DE102012104616B4

DE102012104616B4 - Verfahren zum Bilden einer Fensterschicht in einer Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung auf Cadmiumtelluridbasis

Info

Publication number: DE102012104616B4
Application number: DE102012104616.6A
Authority: DE
Inventors: Scott Daniel Feldman-Peabody; Robert Dwayne Gossman
Original assignee: Primestar Solar Inc
Current assignee: First Solar Malaysia Sdn Bhd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102810597A; MY152203A; DE102012104616A1; US20120052621A1; CN102810597B; US8241930B2

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung (10), wobei das Verfahren umfasst: Sputtern einer mehrphasigen Schicht (17) von einem Target auf eine transparente leitende Oxidschicht (14), wobei sich die transparente leitende Oxidschicht (14) auf einem Glassubstrat (12) befindet und wobei das Target (64) CdSOx mit x gleich 3 oder 4 umfasst und wobei die mehrphasige Schicht (17) Cadmium, Schwefel und Sauerstoff in Form einer Kombination von wenigstens zwei Verbindungen aufweist; und Aufbringen einer Cadmiumtelluridschicht (20) auf die mehrphasige Schicht (17).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Bilden einer Fensterschicht zur Verwendung in einer Photovoltaikvorrichtung zusammen mit den zugehörigen Abscheidungsverfahren. Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich insbesondere auf Verfahren zum Bilden einer Fensterschicht, die eine Kombination von Cadmium, Schwefel und Sauerstoff zur Verwendung in Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen enthält, sowie deren Herstellungsverfahren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dünnschicht-Photovoltaik(PV)-Module (auch als „Solarmodule” bezeichnet) auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) in Kombination mit Cadmiumsulfid (CdS) als photoreaktive Komponenten finden in der Industrie wachsende Akzeptanz und stoßen auf zunehmendes Interesse. In dem Artikel Romeo et al., „Comparison of different conducting oxides as substrates for CdS/CdTe thin film solar cells” in Thin Solid Films 431–432 (2003), S. 364–368, wird beispielsweise eine Solarzelle auf Basis von CdTe/CdS beschrieben, wobei die CdS-Schicht mit einem RF-Sputter-Verfahren hergestellt wird. Die nachveröffentlichte DE 10 2011 054 716 A1 beschreibt die Herstellung einer gleichmäßigen vermischten Schicht aus CdS und CdTe durch Zerstäuben eines Targets, das CdS und CdTe umfasst. Zu Sputter-Verfahren allgemein wird auf die WO 2010/021 613 A1 und auf die US 2006/0 233 965 A1 verwiesen, die ein System zum Sputtern beziehungsweise ein Verfahren zum Herstellen eines Sputter-Targets zeigen. CdTe ist ein Halbleitermaterial mit besonders gut geeigneten Eigenschaften für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom. Beispielsweise besitzt CdTe einen Energiebandabstand von ungefähr 1,45 eV, was es ihm ermöglicht, vergleichsweise mehr Energie aus dem Sonnenspektrum umzuwandeln als Halbleitermaterialien mit einem geringeren Bandabstand, die traditionell in Solarzellenanwendungen genutzt werden (z. B. ungefähr 1,1 eV bei Silizium). Zudem wandelt CdTe, verglichen mit Materialien mit geringerem Bandabstand, Strahlungsenergie auch bei schwachen oder diffusen Lichtverhältnissen um und weist somit eine vergleichsweise längere effektive Umwandlungszeit über den Tagesverlauf oder bei wolkigen Verhältnissen auf als herkömmliche Materialien.
Generell ist der Übergang zwischen der n-Schicht und der p-Schicht für die Erzeugung des elektrischen Potentials und des elektrischen Stroms verantwortlich, wenn das CdTe-PV-Modul Lichtenergie, beispielsweise Sonnenlicht, ausgesetzt wird. Insbesondere bilden die Cadmiumtellurid(CdTe)-Schicht und die Cadmiumsulfid(CdS)-Schicht einen p-n-Heteroübergang, wobei die CdTe-Schicht als p-Schicht (d. h. als Elektronen aufnehmende Schicht oder Elektronenakzeptor) und die CdS-Schicht als n-Schicht (d. h. Elektronen abgebende Schicht oder Elektronendonator) wirken. Durch Lichtenergie entstehen freie Trägerpaare, die danach durch den p-n-Heteroübergang getrennt werden und dabei einen elektrischen Strom erzeugen.
Eine höhere Leistung wurde bei solchen Modulen festgestellt, wenn eine in Anwesenheit von Sauerstoff gesputterte Cadmiumsulfidschicht verwendet wird. Dieser Sauerstoff im Abscheidungsverfahren entspricht Sauerstoff, der in die Cadmiumsulfid-Dünnschicht in Form eines Zufallsgemischs von Verbindungen eingebracht wird, zu denen CdS, CdO, CdSO₃ und CdSO₄ gehören. Die genaue Stöchiometrie der abgeschiedenen Schicht kann jedoch in diesem reaktiven Sputter-Verfahren nicht kontrolliert werden.
Somit besteht ein Bedarf, den Sauerstoffgehalt und die Stöchiometrie des Cadmiums, Schwefels und Sauerstoffs, welche die n-Fensterschicht zur Verwendung einer Dünnschicht-PV-Vorrichtung auf Cadmiumtelluridbasis bilden, zu kontrollieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert, können sich aus der Beschreibung erschließen oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
Allgemein bereitgestellt werden Verfahren zum Herstellen solcher Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen mittels Sputtern einer gemischtphasigen Schicht von einem Target (z. B. CdSO_x enthaltend, wobei x gleich 3 oder 4 ist) auf eine transparente leitende Oxidschicht und zum Aufbringen einer Cadmiumtelluridschicht auf der gemischten Schicht. Die transparente leitende Oxidschicht befindet sich auf einem Glassubstrat.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die anhängenden Ansprüche besser verständlich werden. Die beiliegenden Zeichnungen, die als Bestandteil von ihr in diese Beschreibung aufgenommen werden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Grundsätze der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine an den Fachmann gerichtete, vollständige und befähigende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Form, wird in der Beschreibung dargelegt, welche auf die anhängenden Figuren Bezug nimmt, auf denen:
1 eine beispielhafte Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung auf Cadmiumtelluridbasis zeigt, welche eine mehrphasige Fensterschicht enthält;
2 und 3 beispielhafte Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen auf Cadmiumtelluridbasis zeigen, welche einen aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel mit zwei Schichten enthalten;
4 bis 9 beispielhafte Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen auf Cadmiumtelluridbasis zeigen, welche einen aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel mit drei Schichten enthalten;
10 eine allgemeine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer beispielhaften Gleichstrom-Sputterkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
11 ein Schaubild eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen auf Cadmiumtelluridbasis zeigt, welche einen aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel enthalten.
Die wiederholte Verwendung von Bezugsziffern in der vorliegenden Beschreibung und in den Zeichnungen soll dieselben oder ähnliche Merkmale oder Elemente darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nun wird ausführlich auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird als Erklärung der Erfindung, nicht als Einschränkung der Erfindung, gegeben. In der Tat wird für die Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Varianten an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können als Teil einer Ausführungsform veranschaulichte oder beschriebene Merkmale mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Es ist somit beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung diese Änderungen und Varianten insoweit abdeckt, als sie innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen. Wenn in der vorliegenden Offenbarung eine Schicht als „auf” oder „über” einer anderen Schicht oder einem Substrat beschrieben wird, ist dies so zu verstehen, dass sich die Schichten entweder direkt berühren können oder sich eine weitere Schicht oder ein Merkmal zwischen den Schichten befinden kann, sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben wird. Diese Begriffe beschreiben somit lediglich die relative Position der Schichten zueinander und bedeuten nicht notwendigerweise „oben auf”, da die relative Position darüber oder darunter von der Ausrichtung der Vorrichtung zum Betrachter abhängt. Obwohl außerdem die Erfindung nicht auf eine bestimmte Schichtdicke begrenzt ist, bezieht sich der Begriff „dünn” zur Beschreibung beliebiger dünner Schichten von Photovoltaikvorrichtungen allgemein darauf, dass die dünne Schicht eine Dicke von weniger als ungefähr 10 Mikrometern („Mikron” oder „um”) aufweist.
Es versteht sich, dass die hier genannten Bereiche und Grenzwerte alle innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte liegenden Bereiche (d. h. Teilbereiche) einschließen. Beispielsweise schließt ein Bereich von ungefähr 100 bis ungefähr 200 auch Bereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6 ein. Weiterhin schließt ein Grenzwert bis ungefähr 7 auch einen Grenzwert bis ungefähr 5, bis 3 und bis ungefähr 4,5 sowie Bereiche innerhalb des Grenzwerts ein, beispielsweise von ungefähr 1 bis ungefähr 5 und von ungefähr 3,2 bis ungefähr 6,5. Allgemein beschrieben werden Verfahren zum Herstellen von Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen auf Cadmiumtelluridbasis mit einer mehrphasigen Fensterschicht, die Cadmium, Schwefel und Sauerstoff in Form einer Kombination von Verbindungen enthält. In einer Ausführungsform enthält die mehrphasige Fensterschicht CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist, in Kombination mit einer anderen Verbindung oder Verbindungen. Diese mehrphasige Fensterschicht kann so gebildet werden, dass die Stöchiometrie der n-Schicht kontrolliert wird, die in einer typischen Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung auf Cadmiumtelluridbasis üblicherweise als Cadmiumsulfidschicht bezeichnet wird. Somit können die Eigenschaften und Merkmale der n-Region während der Herstellung so maßgeschneidert werden, dass sie die gewünschte Vorrichtung bilden.
In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer PV-Vorrichtung 10 gezeigt, die allgemein eine als Substrat verwendete obere Glasplatte 12, eine transparente leitende Oxidschicht (TCO-Schicht – „transparent conductive oxide”) 14, eine optionale transparente Widerstands-Pufferschicht (RTB-Schicht – „resistive transparent buffer”) 15, eine mehrphasige Fensterschicht 17, eine Cadmiumtelluridschicht 20, einen Rückkontakt 22 und ein Mantelglas 24 enthält. Jede dieser Schichten wird weiter unten ausführlicher erörtert.
Wie dargelegt, enthält die mehrphasige Fensterschicht 17 CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist, in Kombination mit einer weiteren Verbindung oder Verbindungen. Zum Beispiel kann die mehrphasige Fensterschicht 17 Cadmiumsulfit (CdSO₃), Cadmiumsulfat (CdSO₄) oder Gemische davon enthalten. Zu weiteren Verbindungen, die in der mehrphasigen Fensterschicht 17 enthalten sein können, gehören unter anderem und ohne einschränkende Wirkung Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumoxid (CdO) oder Gemische davon. Somit kann die mehrphasige Fensterschicht 17 mindestens eines von Cadmiumsulfit oder Cadmiumsulfat in Kombination mit mindestens einem von Cadmiumoxid oder Cadmiumsulfid enthalten. Zum Beispiel kann die mehrphasige Fensterschicht 17 ein Gemisch von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit und Cadmiumsulfat enthalten. In der mehrphasigen Fensterschicht 17 können auch noch weitere Materialien wie Dotierungsstoffe, Verunreinigungen usw. enthalten sein.
Zum Beispiel enthält die mehrphasige Fensterschicht 17 in einer besonderen Ausführungsform Cadmiumsulfit und/oder Cadmiumsulfat in Kombination mit CdS mit oder ohne Zusatzmaterialien (z. B. CdO). Ohne sich an irgendeine bestimmte Lehre binden zu wollen, wird die Auffassung vertreten, dass die CdS-Schicht als „Übergangspartner” zum CdTe dient und dabei die Leerlaufspannung der Solarzelle erhöht, vielleicht durch Verringern der Rekombination auf der Oberfläche des CdTe. Eine Mindestmenge von CdS ist erforderlich, um eine durchgehende Schicht auf der manchmal rauen, durch das TCO definierten Oberfläche zu bilden. Auf diese Weise kann ein dickerer CdS-Film zu höheren Wirkungsgraden durch höhere Spannung führen. Gleichzeitig weist CdS keine hohe Wirkung beim Sammeln von Elektronen-Loch-Paaren auf und kann den Kurzschlussstrom verringern. Somit kann eine dickere CdS-Schicht letzten Endes den Wirkungsgrad durch Vermindern des Stroms verringern. Dadurch, dass ein mehrschichtiger Stapel von CdS und einem anderen Material mit höherer Transparenz verwendet wird, können hohe Spannung und Strom gleichzeitig erzielt werden.
Die mehrphasige Fensterschicht 17 kann in einer besonderen Ausführungsform mittels Sputtern von einem gemischten Target und/oder durch gemeinsames Sputtern („co-sputtering”) von mindestens zwei Targets gebildet werden. Insbesondere kann die mehrphasige Fensterschicht 17 (und die optionale zweite Schicht 18 und die optionale dritte Schicht 19) auf die TCO-Schicht 14 gesputtert werden. 10 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer beispielhaften Gleichstrom-Sputterkammer 60 zum Sputtern einer beliebigen Schicht in der Vorrichtung 10. Eine Gleichstromquelle 62 ist so gestaltet, dass sie Gleichstrom regelt und an die Kammer 60 liefert. Wie gezeigt, legt die Gleichstromquelle eine Spannung an die Kathode 64 an, um ein Spannungspotential zwischen der Kathode 64 und einer von der Kammerwand gebildeten Anode zu erzeugen, sodass sich das Substrat zwischen der Kathode und der Anode befindet. Das Glassubstrat 12 wird zwischen der oberen Halterung 66 und der unteren Halterung 67 mittels Drähten 68 bzw. 69 gehalten. Das Glassubstrat 12 ist allgemein innerhalb der Sputterkammer 60 angeordnet, sodass die gesputterte Schicht (z. B. von der mehrphasigen Fensterschicht 17) auf der zu der Kathode 64 zeigenden Oberfläche gebildet wird, und allgemein auf der TCO-Schicht 14 und der RTB-Schicht 15 (nicht gezeigt), wie weiter unten erörtert. Ein Plasmafeld 70 wird erzeugt, nachdem die Sputteratmosphäre gezündet ist, und wird als Antwort auf das Spannungspotential zwischen der Kathode 64 und der als Anode wirkenden Kammerwand aufrechterhalten. Das Spannungspotential veranlasst die Plasmaionen innerhalb des Plasmafelds 70, zur Kathode 64 hin zu beschleunigen, was dazu führt, dass Atome aus der Kathode 64 zur Oberfläche des Glassubstrats 12 herausgeschleudert werden. Die Kathode 64 kann daher als „Target” bezeichnet werden und fungiert als das Quellmaterial für die Bildung der gesputterten Schicht auf der Oberfläche des der Kathode 64 gegenüberliegenden Glassubstrats 12.
Obwohl nur eine einzige Gleichstromquelle 62 gezeigt ist, kann das Spannungspotenzial durch Verwendung von mehreren miteinander verbundenen Stromquellen hergestellt werden. Außerdem ist die beispielhafte Sputterkammer 60 mit einer senkrechten Ausrichtung gezeigt, obwohl auch jede andere Gestaltungsweise genutzt werden kann. Nach dem Anregen der Sputterkammer 60 kann das Substrat 12 in einen (nicht gezeigten) benachbarten Temperofen eintreten, um den Temperprozess zu beginnen.
Zum Beispiel kann die mehrphasige Fensterschicht 17 in einer Ausführungsform durch Sputtern eines gemischten Targets gebildet werden, das allgemein Cadmium, Schwefel und Sauerstoff enthält. Zum Beispiel kann das gemischte Target CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist, in Kombination mit einer weiteren Verbindung oder Verbindungen enthalten sein. Zum Beispiel kann das gemischte Target CdSO₃, CdSO₄ oder Gemische davon enthalten. Zu weiteren Verbindungen, die in dem Target enthalten sein können, gehören unter anderem und ohne einschränkende Wirkung CdS, Cadmiumoxid (CdO) oder Gemische davon. In einer besonderen Ausführungsform kann das gemischte Target auch eine Mischung von Cadmiumsulfid (CdS) und Cadmiumoxid (CdO) enthalten. Beispielsweise kann das gemischte Target durch Mischen von pulverförmigem Cadmiumoxid (und beliebiger sonstiger Verbindungen wie CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist) und Pressen der gemischten Pulver in ein Target gebildet werden. Die Einbeziehung von Sauerstoff in das Target, statt sich auf die Einbeziehung von Sauerstoff in die Sputteratmosphäre zu stützen, kann eine bessere stöchiometrische Kontrolle von Sauerstoff in der abgeschiedenen mehrphasigen Fensterschicht 17 bereitstellen. Zusätzlich kann die Verwendung einer mehrphasigen Fensterschicht 17 im Wesentlichen einheitliche Schichten unter Einbeziehung von Sauerstoff über den gesamten Herstellungsprozess bilden, ohne auf komplexe Anordnungen zum Gasmischen angewiesen zu sein.
Optional können zusätzliche Fensterschichten in die mehrphasige Fensterschicht 17 einbezogen werden. 2 und 3 zeigen beispielhafte Vorrichtungen 10, die einen aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel 16 enthalten, der von zwei Schichten gebildet wird: der mehrphasigen Fensterschicht 17 und einer zweiten Schicht 18. Wie gezeigt, befindet sich der aus mehreren n-Schichten bestehende Stapel 16 auf der TCO-Schicht 14 mit der dazwischen angeordneten optionalen RTB-Schicht 15. In der Ausführungsform von 2 ist die mehrphasige Fensterschicht 17 zwischen der TCO-Schicht 14 und der zweiten Schicht 18 angeordnet. In der alternativen Ausführungsform von
3 ist die zweite Schicht 18 zwischen der TCO-Schicht 14 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 angeordnet. Somit können in den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen beide Schichten als „auf der TCO-Schicht 14” (und, sofern vorhanden, „auf der RTB-Schicht 15”) bezeichnet werden, ungeachtet der jeweiligen Reihenfolge der mehrphasigen Fensterschicht 17 und der zweiten Schicht 18.
Die zweite Schicht 18 kann allgemein Cadmium in Kombination mit Sauerstoff und/oder Schwefel enthalten. Zum Beispiel kann die zweite Schicht 18 eine Cadmiumsulfidschicht sein, die allgemein Cadmiumsulfid (CdS) enthält, die jedoch auch andere Verbindungen und Stoffe wie Zinksulfid, Cadmiumzinksulfid usw. und Gemische davon sowie Dotierungsstoffe und sonstige Verunreinigungen enthalten kann. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht Sauerstoff in einem atomaren Anteil von ungefähr 5% bis zu einem atomaren Anteil von ungefähr 20% enthalten. Die Cadmiumsulfidschicht kann einen breiten Bandabstand (z. B. von ungefähr 2,25 eV bis ungefähr 2,5 eV, beispielsweise von ungefähr 2,4 eV) aufweisen, um die meiste Strahlungsenergie (z. B. Sonnenstrahlung) hindurchzulassen. Die Cadmiumsulfidschicht kann durch Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition”), nasschemische Abscheidung („chemical bath deposition”) und andere geeignete Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht durch Sputtern (z. B. Gleichstrom(DC)-Sputtern oder Hochfrequenz(HF)-Sputtern) gebildet werden. Bei der Abscheidung durch Sputtern wird allgemein aus einem Target, welches die Materialquelle ist, Material herausgeschleudert, und das herausgeschleuderte Material wird auf das Substrat aufgebracht, um die Dünnschicht zu bilden. Beim DC-Sputtern wird allgemein ein Strom an ein Metalltarget (d. h. die Kathode) angelegt, das in der Nähe des Substrats (d. h. der Anode) innerhalb einer Sputterkammer angeordnet ist, um eine Gleichstromentladung zu bilden. Die Sputterkammer kann eine reaktive Atmosphäre (z. B. eine Sauerstoffatmosphäre, Stickstoffatmosphäre, Fluoratmosphäre) aufweisen, die ein Plasmafeld zwischen dem Target und dem Substrat bildet. Der Druck der reaktiven Atmosphäre kann beim Magnetronsputtern zwischen ungefähr 1 mTorr und ungefähr 20 mTorr liegen. Wenn beim Anlegen der Spannung Metallatome aus dem Target freigesetzt werden, können die Metallatome mit dem Plasma reagieren und auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden. Wenn eine Atmosphäre beispielsweise Sauerstoff enthält, können die aus dem Metalltarget freigesetzten Metallatome eine Metalloxidschicht auf dem Substrat bilden. Der an das Quellmaterial angelegte Strom kann abhängig von der Größe des Quellmaterials, der Größe der Sputterkammer, dem Ausmaß der Oberfläche des Substrats und anderen Variablen unterschiedlich sein. In einigen Ausführungsformen kann der angelegte Strom zwischen ungefähr 2 A und ungefähr 20 A liegen. Umgekehrt wird vom HF-Sputtern allgemein eine kapazitive Entladung angeregt, indem ein Wechselstrom(AC)- oder Hochfrequenz(HF)-Signal zwischen dem Target (z. B. einem keramischen Quellmaterial) und dem Substrat angelegt wird. Die Sputterkammer kann eine inerte Atmosphäre (z. B. eine Argonatmosphäre) mit einem Druck zwischen ungefähr 1 mTorr und ungefähr 20 mTorr aufweisen.
Alternativ kann die zweite Schicht 18 allgemein Cadmium und Sauerstoff enthalten. Zum Beispiel kann die zweite Schicht 18 eine Cadmiumoxidschicht sein, die allgemein Cadmiumoxid (CdO) enthält, die jedoch auch andere Verbindungen und Stoffe wie Dotierungsstoffe und sonstige Verunreinigungen enthalten kann. Wenn sie Cadmiumoxid enthält, kann die zweite Schicht 18 durch Sputtern eines Targets, welches Cadmiumoxid enthält, gebildet werden.
sIn bestimmten Ausführungsformen kann die zweite Schicht 18 Cadmium, Sauerstoff und Schwefel enthalten. Zum Beispiel kann die zweite Schicht 18 eine Verbindung mit folgender Formel enthalten: CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist, entweder allein oder in Kombination mit einer weiteren Verbindung oder Verbindungen. Als solche kann die zweite Schicht 18 eine Cadmiumsulfitschicht sein, die allgemein Cadmiumsulfit (CdSO₃) enthält, die jedoch auch andere Verbindungen und Stoffe wie Dotierungsstoffe und sonstige Verunreinigungen enthalten kann. Alternativ kann die zweite Schicht 18 eine Cadmiumsulfatschicht sein, die allgemein Cadmiumsulfat (CdSO₄) enthält, die jedoch auch andere Verbindungen und Stoffe wie Dotierungsstoffe und sonstige Verunreinigungen enthalten kann. Eine solche Schicht kann mittels Sputtern eines Targets mit der gewünschten Zusammensetzung gebildet werden.
Somit kann die zweite Schicht 18 eine Cadmiumoxidschicht, eine Cadmiumsulfitschicht, eine Cadmiumsulfatschicht, eine Cadmiumsulfidschicht oder eine gemischtphasige Schicht sein, die Cadmium, Sauerstoff und Schwefel oder ein Gemisch von Verbindungen enthält. Zum Beispiel kann die zweite Schicht 18 mindestens zwei von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit oder Cadmiumsulfat enthalten. In einer besonderen Ausführungsform kann die zweite Schicht 18 mindestens drei von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit oder Cadmiumsulfat enthalten. Zum Beispiel kann die zweite Schicht 18 ein Gemisch von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit und Cadmiumsulfat enthalten. In einer besonderen Ausführungsform unterscheidet sich die Zusammensetzung der zweiten Schicht von der Zusammensetzung der mehrphasigen Fensterschicht 17.
3 bis 8 zeigen Vorrichtungen 10, die einen aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel 16 enthalten, der aus drei Schichten gebildet wird: der mehrphasigen Fensterschicht 17 und einer zweiten Schicht 18 und einer dritten Schicht 19. Wie gezeigt, befindet sich der aus mehreren n-Schichten bestehende Stapel 16 auf der TCO-Schicht 14 mit der dazwischen angeordneten optionalen RTB-Schicht 15. Somit können in den in 3 bis 8 gezeigten Ausführungsformen alle drei Schichten als „auf der TCO-Schicht 14” (und, sofern vorhanden, „auf der RTB-Schicht 15”) bezeichnet werden, ungeachtet der jeweiligen Reihenfolge der mehrphasigen Fensterschicht 17, der zweiten Schicht 18 und der dritten Schicht 19.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die mehrphasige Fensterschicht 17 zwischen der TCO-Schicht 14 und der zweiten Schicht 18 angeordnet, und die zweite Schicht 18 ist zwischen der mehrphasigen Fensterschicht 17 und der dritten Schicht 19 angeordnet. In einer alternativen in 4 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Schicht 18 zwischen der TCO-Schicht 14 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 angeordnet, und die mehrphasige Fensterschicht 17 ist zwischen der zweiten Schicht 18 und der dritten Schicht 19 angeordnet. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die mehrphasige Fensterschicht 17 zwischen der TCO-Schicht 14 und der dritten Schicht 19 angeordnet, und die dritte Schicht 19 ist zwischen der mehrphasigen Fensterschicht 17 und der zweiten Schicht 18 angeordnet. In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die dritte Schicht 19 zwischen der TCO-Schicht 14 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 angeordnet, und die mehrphasige Fensterschicht 17 ist zwischen der dritten Schicht 19 und der zweiten Schicht 18 angeordnet. In der in 7 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Schicht 18 zwischen der TCO-Schicht 14 und der dritten Schicht 19 angeordnet, und die dritte Schicht 19 ist zwischen der zweiten Schicht 18 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 angeordnet. In der in 8 gezeigten Ausführungsform ist die dritte Schicht 19 zwischen der TCO-Schicht 14 und der zweiten Schicht 18 angeordnet, und die zweite Schicht 18 ist zwischen der dritten Schicht 19 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 angeordnet.
Die mehrphasige Fensterschicht 17 und die zweite Schicht 18 können im Wesentlichen gleich sein wie oben beschrieben. Die dritte Schicht 19 kann unabhängig davon aus denselben Materialien gebildet werden, wie sie oben im Zusammenhang mit der zweiten Schicht 18 erörtert wurden, oder einem Gemisch davon. Zum Beispiel kann die dritte Schicht 19 eine Cadmiumoxidschicht, eine Cadmiumsulfitschicht, eine Cadmiumsulfatschicht oder eine gemischtphasige Schicht sein, die Cadmium, Sauerstoff und Schwefel als Gemisch von Verbindungen enthält. Zum Beispiel kann die dritte Schicht 19 mindestens zwei von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit oder Cadmiumsulfat enthalten. In einer besonderen Ausführungsform kann die dritte Schicht 19 mindestens drei von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit oder Cadmiumsulfat enthalten. Zum Beispiel kann die dritte Schicht 19 ein Gemisch von Cadmiumoxid, Cadmiumsulfid, Cadmiumsulfit und Cadmiumsulfat enthalten.
Wie dargelegt, können die Schichten 17, 18 und die optionale dritte Schicht 19 auf die TCO-Schicht 14 gesputtert werden, wie in 10 gezeigt.
In den in den 1 bis 8 gezeigten Ausführungsformen kann das Glas 12 als „Superstrat” bezeichnet werden, da es das Substrat ist, auf dem die nachfolgenden Schichten gebildet werden, selbst dann, wenn es nach oben zur Strahlungsquelle (z. B. der Sonne) zeigt, wenn die Photovoltaikvorrichtung 10 genutzt wird. Die oberste Glasplatte 12 kann ein hochdurchlässiges Glas (z. B. hochdurchlässiges Borosilikatglas), eisenarmes Floatglass, Standard-Natronkalkglas oder ein anderer hochtransparenter Glaswerkstoff sein. Das Glas ist allgemein dick genug, um den nachfolgenden Dünnschichten Halt zu bieten (z. B. von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 10 mm dick) und ist im Wesentlichen eben, um eine gute Oberfläche zum Bilden der nachfolgenden Dünnschichten bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann das Glas 12 ein eisenarmes Floatglas sein, das nach Gewicht weniger als 0,15% Eisen (Fe) enthält, und es kann eine Durchlässigkeit von ungefähr 0,9 oder höher in dem Spektrum aufweisen, das von Interesse ist (z. B. Wellenlängen von ungefähr 300 nm bis ungefähr 900 nm).
Die TCO-Schicht 14 wird auf dem Glas 12 der beispielhaften Vorrichtung 10 gezeigt. Die TCO-Schicht 14 lässt Licht mit minimaler Absorption hindurch, und ermöglicht gleichzeitig, dass sich der von der Vorrichtung 10 erzeugte elektrische Strom seitwärts zu (nicht gezeigten) undurchsichtigen metallischen Leitern bewegt. Zum Beispiel kann die TCO-Schicht 14 einen Flächenwiderstand kleiner als ungefähr 30 Ohm per square aufweisen, beispielsweise von ungefähr 4 Ohm per square bis ungefähr 20 Ohm per square (z. B. von ungefähr 8 Ohm per square bis ungefähr 15 Ohm per square). Die TCO-Schicht 14 enthält allgemein mindestens ein leitendes Oxid wie beispielsweise Zinnoxid, Zinkoxid, Indiumzinnoxid, Zinkstannat, Cadmiumstannat oder Gemische davon. Zusätzlich kann die TCO-Schicht 14 weitere leitende transparente Materialien enthalten. Die TCO-Schicht 14 kann auch Dotierungsstoffe (z. B. Fluor, Zinn usw.) und nach Wunsch weitere Stoffe enthalten.
Die TCO-Schicht 14 kann durch Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung, Sprühpyrolyse oder jedes andere geeignete Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die TCO-Schicht 14 durch Sputtern (z. B. DC-Sputtern oder HF-Sputtern) auf das Glas 12 gebildet werden. Zum Beispiel kann eine Cadmiumstannatschicht durch Sputtern eines heißgepressten Targets, das stöchiometrische Mengen von SnO₂ und CdO enthält, auf das Glas 12 in einem Verhältnis von ungefähr 1 zu ungefähr 2 gebildet werden. Das Cadmiumstannat kann alternativ durch Verwendung von Cadmiumacetat- und Zinn(II)-Chlorid-Vorläufern durch Sprühpyrolyse zubereitet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die TCO-Schicht 14 eine Dicke zwischen ungefähr 0,1 μm und ungefähr 1 μm aufweisen, zum Beispiel von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,5 μm, beispielsweise von ungefähr 0,25 μm bis ungefähr 0,35 μm.
In den beispielhaften Photovoltaikvorrichtungen 10 ist eine transparente Widerstands-Pufferschicht 15 (RTB-Schicht) auf der TCO-Schicht 14 gezeigt. Die RTB-Schicht 15 weist allgemein einen höheren Widerstand auf als die TCO-Schicht 14 und kann helfen, die Vorrichtung 10 vor chemischen Wechselwirkungen zwischen der TCO-Schicht 14 und den nachfolgenden Schichten während der Bearbeitung der Vorrichtung zu schützen. Beispielsweise kann die RTB-Schicht 15 in bestimmten Ausführungsformen einen Flächenwiderstand aufweisen, der größer ist als ungefähr 1000 Ohm per square, beispielsweise von ungefähr 10 kOhm per square bis ungefähr 1000 MOhm per square. Die RTB-Schicht 15 kann auch einen weiten optischen Bandabstand (z. B. größer als ungefähr 2,5 eV, beispielsweise von ungefähr 2,7 eV bis ungefähr 3,5 eV) aufweisen.
Ohne sich an irgendeine bestimmte Lehre binden zu wollen, wird die Auffassung vertreten, dass das Vorhandensein der RTB-Schicht 15 zwischen der TCO-Schicht 14 und der mehrphasigen Fensterschicht 17 die Möglichkeit bieten kann, dass eine relativ dünne mehrphasige Fensterschicht 17 in die Vorrichtung 10 einbezogen wird, indem die Möglichkeit von Grenzflächendefekten (d. h. von feinen Löchern (sogenannten „Pinholes”) in der mehrphasigen Fensterschicht 17), die Nebenschlüsse zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtelluridschicht 20 erzeugen, verringert wird. Es wird daher die Auffassung vertreten, dass die RTB-Schicht 15 eine verbesserte Haftung und/oder Wechselwirkung zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtelluridschicht 20 ermöglicht, wodurch es möglich ist, darauf eine relativ dünne mehrphasige Fensterschicht 17 ohne signifikante nachteilige Auswirkungen zu bilden, die ansonsten durch eine solche direkt auf der TCO-Schicht 14 gebildete, relativ dünne mehrphasige Fensterschicht 17 entstehen würden.
Die RTB-Schicht 15 kann zum Beispiel eine Kombination von Zinkoxid (ZnO) und Zinnoxid (SnO₂) enthalten, die als Zink-Zinn-Oxidschicht („ZTO”) bezeichnet werden kann. In einer besonderen Ausführungsform kann die RTB-Schicht 15 mehr Zinnoxid als Zinkoxid enthalten. Zum Beispiel kann die RTB-Schicht 15 eine Zusammensetzung mit einem stöchiometrischen Verhältnis von ZnO/SnO₂ zwischen ungefähr 0,25 und ungefähr 3 aufweisen, beispielsweise in einem stöchiometrischen Verhältnis von Zinnoxid zu Zinkoxid ungefähr eins zu zwei (1:2). Die RTB-Schicht 15 kann durch Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung, Sprühpyrolyse oder jedes andere geeignete Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die RTB-Schicht 15 durch Sputtern (z. B. DC-Sputtern oder HF-Sputtern) auf die TCO-Schicht 14 gebildet werden. Zum Beispiel kann eine RTB-Schicht mit Hilfe eines DC-Sputterverfahrens durch Anlegen eines DC-Stroms an ein metallisches Quellmaterial (z. B. elementares Zink, elementares Zinn oder ein Gemisch davon) und Sputtern des metallischen Quellmaterials auf die TCO-Schicht 14 in Anwesenheit einer oxidierenden Atmosphäre (z. B. O₂-Gas) aufgebracht werden. Wenn die oxidierende Atmosphäre Sauerstoffgas (d. h. O₂) enthält, kann die Atmosphäre mehr als ungefähr 95% reinen Sauerstoff, beispielsweise mehr als ungefähr 99% aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 15 eine Dicke zwischen ungefähr 0,075 μm und ungefähr 1 μm aufweisen, zum Beispiel von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,5 μm. In besonderen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 15 eine Dicke zwischen ungefähr 0,08 μm und ungefähr 0,2 μm aufweisen, zum Beispiel von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,15 μm.
Aufgrund des Vorhandenseins der RTB-Schicht 15 kann die mehrphasige Fensterschicht 17 eine Dicke aufweisen, die kleiner als ungefähr 0,1 μm ist, beispielsweise zwischen ungefähr 10 nm und ungefähr 100 nm, beispielsweise von ungefähr 50 nm bis ungefähr 80 nm, mit minimalem Vorhandensein von Pinholes zwischen der TCO-Schicht 14 und der mehrphasigen Fensterschicht 17. Zusätzlich verringert eine mehrphasige Fensterschicht 17 mit einer Dicke von weniger als ungefähr 0,1 μm jede Absorption der Strahlungsenergie durch die mehrphasige Fensterschicht 17 und erhöht damit wirksam die Menge an Strahlungsenergie, die die darunter liegende Cadmiumtelluridschicht 20 erreicht. In den beispielhaften Vorrichtungen 10 ist eine Cadmiumtelluridschicht 20 auf einer mehrphasigen Fensterschicht 17 gezeigt. Die Cadmiumtelluridschicht 20 ist eine p-Schicht, die allgemein Cadmiumtellurid (CdTe) enthält, jedoch auch andere Materialien enthalten kann. Als p-Schicht der Vorrichtung 10 ist die Cadmiumtelluridschicht 20 die Photovoltaikschicht, die mit der mehrphasigen Fensterschicht 17 (d. h. der n-Schicht) in Wechselwirkung tritt, um Strom aus der Adsorption von Strahlungsenergie zu erzeugen, indem der größte Teil der in die Vorrichtung 10 gelangenden Strahlungsenergie aufgrund ihres hohen Absorptionskoeffizienten absorbiert und Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 allgemein aus Cadmiumtellurid gebildet werden und einen maßgeschneiderten Bandabstand aufweisen, der Strahlungsenergie so absorbiert (z. B. von ungefähr 1,4 eV bis ungefähr 1,5 eV, beispielsweise ungefähr 1,45 eV), dass bei der Absorption der Strahlungsenergie die maximale Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren mit dem höchsten elektrischen Potential (Spannung) erzeugt wird. Elektronen können sich von der p-Seite (d. h. der Cadmiumtelluridschicht 20) über den Übergang zur n-Seite (d. h. der mehrphasigen Fensterschicht 17) bewegen, und umgekehrt können Löcher von der n-Seite zur p-Seite übergehen. Somit bildet der zwischen der mehrphasigen Fensterschicht 17 und der Cadmiumtelluridschicht 20 gebildete p-n-Übergang eine Diode, in der das Ladungsungleichgewicht zur Erzeugung eines sich zwischen dem p-n-Übergang erstreckenden elektrischen Felds führt. Gemäß der konventionellen Stromrichtung kann der Strom nur in eine Richtung fließen und trennt die lichtinduzierten Elektronen-Loch-Paare.
Die Cadmiumtelluridschicht 20 kann durch jeden bekannten Prozess wie physikalische Gasphasenabscheidung („vapor transport deposition”), chemische Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition” – CVD), Sprühpyrolyse, Elektrodeposition, Sputtern, Kurzweg-Sublimation („close-space sublimation” – CSS) usw. gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform wird der aus mehreren n-Schichten bestehende Stapel 16 durch Sputtern aufgebracht, und die Cadmiumtelluridschicht 20 wird durch Kurzweg-Sublimation aufgebracht. In besonderen Ausführungsformen kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen ungefähr 0,1 μm und ungefähr 10 μm aufweisen, beispielsweise von ungefähr 1 μm bis ungefähr 5 μm. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen ungefähr 1,5 μm und ungefähr 4 μm aufweisen, beispielsweise von ungefähr 2 μm bis ungefähr 3 μm.
Auf die exponierte Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 kann nach dem Formen eine Reihe von Behandlungen angewendet werden. Diese Behandlungen können die Funktionalität der Cadmiumtelluridschicht 20 maßgeschneidert anpassen und ihre Oberfläche für die nachfolgende Haftung der Rückkontaktschicht(en) 22 vorbereiten. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 bei erhöhten Temperaturen (z. B. von ungefähr 350°C bis ungefähr 500°C, beispielsweise von ungefähr 375°C bis ungefähr 425°C) über eine ausreichend lange Zeit (z. B. von ungefähr 1 bis ungefähr 40 Minuten) getempert werden, um eine hochwertige Cadmiumtellurid-p-Schicht zu erzeugen. Ohne sich damit durch die Lehre binden zu wollen, wird die Auffassung vertreten, dass Tempern der Cadmiumtelluridschicht 20 (und der Vorrichtung 10) die Dichte der tiefen Defekte verringert und die p-Artigkeit der CdTe-Schicht verstärkt. Zusätzlich kann die Cadmiumtelluridschicht 20 während des Temperns rekristallisieren und ein erneutes Kornwachstum erfahren.
Das Tempern der Cadmiumtelluridschicht 20 kann in Anwesenheit von Cadmiumchlorid durchgeführt werden, um die Cadmiumtelluridschicht 20 mit Chloridionen zu dotieren. Zum Beispiel kann die Cadmiumtelluridschicht 20 mit einer Cadmiumchlorid enthaltenden wässrigen Lösung gewaschen und danach bei der erhöhten Temperatur getempert werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Oberfläche nach dem Tempern der Cadmiumtelluridschicht 20 in Anwesenheit von Cadmiumchlorid gewaschen werden, um etwaiges auf der Oberfläche gebildetes Cadmiumoxid zu entfernen. Durch diese Oberflächenvorbereitung kann eine Te-reiche Oberfläche auf der Cadmiumtelluridschicht 20 zurückbleiben, indem Oxide von der Oberfläche entfernt werden, beispielsweise CdO, CdTeO₃, CdTe₂O₅ usw. Zum Beispiel kann die Oberfläche mit einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Ethylendiamin, auch bekannt als 1,2-Diaminoethan oder „DAE”) gewaschen werden, um etwaiges Cadmiumoxid von der Oberfläche zu entfernen.
Zusätzlich kann Kupfer zu der Cadmiumtelluridschicht 20 hinzugefügt werden. Zusammen mit einer geeigneten Ätzung kann die Zugabe von Kupfer zu der Cadmiumtelluridschicht 20 eine Oberfläche aus Kupfertellurid auf der Cadmiumtelluridschicht 20 bilden, um einen elektrischen Kontakt von geringem Widerstand zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 (d. h. der p-Schicht) und der (den) Rückkontaktschicht(en) zu erhalten. Insbesondere kann die Zugabe von Kupfer eine Oberflächenschicht aus Kupfertellurid (Cu₂Te) zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der Rückkontaktschicht 22 erzeugen und/oder eine Cu-dotierte CdTe-Schicht erzeugen. Somit kann die Te-reiche Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 das Aufnehmen des von der Vorrichtung erzeugten Stroms durch einen geringeren spezifischen Widerstand zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der Rückkontaktschicht 22 verbessern.
Kupfer kann durch einen beliebigen Prozess auf die exponierte Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 aufgebracht werden. Zum Beispiel kann Kupfer auf die Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 in einer Lösung mit einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Methanol, Wasser oder dergleichen oder Kombinationen davon) aufgesprüht oder aufgewaschen werden, worauf Tempern folgt. In besonderen Ausführungsformen kann Kupfer in die Lösung in Form von Kupferchlorid, Kupferiodid oder Kupferacetat zugeführt werden. Die Tempertemperatur reicht aus, um die Diffusion der Kupferionen in die Cadmiumtelluridschicht 20 zu ermöglichen, beispielsweise von ungefähr 125°C bis ungefähr 300°C (z. B. von ungefähr 150°C bis ungefähr 250°C) über ungefähr 5 Minuten bis ungefähr 30 Minuten, beispielsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 25 Minuten.
Auf der Cadmiumtelluridschicht 20 wird eine Rückkontaktschicht 22 gezeigt. Die Rückkontaktschicht 22 dient allgemein als der elektrische Rückkontakt im Verhältnis zur gegenüberliegenden TCO-Schicht 14, die als elektrischer Frontkontakt dient. Die Rückkontaktschicht 22 kann auf und in einer Ausführungsform in direktem Kontakt mit der Cadmiumtelluridschicht 20 gebildet werden. Die Rückkontaktschicht 22 wird in geeigneter Weise aus einem oder mehreren leitenden Materialien hergestellt, beispielsweise elementarem Nickel, Chrom, Kupfer, Zinn, Silber oder Legierungen oder Gemischen davon. Zusätzlich kann die Rückkontaktschicht 22 eine einzige Schicht sein oder aus einer Vielzahl von Schichten bestehen. In einer besonderen Ausführungsform kann die Rückkontaktschicht 22 Graphit enthalten, beispielsweise eine auf die p-Schicht aufgebrachte Kohlenstoffschicht, gefolgt von einer oder mehreren Schichten aus Metall, beispielsweise den oben beschriebenen Metallen. Wenn die Rückkontaktschicht 22 aus einem oder mehreren Metallen besteht oder diese umfasst, wird sie in geeigneter Weise durch eine Technik wie Sputtern oder Metallverdampfen aufgetragen. Wenn sie aus einer Graphit- oder Polymermischung oder aus einer Kohlenstoffpaste besteht, wird die Mischung oder Paste auf die Halbleitervorrichtung durch jedes geeignete Verfahren zum Ausbreiten der Mischung oder Paste aufgetragen, beispielsweise Siebdruck, Sprühen oder mit einer Rakel. Nach dem Auftragen der Graphitmischung oder Kohlenstoffpaste kann die Vorrichtung erwärmt werden, um die Mischung oder Paste in die leitende Rückkontaktschicht umzuwandeln. Wenn eine Kohlenstoffschicht verwendet wird, kann sie eine Dicke von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 10 μm aufweisen, zum Beispiel von ungefähr 1 μm bis ungefähr 5 μm. Wenn eine Metallschicht des Rückkontakts für die oder als Teil der Rückkontaktschicht 22 verwendet wird, kann sie eine Dicke von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 1,5 μm aufweisen.
Das Mantelglas 24 ist ebenfalls in der beispielhaften Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung 10 von 1 gezeigt.
Weitere (nicht gezeigte) Bestandteile können in die beispielhafte Vorrichtung 10 einbezogen werden, beispielsweise Sammelschienen, externe Verdrahtung, Laserätzungen usw. Wenn die Vorrichtung 10 zum Beispiel eine Photovoltaikzelle eines Photovoltaikmoduls bildet, kann eine Vielzahl von Photovoltaikzellen in Reihe verbunden werden, um eine gewünschte Spannung zu erzielen, beispielsweise durch eine elektrische Verdrahtungsverbindung. Jedes Ende der Reihe verbundener Zellen kann an einem geeigneten Leiter wie einem Draht oder einer Sammelschiene befestigt werden, um den photovoltaisch erzeugten Strom zu geeigneten Orten für den Anschluss an eine Vorrichtung oder ein anderes System unter Verwendung des erzeugten elektrischen [Stroms] zu leiten. Ein geeignetes Mittel, um solche Reihenverbindungen zu erreichen, besteht im Laserritzen der Vorrichtung, um die Vorrichtung in eine Reihe von durch Zwischenverbindungen verbundenen Zellen zu unterteilen. In einer besonderen Ausführungsform kann zum Beispiel ein Laser zum Ritzen der aufgebrachten Schichten der Halbleitervorrichtung verwendet werden, um die Vorrichtung in eine Vielzahl von Reihen verbundener Zellen zu unterteilen.
10 zeigt einen Ablaufplan eines beispielhaften Verfahrens 30 zur Herstellung einer photovoltaischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem beispielhaften Verfahren 30 wird in 32 eine TCO-Schicht auf einem Glassuperstrat gebildet. In 34 wird wahlweise eine RTB-Schicht auf der TCO-Schicht gebildet. In 36 wird eine erste Schicht eines aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapels auf der TCO-Schicht gebildet, und in 38 wird eine zweite Schicht eines aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapels auf der TCO-Schicht gebildet. In 40 wird wahlweise eine dritte Schicht eines aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapels auf der TCO-Schicht gebildet. In 42 wird eine Cadmiumtelluridschicht auf dem aus mehreren n-Schichten bestehenden Stapel gebildet.
Ein Fachmann sollte erkennen, dass noch weitere Bearbeitungen und/oder Behandlungen in das Verfahren 30 einbezogen werden können. Zum Beispiel kann bei Einbeziehung einer Cadmiumsulfidschicht und einer Cadmiumtelluridschicht die Cadmiumtelluridschicht in Anwesenheit von Cadmiumchlorid getempert werden, zum Entfernen von etwaigem auf der Oberfläche gebildeten CdO gewaschen und mit Kupfer dotiert werden. (Eine) Rückkontaktschicht(en) kann (können) über der Cadmiumtelluridschicht aufgetragen werden, und ein Mantelglas kann über der Rückkontaktschicht aufgebracht werden. Zusätzlich kann das Verfahren auch Laserritzen enthalten, um galvanisch getrennte photovoltaische Zellen in der Vorrichtung zu bilden. Diese galvanisch getrennten photovoltaischen Zellen können in Reihe verbunden werden, um ein Photovoltaikmodul zu bilden. Außerdem können elektrische Drähte mit positiven und negativen Klemmen des Photovoltaikmoduls verbunden werden, um Leitungsdrähte zur Nutzbarmachung des von dem Photovoltaikmodul erzeugten elektrischen Stroms bereitzustellen.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele zur Offenbarung der Erfindung verwendet, einschließlich der besten Ausführungsform, und auch, um dem Fachmann eine praktische Ausführung der Erfindung zu ermöglichen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Geräten oder Systemen und der Durchführung aller eingeschlossenen Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die den Fachleuten in den Sinn kommen. Diese weiteren Beispiele gelten als im Umfang der Ansprüche enthalten, wenn sie bauliche Elemente aufweisen, die vom genauen Wortlaut der Ansprüche nicht abweichen, oder wenn sie gleichwertige bauliche Elemente mit unwesentlichen Abweichungen vom genauen Wortlaut der Ansprüche aufweisen.
Allgemein bereitgestellt werden Verfahren zum Herstellen solcher Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtungen mittels Sputtern einer gemischtphasigen Schicht von einem Target (z. B. mindestens enthaltend CdSO_x, wobei x gleich 3 oder 4 ist) auf eine transparente leitende Oxidschicht 14 und zum Aufbringen einer Cadmiumtelluridschicht auf der gemischten Schicht. Die transparente leitende Oxidschicht 14 befindet sich auf einem Glassubstrat 12.
Bezugszeichenliste

10: Photovoltaikvorrichtung
12: Glassubstrat
14: TCO-Schicht
15: RTB-Schicht
16: n-Schicht
17: Mehrphasige Fensterschicht
18: Zweite Schicht
19: Dritte Schicht
20: CdTe-Schicht
22: Rückkontakt
24: Mantelglas
30: Beispielhaftes Verfahren
60: Gleichstrom-(DC)Sputterkammer
62: Gleichstromquelle
64: Kathode
66: Obere Halterung
67: Untere Halterung
68, 69: Drähte
70: Plasmafeld

Claims

Verfahren zum Bilden einer Dünnschicht-Photovoltaikvorrichtung (10), wobei das Verfahren umfasst: Sputtern einer mehrphasigen Schicht (17) von einem Target auf eine transparente leitende Oxidschicht (14), wobei sich die transparente leitende Oxidschicht (14) auf einem Glassubstrat (12) befindet und wobei das Target (64) CdSO_x mit x gleich 3 oder 4 umfasst und wobei die mehrphasige Schicht (17) Cadmium, Schwefel und Sauerstoff in Form einer Kombination von wenigstens zwei Verbindungen aufweist; und Aufbringen einer Cadmiumtelluridschicht (20) auf die mehrphasige Schicht (17).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) weiterhin Cadmiumoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) weiterhin Cadmiumsulfid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) Cadmiumsulfat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) Cadmiumsulfit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) Cadmiumsulfit und Cadmiumsulfat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Aufbringen einer Cadmiumsulfidschicht (16) auf die transparente Oxidschicht (14).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Cadmiumsulfidschicht (16) auf die mehrphasige Schicht (17) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mehrphasige Schicht (17) auf die Cadmiumsulfidschicht (16) gesputtert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Aufbringen einer Cadmiumoxidschicht (18) auf die transparente leitende Oxidschicht (14).
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Cadmiumoxidschicht (18) auf die mehrphasige Schicht (16) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die mehrphasige Schicht (17) auf die Cadmiumoxidschicht (18) gesputtert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sputtern der mehrphasigen Schicht (17) in einer Sputteratmosphäre erreicht wird, die im Wesentlich frei von Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sputtern der mehrphasigen Schicht (17) aufweist: gemeinsames Sputtern des Targets und eines zweiten Targets, wobei das erste Target und das zweite Target unterschiedliche Zusammensetzungen haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sputtern der mehrphasigen Schicht (17) aufweist: gemeinsames Sputtern des Targets, des zweiten Targets und eines dritten Targets, wobei das erste Target, das zweite Target und das dritte Target unterschiedliche Zusammensetzungen haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) mindestens zwei aus Cadmiumsulfid, Cadmiumoxid, Cadmiumsulfat und Cadmiumsulfit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) mindestens drei aus Cadmiumsulfid, Cadmiumoxid, Cadmiumsulfat und Cadmiumsulfit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (64) Cadmiumsulfid, Cadmiumoxid, Cadmiumsulfat und Cadmiumsulfit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Aufbringen einer transparenten Widerstands-Pufferschicht (15) direkt auf der transparenten leitenden Oxidschicht (14).
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die mehrphasige Schicht (17) direkt auf der transparenten Widerstands-Pufferschicht (15) ausgebildet ist.