. Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen und dass im Hinblick darauf für Fachleute verschiedene Abwandlungen oder Änderungen nahe liegen und in das Wesen und den Geltungsbereich dieser Anmeldung und den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche aufzunehmen sind.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung umfasst das Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst, und das Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden eines Kupferindiummaterials, das ein atomares Verhältnis von Cu:In, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, umfasst, durch mindestens Sputtern eines Targets, das ein Indiumkupfermaterial umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin das Unterziehen des Kupferindiummaterials einem Wärmebehandlungsprozess in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung. Weiterhin umfasst das Verfahren das Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Wärmebehandlungsprozess des Kupferindiummaterials und das Halten eines Grenzflächenbereichs zwischen dem Kupferindiumdisulfidmaterial und der Elektrode im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht, die andere Halbleitereigenschaften als das Kupferindiumdisulfidmaterial aufweist. Zudem umfasst das Verfahren das Bilden einer über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegenden Fensterschicht.

Claims (33)

  1. Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst; Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht; Bilden einer über der ersten Elektrodenschicht liegenden Sperrschicht, um einen Grenzflächenbereich zu bilden; Bilden einer über der Sperrschicht liegenden Kupferschicht; Bilden einer über der Kupferschicht liegenden Indiumschicht, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden; Unterziehen mindestens der mehrschichtigen Struktur einem Wärmebehandlungsprozess in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung; Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium umfasst, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht; Halten des Grenzflächenbereichs im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet; Bilden einer über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegenden Fensterschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferindiumdisulfidmaterial eine Dicke aus im Wesentlichen Kupfersulfidmaterial mit einem Kupfersulfid-Oberflächenbereich umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, welches weiterhin das Entfernen der Dicke von Kupfersulfidmaterial umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen das Verwenden einer Lösung von Kaliumcyanid, um die Dicke von Kupfersulfidmaterial selektiv zu entfernen, umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht aus einer Gruppe bestehend aus einem Kadmiumsulfid, einem Zinksulfid, Zinkselen, Zinkoxid oder Zinkmagnesiumoxid gewählt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiterhin das Bilden eines transparenten leitenden Oxids, das über einem Teil der Fensterschicht liegt, umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Kupferschicht durch einen Sputterprozess oder einen Überzugsprozess vorgesehen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht aus Platin, Titan, Chrom oder Silber gewählt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Indiumschicht durch einen Sputterprozess vorgesehen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Indiumschicht durch einen Überzugprozess vorgesehen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferindiumdisulfid eine p-Halbleitereigenschaft aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht eine n+-Halbleitereigenschaft aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Einbringen einer Indiumspezies in die Fensterschicht umfasst, um die Bildung einer n+-Halbleitereigenschaft zu bewirken.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferindiumdisulfid mit einem Kupferindiumaluminiumdisulfid gemischt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelhaltige Spezies Wasserstoffsulfid in Fluidphase umfassen.
  16. Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst; Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht; Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials, das ein atomares Verhältnis von Cu:In umfasst, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, durch zumindest Sputtern eines Targets, das ein Indiumkupfermaterial umfasst; Unterziehen des Kupferindiummaterials einem Wärmebehandlungsprozess in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung; Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Wärmebehandlungsprozess des Kupferindiummaterials; Halten eines Grenzflächenbereichs zwischen der über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht mit Halbleitereigenschaften, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheiden; und Bilden einer über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegenden Fensterschicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldisulfidschicht aus Molybdändisulfidschicht gewählt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzflächenbereich durch einen Oberflächenmorphologie gekennzeichnet ist, die im Wesentlichen eine Bildung der Metalldisulfidschicht verhindert; und dass die Metalldisulfidschicht durch eine Dicke von etwa 5 bis 10 Nanometer gekennzeichnet ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Halten einen Wärmeprozess von mindestens 300°C und mehr umfasst, um eine Bildung der Metalldisulfidschicht zu verhindern, wobei die Metalldisulfidschicht eine Molybdändisulfidschicht ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht aus einer Gruppe bestehend aus einem Kadmiumsulfid, einem Zinksulfid, Zinkselen, Zinkoxid oder Zinkmagnesiumoxid gewählt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, welches weiterhin das Bilden eines transparenten leitenden Oxids, das über einem Teil der Fensterschicht liegt, umfasst.
  22. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferindiumdisulfidmaterial eine p-Halbleitereigenschaft aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterschicht eine n+-Halbleitereigenschaft aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 16, welches weiterhin das Einbringen einer Indiumspezies in die Fensterschicht umfasst, um die Bildung einer n+-Halbleitereigenschaft zu bewirken.
  25. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelhaltige Spezies Wasserstoffsulfid umfassen.
  26. Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst; Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht; Bilden einer über der ersten Elektrodenschicht liegenden Sperrschicht, um einen Grenzflächenbereich zu bilden; Bilden einer über der Sperrschicht liegenden Kupferschicht; Bilden einer über der Kupferschicht liegenden Indiumschicht, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden; Unterziehen mindestens der mehrschichtigen Struktur einem Wärmebehandlungsprozess in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung; Bilden eines Kupferindiumdisulfidmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial eine von 1 Mikrometer bis 2 Mikrometer reichende Dicke und ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium umfasst, das von etwa 1,4:1 bis etwa 1,6:1 reicht; Halten des Grenzflächenbereichs zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet; Bilden einer über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegenden Fensterschicht; und woraufhin das Kupferindiumdisulfidmaterial eine Absorberschicht einer photovoltaischen Vorrichtung bildet, die unter einer Standardtestbedingung durch einen Wirkungsgrad von etwa 10% und mehr gekennzeichnet ist
  27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht eine Dicke von etwa 1,5 Mikrometer umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht Kupferindiumdisulfidmaterial mit einem atomaren Verhältnis von Kupfer zu Indium von etwa 1,5:1 umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Vorrichtung durch eine monotone (I-V)-Kurve von Stromdichte gegen Vorspannung gekennzeichnet ist, die eine Kurzschlussstromdichte von etwa 23,5 mA/cm2 und einen Leerlaufspannung von etwa 0,69 Volt umfasst.
  30. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung, welche umfasst: ein Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst; eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht; eine über der ersten Elektrodenschicht liegende Sperrschicht, um einen Grenzflächenbereich zu bilden; eine über der Sperrschicht liegende Absorberschicht, wobei die Absorberschicht ein Kupferindiumdisulfidmaterial umfasst, das durch eine von 1 Mikrometer bis 2 Mikrometer reichende Dicke und ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,4:1 bis etwa 1,6:1 reicht, umfasst und wobei der Grenzflächenbereich zwischen der ersten Elektrodenschicht und der Absorberschicht im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft ist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet; eine über der Absorberschicht liegende Fensterschicht; und eine Kennlinie von Energieumwandlungswirkungsgrad von etwa 10% und mehr.
  31. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung, welche umfasst: ein transparentes Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst; eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht; eine über der ersten Elektrodenschicht liegende Sperrschicht, um einen Grenzflächenbereich zu bilden; ein Kupferindiumdisulfidmaterial auf der ersten Elektrodenschicht, das aus mindestens einem Behandlungsprozess einer mehrschichtigen Struktur umgewandelt wurde, die eine über der ersten Elektrodenschicht liegende Kupferschicht und eine über der Kupferschicht liegende Indiumschicht umfasst, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial durch ein atomares Verhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,35:1 bis etwa 1,60:1 reicht, gekennzeichnet ist und wobei der Grenzflächenbereich zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von Metalldisulfidschicht mit einer Halbleitereigenschaft ist, die sich von dem Kupferindiumdisulfidmaterial unterscheidet; und eine über dem Kupferindiumdisulfidmaterial liegende Fensterschicht
  32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung bifazial ist.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 31, welche weiterhin umfasst, dass eine Bandlückenenergie, die von etwa 1,45 eV bis 1,5 eV reicht, und ein Wirkungsgrad von etwa 10% und mehr eine photovoltaische Zelle unter Verwenden des Kupferindiumdisulfidmaterials kennzeichnen.
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