缓冲层的薄层太阳能电池的层系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种薄层太阳能电池的层系统W及一种用于制造层系统的方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池和太阳能模块的薄层系统是充分已知的，并且视衬底和所施加的材料 而定，市场上存在不同的实施方案。所述材料被选择为使得最大程度利用入射的太阳光 谱。由于物理特性和工艺可操作性，具有无定形娃、微晶娃或多晶娃、蹄化儒（CdTe)、神化嫁 (GaAs)、铜铜（嫁）砸硫化物（化(In，Ga) (S，Se)2)、铜锋锡硫代砸化物（源自锋黄锡矿的组 的CZTS)W及有机半导体的薄层系统特别适用于太阳能电池。五元半导体化(In,Ga) (S， Se)2属于黄铜矿半导体的组，经常将其称作CIS(二砸化铜铜或二硫化铜铜）或者CIGS(二 砸化铜铜嫁、二硫化铜铜嫁或二硫代砸化铜铜嫁）。缩写词CIGS中的S可W表示砸、硫或者 两种硫族元素的混合物。
[000引基于化(In,Ga) (S，Se)2的当前的薄层太阳能电池和太阳能模块需要在P导通的 化(In,Ga) (S，Se)2吸收层和n导通的前电极之间的缓冲层。前电极通常含有氧化锋狂nO)。 根据目前的认识，该缓冲层能够在吸收材料与前电极之间实现电子匹配。该缓冲层此外还 在通过直流磁控瓣射沉积前电极的后续过程步骤中提供保护W防止瓣射损伤。该缓冲层还 通过在P型半导体和n型半导体之间的高阻中间层的构造阻止电流从导电性良好的区域流 出到导电性差的区域。
[0004] 迄今为止最常使用硫化儒（Cd巧作为缓冲层。为了能够产生良好的电池效率，迄 今为止在化学浴法（C抓沉积过程）中W湿化学方式沉积硫化儒。但是与此相联系的缺点 是，湿化学过程不太适合于目前生产化(In,Ga) (S，Se)2薄层太阳能电池的过程流程。 阳0化]CdS缓冲层的另一个缺点在于其含有毒性重金属儒。因此产生较高的生产费用，因 为在生产过程中（例如处置废水时）必须采取提高的安全措施。对于客户而言，处置产品 可能会引起较高的费用，因为视当地法律而言制造商可能被强迫进行召回、处置或者回收 产品。由此产生的费用将会转嫁给客户。
[0006] 因此针对化(In, Ga)(S，Se)2族半导体构成的不同吸收层测试了硫化儒构成的缓 冲层的不同替代方案，例如瓣射的ZnMgO、通过C抓沉积的化(S，OH)、通过C抓沉积的In(0， OH)、W及通过原子层沉积（ALD)、离子层气相沉积（ILGAR)、喷射热解法或物理气相沉积 (PVD)、如热蒸发或喷瓣的硫化铜。
[0007] 然而运些材料尚不适合用作基于化(In,Ga) (S，Se)2用作商用的太阳能电池的缓 冲层，因为它们达不到与具有CdS缓冲层的太阳能电池一样的效率。效率说明了入射功率 与太阳能电池所产生的功率之比，并且对于小面积上实验室电池的CdS缓冲层而言，效率 为直至约20%，W及对于大面积模块而言，效率在10%和15%之间。此外当替代缓冲层暴 露于光、热和/或湿度时，所述替代缓冲层还表现出过大的不稳定性、滞后效应或者效率退 化。
[0008] CdS缓冲层的另一个缺点在于，硫化儒是一种直接半导体，具有大约2. 4eV的直接 电子带隙。因此在化(In,Ga) (S，Se)z/CdS/化O太阳能电池中，即使CdS层厚为几十纳米， 入射光也会被大量吸收。缓冲层中吸收的光无法用于电收益，因为所产生的载流子在该层 中马上就重新重组，并且在异质结的该区域中和在缓冲材料中有很多起到重组中屯、作用的 晶体缺陷。结果太阳能电池的效率变小，运对于薄层太阳能电池而言是不利的。
[0009] 例如，从WO2009141132A2已知一种具有基于硫化铜的缓冲层的层系统。该层系 统由CIGS族的黄铜矿吸收体并且尤其是化(In,Ga) (S，Se)2与硫化铜构成的缓冲层结合组 成。硫化铜（IriySJ缓冲层例如具有轻度富含铜的组分，其中v/(v+w) =41 %至43%。所 述硫化铜缓冲层可W用不同的非湿化学方法一一例如通过热蒸发、电子射线蒸发、离子层 气体反应（ILGAR)、阴极雾化（瓣射）、原子层沉积（ALD)或瓣射热解一一沉积。
[0010] 然而，在所述层系统和制造方法的迄今为止的研发中已经呈现出，具有硫化铜缓 冲层的太阳能电池的效率低于具有CdS缓冲层的太阳能电池的效率。
[0011] IverLauermann等人的"Synchrotron-basedspectroscopyforthe characterizationofsurfacesandinterfacesinchalcopyritethin-filmsolar cells"（SolarEnergyMaterialsAndSolarCells，ElsevierSciencePublishers，荷 兰，阿姆斯特丹，Bd. 95,化.6, 2010年12月17日，1495-1508页）展示出一种具有含钢缓冲 层的层系统，其中钢含量在本发明所要求保护的范围之外。利用Lauermann等人的装置无 法实现本发明中所要求保护的范围。
[0012] BarM.等人的"DepositionofInzSsonCu(In,Ga) (S，Se)2thinfilmsolar cell曰bsorbersbyspr曰yionIsyerg曰sre曰ction：Evidenceofstronginterf曰ci曰I diffusion"(AppliedPhysicsLetters，AIP，AmericanInstituteofPhysics，美国，纽 约，梅尔维尔，Bd. 90,化.13, 2007年3月29日，132118-1-132118-3页）展示出一种具有含 钢缓冲层的层系统，其中钢含量在本发明中要求保护的范围之外。利用Bar等人的装置无 法实现本发明中要求保护的范围。
【发明内容】
[0013] 因此本发明的任务在于，提供一种基于硫族化合物半导体的带有缓冲层的层系 统，该层系统具有高效率和高稳定性，其中制造应当是成本低廉的和环境兼容的。
[0014] 按照本发明，该任务通过按照权利要求1的层系统解决。本发明的有利扩展由从 属权利要求得出。
[0015] 另外，本发明包括用于制造薄层太阳能电池的层系统的方法。
[0016] 按照本发明的层系统的应用由其它权利要求得知。
[0017] 按照本发明的层系统至少包括：
[0018] -含有硫族化合物半导体的吸收层，W及
[0019] -布置在吸收层上的缓冲层，
[0020] 其中所述缓冲层含有化xlniSyClz，其中0. 05《X< 0. 2或者0. 2 <X《0. 5、 1《y《2且0. 6《x/z《1. 4。
[0021] 在按照本发明的层系统中，对于钢含量取值X= 0. 2。
[0022] 如发明人的研究令人惊讶地得出的那样，通过将钢和氯加入到含硫化铜的缓冲层 中可W测量到太阳能电池的效率的显著提高。
[0023]由于缓冲层的元素能够分别W不同的氧化等级存在，因此只要没有明确另作说 明，W下统一W元素名称表示所有氧化等级。例如因此可将钢理解成元素钢、钢离子W及化 合物中的钢。
[0024] 脚注X反映了缓冲层中钢的物质量与铜的物质量之比，并且对于太阳能电池的效 率是决定性的。在0. 05《X《0. 5的范围内就已经能测量到与纯硫化铜缓冲层相比显著 的效率提局。
[0025] 在本发明层系统的一种有利构型中，0. 1《X< 0. 2或者0. 2 <X《0. 3。对于运 些值而言可W测量到直至15%的特别高的效率。
[0026] 缓冲层中钢的最佳的量明显高于吸收层中钢的总量。但是吸收层中钢的量取决于 制造工艺。吸收层中的钢活动性比较强。发明人假设，同时提供钢和氯使得钢在缓冲层中 结合。钢在缓冲层中的存在同时阻止钢从吸收层扩散出到缓冲层中。
[0027] 脚注y为1至2。脚注y反映了硫的物质量与铜的物质量之比。在本发明层系统 的一种有利构型中，1. 3《y《1. 5。对于运些值来说可W测量到特别高的效率。对于稍微 富铜的缓冲层来说可W测量到特别高的效率。"富铜"在运里表示铜与硫的相对份额比InzSj 的化学计量比中大，并且因此y< 1.5。在本发明的另一种有利构型中，缓冲层为非结晶构 造的。
[0028] 比例x/z为0.6至1. 4,并且优选为0.8至1. 2。对于运些值来说可