DE112009002518T5 - Verfahren und Struktur für Dünnschicht-Photovoltaikzelle unter Verwenden eines Übergangs aus ähnlichem Material - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst. Eine erste Elektrodenschicht liegt über dem Oberflächenbereich. Eine Kupferschicht ist über der ersten Elektrodenschicht liegend ausgebildet, und eine Indiumschicht ist über der Kupferschicht liegend ausgebildet, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden. Mindestens die mehrschichtige Struktur wird einem Wärmebehandlungsprtenden Umgebung unterzogen, um ein Bulk-Kupferindiumdisulfid zu bilden. Das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial weist einen Oberflächenbereich auf, der durch einen kupferarmen Oberflächenbereich mit einem Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 und n-leitende Störstelleneigenschaften gekennzeichnet ist. Das Kupferndiumdisulfid-Bulkmaterial, das den kupferarmen Oberflächenbereich ausschließt, bildet einen Absorberbereich, und der kupferarme Oberflächenbereich bildet mindestens einen Abschnitt eines Fensterbereichs für die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen U.S. Patentanmeldung Nr. 61/116,625, eingereicht am 20. November 2008, mit dem Titel „Method and Structure for Thin Film Photovoltaik Cell Using Similar Material Junction” von Erfinder Howard W. H. Lee, die hierin durch Erwähnung für alle Zwecke abgetreten und aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Photovoltaikmaterialien samt Herstellungsverfahren. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Struktur für die Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikzellen vor. Lediglich zum Beispiel umfassen das vorliegende Verfahren und die vorliegenden Materialien Absorbermaterialien aus Kupferindiumdisulfidspezies, Kupferzinnsulfid, Eisendisulfid oder andere für einschichtige Zellen oder mehrschichtige Zellen.
  • Seit Anbeginn der Zeit ist 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, Sonne 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 zu 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 solchen kristallinen Materialien hergestellte Vorrichtungen häufig geringe 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 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 Dünnschicht-Halbleitermaterialien vor, die für die Herstellung von Photovoltaikzellen 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 wird ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst. Eine erste Elektrodenschicht wird über dem Oberflächenbereich liegend ausgebildet. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Kupferschicht, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, und das Ausbilden einer 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, und das Bilden eines Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur. In einer spezifischen Ausführungsform bildet das Verfahren ein Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur. Wobei das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial einen Oberflächenbereich aufweist, der durch einen kupferarmen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 umfasst. In einer spezifischen Ausführungsform weist der kupferarme Oberflächenbereich n-leitende Störstelleneigenschaften auf. In einer spezifischen Ausführungsform bildet das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial, das den kupferarmen Oberflächenbereich ausschließt, einen Absorberbereich, und wobei der kupferarme Oberflächenbereich mindestens einen Abschnitt eines Fensterbereichs für die photovoltaische Zelle bildet. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden eines transparenten Materials hohen spezifischen Widerstands, das über dem kupferarmen Oberflächenbereich mit den Eigenschaften einer n-leitenden Störstelle liegt. Die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands verwendet ein Halbleitermaterial, das in einer spezifischen Ausführungsform eine intrinsische Halbleitereigenschaft hat. Über der transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands liegend ist eine zweite Elektrodenschicht ausgebildet.
  • In einer alternativen Ausführungsform wird eine photovoltaische Dünnschichtvorrichtung vorgesehen. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst ein Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst eine erste Elektrodenschicht, die über dem Oberflächenbereich liegt. Ein Chalkopyritmaterial, das einen Chalkopyritmaterial-Oberflächenbereich umfasst, liegt über der ersten Elektrodenschicht. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Chalkopyritmaterial ein Kupferindiumdisulfidmaterial und einen kupferarmen Kupferindiumdisulfid-Oberflächenbereich. Der kupferarme Kupferindiumdisulfid-Oberflächenbereich hat ein Atomverhältnis von Cu:In von etwa 0,99 und weniger und hat eine Eigenschaft einer n-leitenden Störstelle. In einer spezifischen Ausführungsform sieht der kupferarme Kupferindiumdisulfid-Oberflächenbereich eine Fensterschicht für die photovoltaische Vorrichtung vor. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst auch eine zweite Elektrodenschicht, die über der Fensterschicht liegt.
  • In einer noch anderen Ausführungsform wird eine photovoltaische Dünnschichtvorrichtung vorgesehen. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst ein Substrat, das einen Oberflächenbereich umfasst. Über dem Oberflächenbereich liegt eine erste Elektrodenschicht. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst einen Absorberbereich, der über der ersten Elektrodenschicht liegt. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Absorberbereich ein Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst einen Fensterbereich, der einen Oberflächenbereich aus dem Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial umfasst. Der Oberflächenbereich aus dem Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial ist durch einen kupferarmen Oberflächenbereich gekennzeichnet, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium aufweist, das kleiner als etwa 0,95:1 ist. Wobei der kupferarme Oberflächenbereich in einer spezifischen Ausführungsform Eigenschaften einer n-leitenden Störstelle hat. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung kann ein transparentes Material hohen spezifischen Widerstands umfassen, das über dem kupferarmen Oberflächenbereich mit den Eigenschaften einer n-leitenden Störstelle liegt. Die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands umfasst ein Halbleitermaterial mit einer intrinsischen Halbleitereigenschaft. Die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst eine zweite Elektrodenschicht, die über der transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands liegt. Die zweite Elektrodenschicht umfasst in einer spezifischen Ausführungsform ein Zinkoxidmaterial mit Eigenschaften einer n-leitenden Störstelle.
  • 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, Störstellenkonzentration, Trägerkonzentration, Dotierung usw. In einer spezifischen Ausführungsform kann das Dünnschicht-Halbleitermaterial unter Verwenden eines Kupferindiumdisulfidmaterials vorgesehen werden. In einer spezifischen Ausführungsform ist das Kupferindiumdisulfidmaterial durch eine Bandlücke von etwa 1,55 eV gekennzeichnet. Ferner nutzen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen umweltfreundliche Materialien, die verhältnismäßig weniger toxisch als andere photovoltaische Dünnschichtmaterialien sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das vorliegende Verfahren und die sich ergebende Struktur im Wesentlichen frei von einem parasitären Übergang auf einer Absoberschicht, die auf einem kupferarmen Chalkopyritmaterial beruht. In einer spezifischen Ausführungsform nutzt das vorliegende Verfahren das kupferarme Chalkopyritmaterial, das eine Eigenschaft einer n-leitenden Störstelle hat, als Fensterschicht für die photovoltaische Zelle. In einer bevorzugten Ausführungsform reicht auch die Leerlaufspannung des Chalkopyritmaterials wie etwa Kupferindiumdisulfid von etwa 0,8 Volt und mehr und vorzugsweise 0,9 Volt und mehr oder 1,0 Volt und mehr bis zu 1,2 Volt. 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;
  • 9–10 sind vereinfachte Diagramme, die ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigen, die einen kupferarmen Oberflächenbereich für eine Fensterschicht umfasst.
  • 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 versteht sich aber, 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 beschränkten 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 beschränkten 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 erste Elektrodenschicht 120 gebildet, die über dem Oberflächenbereich 112 des Substrats 110 liegt. Zum Beispiel kann die erste Elektrodenschicht 120 gemäß einer spezifischen Ausführungsform aus Molybdän unter Verwenden von Sputtern, Verdampfung (z. B. Elektronenstrahl), Galvanisieren, Kombination derselben und dergleichen hergestellt werden. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht kann von 100 nm bis zu 2 Mikrometer u. a. 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 erste Elektrode aus Molybdän oder Wolfram, kann aber anderes wie Kupfer, Chrom, Aluminium, Nickel oder Platin sein. 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 beschränkten 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 ersten Elektrodenschicht liegt. Insbesondere wird eine Kupfer(Cu)-Schicht 130 gebildet, die über der ersten 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 ersten 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 einfach 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.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden einer Sperrschicht 125, die über der ersten Elektrodenschicht liegt, um einen Grenzflächenbereich zwischen der ersten 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 beschränkten 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 wird 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 120 liegende In-Schicht 140 unter einer ähnlichen Bedingung zum Abscheiden der Cu-Schicht abzuscheiden. 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 Indiumschicht abhängig von der spezifischen Ausführungsform über der Kupferschicht liegend 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 ausgewählten Stöchiometrie vorgesehen, um sicherzustellen, dass die mehrschichtige Struktur 150 ein Cu-reiches Material mit einem Atomverhältnis von Cu:In von mehr als 1 darin ist. Zum Beispiel kann das Atomverhältnis 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 Atomverhältnis von Cu:In zwischen 1,35:1 und 1,60:1. In einer anderen Umsetzung ist das Atomverhältnis von Cu:In mit etwa 1,55:1 gewählt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Cu:In-Verhältnis kupferreich eingebracht, das in der resultierenden Struktur 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 ersten 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 beschränkten 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. Zum 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, der 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 Anlauf- und Rücklaufzeitraum mit einer bestimmten vorbestimmten Geschwindigkeit für Temperaturänderungen. Zum Beispiel ist der Wärmebehandlungsprozess ein schneller thermischer Glühprozess. Das Wasserstoffsulfidgas wird durch ein oder mehrere Zugangsventile 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, 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 beschränkten 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 startet von 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 beträgt die Absorberschicht aus Kupferindiumdisulfid 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 beschränkten 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 darin eine p-leitende Störstellendichte zum Zweck einer optimalen I-V-Eigenschaft der photovoltaischen Dünnschichtvorrichtungen hohen Wirkungsgrads vorzusehen. In einer spezifischen Ausführungsform 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+-leitende Halbleiterschicht zu bilden. In einem Beispiel werden Indiumspezies als Dotierungsmaterial verwendet, um die Bildung der n+-Typ-Eigenschaft zu bewirken, die der Fensterschicht 310 zugeordnet wird. 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 auf einem ausgewählten Abschnitt der Fensterschicht 310 vorgesehen, 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 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 Strukturierungsschritt zum wirksamen Ausführen der Funktion der oberen Elektrodenschicht für die photovoltaische Vorrichtung unter Berücksichtigen des Maximierens des Wirkungsgrads der dünnschichtbasierten photovoltaischen Vorrichtungen gefolgt. In bestimmten Ausführungsformen kann die TCO-Schicht als Fensterschicht dienen, was im Wesentlichen eine separate Fensterschicht eliminiert. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hält das vorliegende Verfahren einen Grenzbereich zwischen der über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht und dem Kupferindiumdisulfidmaterial im Wesentlichen frei von einer Metalldisulfidschicht, die unterschiedliche Halbleitereigenschaften von dem Kupferindiumdisulfidmaterial hat. Abhängig von der Art des ersten Elektrodenmaterials wird die Metalldisulfidschicht aus Molybdändisulfidschicht oder dergleichen gewählt. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Grenzbereich durch eine im Wesentlichen eine Bildung der Metalldisulfidschicht verhindernde Oberflächenmorphologie gekennzeichnet, 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 Beibehaltungsprozesses oder eines Teils des Beibehaltungsprozesses von mindestens 300°C und höher, um eine Bildung der Metalldisulfidschicht zu verhindern, die das Molybdändisulfid oder eine ähnliche Schicht sein kann. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen oder Alternativen geben.
  • In einer spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung vor, das nachstehend umrissen wird.
    • 1. Start;
    • 2. Vorsehen eines transparenten Substrats, das einen Oberflächenbereich umfasst;
    • 3. Bilden einer über dem Oberflächenbereich liegenden ersten Elektrodenschicht;
    • 4. Bilden einer über der ersten Elektrodenschicht liegenden Kupferschicht;
    • 5. Bilden einer über der Kupferschicht liegenden Indiumschicht, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden (alternativ wird Indium zuerst gebildet oder es werden mehrere Schichten sandwichartig aufeinander vorgesehen);
    • 6. Einwirkenlassen eines Wärmebehandlungsprozesses auf mindestens die mehrschichtige Struktur in einer eine schwefelhaltige Spezies enthaltenden Umgebung;
    • 7. Bilden eines Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfidmaterial ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium, das von etwa 1,2:1 bis etwa 2:1 oder 1,35:1 bis etwa 1,60:1 (oder vorzugsweise und alternativ von etwa 0,99:1 oder 0,95:1 oder weniger) reicht, und eine Dicke von im Wesentlichen Kupfersulfidmaterial mit einem Kupfersulfidoberflächenbereich umfasst;
    • 8. Entfernen der Dicke des Kupfersulfidmaterials, um einen Oberflächenbereich mit einem kupferarmen Oberflächenbereich freizusetzen, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 oder 0,99:1 umfasst, der kupferarme Oberflächenbereich hat eine n-leitende Störstelleneigenschaft; und
    • 9. Bilden einer über dem kupferarmen Oberflächenbereich liegenden optionalen transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands, die die n-leitende Störstelleneigenschaft aufweist;
    • 10. Bilden einer zweiten Elektrodenschicht; und
    • 11. Bedarfsweises Ausführen anderer Schritte.
  • Die vorstehende Schrittfolge sieht ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor. In einer spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine sich ergebende photovoltaische Struktur unter Verwenden eines kupferarmen Oberflächenbereichs für die Fensterschicht und frei von parasitären Übergangsbereichen in der Absorberschicht vor. Es können auch andere Alternative vorgesehen werden, bei denen Schritte hinzugefügt werden, ein oder mehrere Schritte entfernt werden oder ein oder mehrere Schritte in einer anderen Folge vorgesehen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche abzuweichen. Einzelheiten des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Struktur lassen sich in der gesamten vorliegenden Beschreibung und insbesondere nachstehend finden.
  • 9–11 sind vereinfachte Diagramme, die ein Verfahren und eine Struktur zum Bilden einer photovoltaischen Dünnschichtvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Diese Diagramme sind lediglich Beispiele, die den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche nicht unangemessen beschränkten sollten. Ein Fachmann würde andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. In einer spezifischen Ausführungsform beginnt das vorliegende Verfahren mit einer teilweise fertig gestellten photovoltaischen Vorrichtung 900. Wie gezeigt umfasst die Vorrichtung ein transparentes Substrat 901, das einen Oberflächenbereich umfasst, auch wenn andere Substrate verwendet werden können. Die photovoltaische Vorrichtung umfasst auch eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht 903. In einer spezifischen Ausführungsform kann die erste Elektrodenschicht ein beliebiges leitendes Material sein, das leitende Metalle, Oxide und Halbleiter oder Kombinationen derselben umfasst, sowie ein beliebiges Material, das hierin beschrieben ist und außerhalb der vorliegenden Beschreibung liegt.
  • In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die photovoltaische Vorrichtung ein Chalkopyritmaterial, das als Absorber 905 für die photovoltaische Vorrichtung dient. Wie gezeigt kann das Chalkopyritmaterial u. a. Kupferindiumdisulfidmaterial, Kupferindiumaluminiumdisulfid, Kupferindiumgalliumdisulfid, Kombinationen derselben u. a. umfassen. In einer spezifischen Ausführungsform ist das Chalkopyritmaterial kupferreich oder alternativ kupferarm und durch einen oder mehrere Abschnitte mit einem Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von 0,99:1 und weniger oder 0,95:1 und weniger gekennzeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupferindiumdisulfidmaterial ein oder mehrere kupferarme Bereiche auf, die vorzugsweise unter Verwenden einer ionischen Spezies kompensiert sind. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben. In einer spezifischen Ausführungsform weist das Chalkopyrit eine dünne Schicht aus Kupfersulfid 907 auf, die bereits beschrieben wurde, die als Rückstand oder festes Material zurückbleiben kann, wenn das Bulkmaterial kupferreich ist. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • Unter Bezug auf 10 entfernt das Verfahren selektiv die dünne Schicht aus Kupfersulfid. In einer spezifischen Ausführungsform wird die dünne Schicht unter Verwenden einer Lösung aus Kaliumcyanid (KCN) oder einer anderen geeigneten Methode, z. B. Trockenätzen, Plasmaätzen, Sputtern u. a. entfernt 909. In einer spezifischen Ausführungsform kann das Verfahren die Bildung eines kupferarmen Oberflächenbereichs 1001 bewirken. In einer spezifischen Ausführungsform ist die kupferarme Oberfläche durch ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 oder 0,99:1 gekennzeichnet. In einer spezifischen Ausführungsform ist der kupferarme Oberflächenbereich als n-Chalkopyritmaterial gekennzeichnet, das einen PN-Übergang mit dem p-Kupferindiumdisulfidmaterial bildet, das kupferreich sein kann. Der kupferarme Oberflächenbereich kann in einer spezifischen Ausführungsform als Fensterschicht für die photovoltaische Vorrichtung dienen. In bestimmten Ausführungsformen kann der kupferarme Oberflächenbereich weiterhin behandelt werden, um eine angemessene n-leitende Störstellenkonzentration für eine geeignete und effiziente Ladungstrennung für die Photovoltaikzelle vorzusehen. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • Abhängig von der Ausführungsform kann der kupferarme Oberflächenbereich Defekte aufweisen, wie etwa ein oder mehrere Krater in einer Dicke des kupferarmen Oberflächenbereichs. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bilden einer optionalen transparenten (HRT-)Schicht 1003 hohen spezifischen Widerstands, die über dem kupferarmen Oberflächenbereich liegt, die n-leitende Störstelleneigenschaften hat. Die HRT-Schicht kann ein intrinsisches Halbleitermaterial verwenden, das in einer spezifischen Ausführungsform ein zweites transparentes leitendes Oxid 1005 bildet. Zum Beispiel kann die HRT-Schicht für ein aluminiumdotiertes Zinkoxidmaterial als zweites transparentes leitendes Oxid ein intrinsisches Zinkoxidmaterial verwenden. In einer alternativen Ausführungsform kann die HRT-Schicht ein intrinsisches Halbleitermaterial sein, das eine Fensterschicht für die Photovoltaikzelle bildet. Zum Beispiel kann die HRT-Schicht für eine CIGS-basierte photovoltaische Vorrichtung unter Verwenden eines n-Kadmiumsulfidmaterials als Fenster ein intrinsisches Kadmiumsulfidmaterial verwenden, kann aber aus anderen Materialien bestehen. Ein Fachmann würde natürlich andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen erkennen. In einer Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendete die HRT-Schicht intrinsisches Zinkoxidmaterial oder intrinsisches Zinnoxidmaterial mit einem Dotierungswert zwischen etwa 1 × 1011 und etwa 1 × 1013 cm–3. Die HRT-Schicht kann eine Dicke zwischen etwa 100 nm und 1000 nm und einen Widerstand zwischen 1 Ohm/Quadrat und 0,0001 Ohm/Quadrat haben. Lediglich zum Beispiel können das zweite transparente leitende Oxidmaterial und die entsprechende HRT-Schicht ein zinndotiertes Indiumoxid, Indiumoxid, fluordotiertes Zinnoxid, Zinnoxid, AZO u. a. umfassen. In einer spezifischen Ausführungsform schützt das Material hohen Widerstands vor Kratern und anderen möglichen Defekten und dergleichen. Natürlich kann es andere Varianten, Abwandlungen und Alternativen geben.
  • Auch wenn das Vorstehende gemäß spezifischen Ausführungsformen veranschaulicht wurde, kann es andere Abwandlungen, Alternativen und Varianten geben. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können bei einem Verfahren zum Bilden von Photovoltaikzellen hohen Wirkungsgrads angewendet werden, das in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/475,858, eingereicht von Erfinder Howard W. H. Lee am 1. Juni 2009, beschrieben wird, und können bei einem Verfahren und einer Struktur zum Bilden einer Dünnschicht-Tandemphotovoltaikzelle, die in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/562,086, eingereicht von Erfinder Howard W. H. Lee am 17. September 2009, die hierin für alle Zwecke übertragen und aufgenommen wird, angewendet werden. Auch wenn ferner das Vorstehende bezüglich Kupferindiumdisulfid beschrieben wurde, können andere ähnliche Materialien wie etwa Kupferindiumgalliumdisulfid, Kupferindiumaluminiumdisulfid, Kombinationen derselben und andere verwendet werden. Andere Materialien können CuGaS2, CuInSe2 (CIS), Cu(InGa)Se2 (CIGS), Cu(InAl)Se2, Cu(In, Ga)SSe, Kombinationen derselben und dergleichen umfassen. 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.

Claims (24)

  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 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 Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterials aus mindestens dem Behandlungsprozess der mehrschichtigen Struktur, wobei das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial einen Oberflächenbereich aufweist, der durch einen kupferarmen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium umfasst, das kleiner als etwa 0,95:1 ist, wobei der kupferarme Oberflächenbereich eine n-leitende Störstelleneigenschaft aufweist, wobei das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial, das den kupferarmen Oberflächenbereich ausschließt, einen Absorberbereich bildet und der kupferarme Bereich mindestens einen Abschnitt eines Fensterbereichs bildet; Bilden eines über dem kupferarmen Oberflächenbereich liegenden transparenten Materials hohen spezifischen Widerstands mit der n-leitenden Störstelleneigenschaft, wobei die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands ein Halbleitermaterial mit einer intrinsischen Halbleitereigenschaft umfasst; und Bilden einer über der transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands liegenden zweiten Elektrodenschicht mit p-leitenden Störstelleneigenschaften.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kupferarme Bereich mit den n-leitenden Störstelleneigenschaften eine Fensterschicht vorsieht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands optional ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht ein Metallmaterial umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht ein transparentes leitendes Oxidmaterial umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht ein transparentes leitendes Oxid gewählt aus: aluminiumdotiertem Zinkoxid, indiumdotiertem Zinnoxid (ITO) oder fluordotiertem Zinnoxid ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial eine Dicke von Kupfersulfidmaterial umfasst, wobei die Dicke des Kupfersulfidmaterials unter Verwenden einer Lösung von Kaliumcyanid selektiv entfernt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsprozess der kupferarmen Oberfläche eine Temperatur umfasst, die von etwa 100°C bis etwa 500°C reicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Kupferschicht durch einen Sputterprozess oder Galvanisierungsprozess vorgesehen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Indiumschicht durch einen Sputterprozess vorgesehen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Indiumschicht durch einen Galvanisierungsprozess vorgesehen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bulk-Kupferindiumdisulfid eine p-leitende Störstelleneigenschaft umfasst.
  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 Bulk-Kupferindiumdisulfid mit einem Kupferindiumaluminiumdisulfid oder Kupferindiumgalliumdisulfid gemischt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sulfidhaltige Spezies Wasserstoffsulfid in Fluidphase umfassen.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenschicht ein transparentes leitendes Oxidmaterial ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente leitende Oxidmaterial aus aluminiumdotiertem Zinkoxid, indiumdotiertem Zinnoxid (ITO) oder fluordotiertem Zinnoxid gewählt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material hohen spezifischen Widerstands aus intrinsischem Zinkoxidmaterial oder intrinsischem Zinnoxidmaterial gewählt wird.
  19. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung, wobei die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst: ein einen Oberflächenbereich umfassendes Substrat; eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht; ein Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial, wobei das Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial einen Oberflächenbereich aufweist, der durch einen kupferarmen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 umfasst, wobei der kupferarme Oberflächenbereich eine n-leitende Störstelleneigenschaft aufweist; ein über dem kupferarmen Oberflächenbereich mit der n-leitenden Störstelleneigenschaft liegendes transparentes Material hohen spezifischen Widerstands, wobei die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands ein Halbleitermaterial mit einer intrinsischen Halbleitereigenschaft umfasst; und eine zweite Elektrodenschicht, die ein Zinkoxidmaterial mit p-leitenden Störstelleneigenschaften umfasst, die über der transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands liegt.
  20. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung, wobei die photovoltaische Dünnschichtvorrichtung umfasst: ein einen Oberflächenbereich umfassendes Substrat; eine über dem Oberflächenbereich liegende erste Elektrodenschicht; einen Absorberbereich, der ein Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial umfasst; einen Fensterbereich, der einen Oberflächenbereich aus dem Kupferindiumdisulfid-Bulkmaterial umfasst, wobei der Oberflächenbereich durch einen kupferarmen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist, der ein Atomverhältnis von Kupfer zu Indium von weniger als etwa 0,95:1 umfasst, wobei der kupferarme Oberflächenbereich n-leitende Störstelleneigenschaften aufweist; ein transparentes Material hohen spezifischen Widerstands, das über dem kupferarmen Oberflächenbereich mit den n-leitenden Störstelleneigenschaften liegt, wobei die transparente Schicht hohen spezifischen Widerstands ein Halbleitermaterial mit einer intrinsischen Halbleitereigenschaft umfasst; und eine zweite Elektrodenschicht, die ein Zinkoxidmaterial mit p-leitenden Störstelleneigeschaften umfasst, die über der transparenten Schicht hohen spezifischen Widerstands liegt.
  21. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material hohen spezifischen Widerstands intrinsisches Zinkoxidmaterial oder intrinsisches Zinnoxidmaterial mit einem Dotierungswert zwischen etwa 1 × 1011 und etwa 1 × 1013 cm–3 umfasst.
  22. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material hohen spezifischen Widerstands eine Dicke zwischen etwa 100 nm und 1000 nm und einen Widerstand zwischen 1 Ohm/Quadrat und 0,0001 Ohm/Quadrat umfasst.
  23. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 20, welche weiterhin eine ein n-Kadmiumsulfidmaterial umfassende Fensterschicht umfasst, die über dem kupferarmen Oberflächenbereich liegt.
  24. Photovoltaische Dünnschichtvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material hohen spezifischen Widerstands ein intrinsisches Kadmiumsulfidmaterial umfasst.
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