DE102011018268A1 - Single Junction CIGS/CIC Solar Module - Google Patents

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Abstract

Ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul mit hoher Effizienz wird auf einem Substrat gebildet. Das Photovoltaikmodul weist eine Mehrzahl streifenförmigen Photovoltaikzellen auf, die elektrisch miteinander gekoppelt sind physisch parallel zu der Längsseite angeordnet sind, nebeneinander über die Breite hinweg. Jede Zelle weist ein Barrierematerial auf, das über der Oberfläche liegt, und eine erste Elektrode, die über dem Barrierematerial liegt. Jede Zelle weist ferner einen Absorber auf, der über der ersten Elektrode liegend gebildet ist. Das Absorbermaterial weist ein Kupfer-Gallium-Indium-Diselenid-Verbundmaterial auf, das durch eine Energie-Bandlücke von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV charakterisiert ist. Jede Zelle weist zusätzlich ein Puffermaterial auf, das über dem Absorber liegt und ein Doppelschicht-Zinkoxid-Material, das eine transparente Schicht mit hohem spezifischen Widerstand umfasst, die über dem Puffermaterial liegt und eine transparente Schicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand, die über der transparenten Schicht mit dem hohen spezifischen Widerstand liegt.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U. S. Anmeldung Nr. 61/326,315, ”HIGH EFFICIENCY CIGS/CIS SOLAR MODULE”, eingereicht am 21. April 2010 von Robert D. Wieting, gemeinsam übertragen und hiermit komplett durch Bezugnahme beigefügt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul und sein Herstellungsverfahren. Die Erfindung sieht insbesondere eine Struktur und ein Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Photovoltaikmodulen mit hoher Effizienz vor. Die Erfindung sieht großflächige Dünnfilm-Photovoltaikpaneele mit hoher Effizienz mit einer Einzelübergangs-Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Zelle (CIGS-Zelle) vor, die eine PhotovoltaikschaltkreisEffizienz von 12–15% oder höher besitzt.
  • Seit Anbeginn der Zeit hat sich die Menschheit bemüht, Wege zur Nutzbarmachung von Energie zu finden. Energie ist in verschiedenen Formen wie etwa als petrochemische, hydroelektrische, Atomkraft-, Wind-, Biomasse- oder als Solarenergie und oder in primitiveren Formen wie etwa als Holz- und Kohleenergie vorhanden. In dem vergangenen Jahrhundert hat sich die moderne Zivilisation auf die petrochemische Energie als eine wichtige Energiequelle verlassen. Die petrochemische Energie umfasst Gas und Öl, einschließlich leichter Formen wie Butan und Propan, die zur Heizung von Haushalten verwendet werden und als Brennstoff zum Kochen dienen. Öl umfasst Benzin, Diesel und Flugbenzin, die im Allgemeinen für Transportzwecke verwendet werden. Leider ist die Versorgung mit petrochemischem Treibstoff beschränkt und im Wesentlichen auf der Basis der auf dem Planeten Erde verfügbaren Menge festgelegt. Des Weiteren wird, da Ölprodukte in zunehmender Menge von immer mehr Leuten genutzt werden, diese Energiequelle schnell zu einer knappen Ressource werden, die schließlich im Laufe der Zeit erschöpft sein wird.
  • In jüngster Zeit sind umweltfreundliche und erneuerbare Energiequellen gewünscht worden. Hydroelektrische Energie ist ein Beispiel einer sauberen Energiequelle. Hydroelektrische Energie wird aus durch Wasserströmung angetriebenen elektrischen Generatoren gewonnen. Saubere und erneuerbare Energiequellen schließen auch Wind, Wellen und Biomasse ein. Andere Arten von sauberer Energie umfassen Solarenergie.
  • Im Allgemeinen wandelt die Solarenergietechnologie elektromagnetische Strahlung von der Sonne in andere nutzbare Energieformen um. Diese anderen Energieformen schließen thermische Energie und die elektrische Energie ein. Für Anwendungen mit elektrischer Leistung werden häufig Solarzellen verwendet. Obwohl die Solarenergie umweltfreundlich ist und sich bis zu einem gewissen Grade bewährt hat, sind immer noch einige Probleme zu lösen, bevor diese Energiequelle auf der ganzen Welt häufig genutzt werden kann. Zum Beispiel werden bei einer Art von Solarzellen kristalline Materialen verwendet, die aus Halbleitermaterial-Blöcken abgeleitet werden. Diese kristallinen Materialien können zur Herstellung optoelektronischer Vorrichtungen einschließlich Photovoltaik- und Photodiodenvorrichtungen verwendet werden, die elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umwandeln. Kristalline Materialien sind jedoch häufig teuer und in großem Umfang schwierig herzustellen. Des Weiteren weisen aus solchen kristallinen Materialien hergestellte Vorrichtungen geringe Energieumwandlungseffizienzen auf. Andere Arten von Solarzellen verwenden eine ”Dünnfilm”-Technologie zur Bildung eines dünnen Films beziehungsweise einer dünnen Schicht photoempfindlichen Materials, um die elektromagnetische Strahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Die Filmzuverlässigkeit ist oftmals gering und kann nicht für längere Zeit in herkömmlichen Umweltanwendungen genützt werden. Häufig ist die mechanische Integration dünner Filme miteinander schwierig.
  • KURZER ABRISS DER ERFINDUNG
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind eine Struktur und ein Verfahren zur Bildung eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz vorgesehen. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung Dünnfilm-Photovoltaikpaneele mit hoher Effizienz mit einer Größe von 165 × 65 cm und grösser sowie CIGS-Einzelübergangszellen mit einer Schaltkreisphotovoltaikeffizienz von 12–15% und höher vor.
  • Die Erfindung sieht ein Dünnfilm-Photovoltaikmodul mit hoher Effizienz vor, das auf einem eine Oberfläche besitzendem Substrat mit einer Länge von ungefähr 2 Fuß und grösser und einer Breite von ungefähr 5 Fuß und grösser gebildet ist. Das Photovoltaikmodul besitzt eine Mehrzahl streifenförmiger Photovoltaikzellen, die elektrisch miteinander gekoppelt und parallel zu der Längsseite angeordnet sind, nebeneinander über die Breitseite hinweg. Jede Zelle enthält ein auf der Oberfläche liegendes Barrierematerial und eine auf dem Barrierematerial liegende erste Elektrode. Jede Zeile weist ferner ein über der Oberfläche liegendes Barrierematerial und eine über dem Barrierematerial liegende erste Elektrode auf. Ferner weist jede Zelle einen Absorber auf, der über der ersten Elektrode liegend gebildet ist, wobei der Absorber ein durch eine Energiebandlücke von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV gekennzeichnetes Kupfer-Gallium-Indium-Diselenid-Verbundmaterial aufweist. Zusätzlich weist jede Zelle ein über dem Absorber liegendes Puffermaterial und ein zweischichtiges Zinkoxid-Material (ZnO-Material) auf, das eine über dem Puffermaterial liegende transparente Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand und eine über der transparenten Schicht mit hohem spezifischen Widerstand liegende transparente Schicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand aufweist. Das die transparente Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand kombinierende Puffermaterial bildet ein Photovoltaik-Fenstermaterial zum Sammeln von Photoelektronen, die durch den Photovoltaikabsorber umgewandelt worden sind. Die transparente Schicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand bildet eine zweite Elektrode. Das Photovoltaikmodul weist ferner einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter auf, die jeweils auf der ersten Elektrode nahe jedem Randbereich des Substrats in Längsrichtung gebildet sind.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz vor. Das Verfahren weist das Bereitstellen eines Substrats von ungefähr 2 Fuß × 5 Fuß und größer vor. Es wird ein Barrierematerial über dem Substrat und ein leitfähiges Material darüber gebildet. Zusätzlich weist das Verfahren ein Ritzen beziehungsweise Scribing durch das leitfähige Material mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand auf, um eine Mehrzahl streifenförmiger Zellen zu bilden. Das leitfähige Material innerhalb jeder streifenförmigen Zelle bildet eine erste Elektrode.
  • Das Verfahren weist das Bilden eines über der ersten Elektrode liegenden Präkursormaterials auf. Das Präkursormaterial weist zumindest ein Natrium beinhaltendes Material, ein Kupfer-Gallium-Legierungsmaterial und ein Indiummaterial auf. Das Präkursormaterial wird in einer gasförmigen Umgebung behandelt, die zumindest eine Selenspezies und eine Schwefelspezies aufweist, um ein Absorbermaterial zu bilden, das durch eine p-leitende elektrische Charakteristik mit einer Energiebandlücke von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV und einem Cu/(In + Ga)-Verhältnis von ungefähr 0,9 gekennzeichnet ist. Das Verfahren weist ferner das Bilden eines Puffermaterials mit einer n-leitenden Charakteristik auf, das über dem Absorbermaterial mit der p-leitenden Charakteristik liegt, um einen pn-Übergang zu bilden. Darüber hinaus weist das Verfahren ein Strukturieren des Absorbermaterials und des Puffermaterials auf, um jede streifenförmige Zelle mit einer benachbarten streifenförmigen Zelle zu koppeln. Ein transparentes Material mit einem hohen spezifischen Widerstand wird über dem Puffermaterial gebildet, gefolgt von einem transparenten leitfähigen Material. Außerdem weist das Verfahren ein Strukturieren des transparenten leitfähigen Materials, des Puffermaterials und des Absorbermaterials auf, um eine zweite Elektrode für jede streifenförmige Zelle zu bilden.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet einen Prozess zum Herstellen eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls auf der Basis eines Glassubstrats mit einem Formfaktor von 165 × 65 cm und größer. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Dünnfilmmodulen umfassen niedrige Kosten, einen vereinfachten Dünnfilmprozess, eine hohe Effizienz bei CIGS-Einzelübergangs-Photovoltaikzellen mit einer größtmöglichen monolithischen Paneelgröße und ein optimiertes Nadelstreifen-Zellmuster zum Maximieren der Photonenaufnahme. Der vereinfachte Dünnfilmprozess weist das Präparieren eines Basismaterials direkt auf einem großen Kalknatronglassubstrat, einschließlich des Barrierematerials, des metallischen Elektrodenmaterials und und eines oder mehrerer Präkursormaterialien. Zusätzlich weist der vereinfachte Dünnfilmprozess einen zweistufigen Prozess zur Herstellung des Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Photovoltaikabsorbers (CIGS-Photovoltaikabsorber) mit hoher Effizienz auf, wobei der Prozess zuerst das Bilden einer Präkursorverbundschicht umfasst, gefolgt von dem Durchführen einer thermischen reaktiven Selenierungs- und Sulfurisierungsbehandlung der Präkursorverbundschicht. Eine spezifische Ausführungsform weist eine Einzelübergangszelle mit dem CIGS-Photovoltaikabsorber auf, gekennzeichnet durch eine Energielücke von ungefähr 1,0 eV und 1,1 eV. Dies ermöglicht es, dass die CIGS-Zelle als eine untere Vorrichtung dienen kann, die mechanisch mit einer oberen zweiseitigen (bifacialen) Vorrichtung gekoppelt ist, um ein laminiertes Modul mit einer kombinierten Photovoltaik-Schaltkreiseffizienz zu bilden, die mit Silizium vergleichbar ist, aber wesentlich niedrigere Kosten aufweist. Weitere Vorteile umfassen die Verwendung umweltfreundlicher Materialien, die vergleichsweise weniger giftig als andere Dünnfilm-Photovoltaikmaterialien sind sowie transparente leitfähige Materialien mit hoher Temperaturtoleranz zum Anpassen des verbesserten thermischen Absorberprozesses und zum nachfolgenden Beibehalten einer vernünftigen optischen Transparenz.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Diagramm, das eine Einzelübergangs-CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikzellstruktur veranschaulicht;
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Dünnfilm-Präkursormaterial veranschaulicht, das über einer Rückelektrode liegend gebildet ist;
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Dünnfilm-Präkursormaterial veranschaulicht, das zur Herstellung eines Photovoltaikabsorbermaterials behandelt worden ist;
  • 4 ist ein Diagramm, das eine Bildung des Photovoltaikabsorbermaterials veranschaulicht;
  • 5 ist ein SEM-Bild von Kornstrukturen des CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikabsorbers und einer ZnO-Schicht einer oberen Elektrode;
  • 6 ist ein I-V-Diagramm, das die Effizienz eines Probe-CIGS-Photovoltaikmoduls veranschaulicht;
  • 7 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine optionale Verwendung einer CIGS-Photovoltaikzelle als eine untere Vorrichtung veranschaulicht, die mit einer oberen zweiseitigen Vorrichtung zum Bilden eines Tandemmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist;
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht eines laminierten Probe-CIGS-Photovoltaikmoduls veranschaulicht;
  • 9 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Querschnittsansicht und einer entsprechenden Draufsicht einer Zellstruktur eines Einzelübergangs-CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikmoduls.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es werden eine Zellstruktur und ein Verfahren zum Bilden eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz angegeben. Die Erfindung ermöglicht eine CIGS/CIS-basierte Dünnfilm-Photovoltaikzelle mit hoher Effizienz, aus der ein Paneel in industrieller Größe mit einem Formfaktor von 165 × 65 cm bei einer Schaltkreiseffizienz von 12–15% oder größer hergestellt wird. Durch Arbeit an der Stöchiometrie der Zusammensetzung des Dünnfilmabsorbers und einer Feineinstellung der Kornstruktur weist der Einzelübergangs-CIGS/CIS-Photovoltaikabsorber eine optimierte optoelektrische Eigenschaft auf, die durch eine Energiebandlücke von 1,0 bis 1,1 eV gekennzeichnet ist. Dies ermöglicht es, die Zelle als eine untere Vorrichtung zu verwenden, die in der Lage ist, mit oberen zweiseitigen Vorrichtungen zu koppeln, um ein Mehrschichtmodul mit einer verbesserten Moduleffizienz zu bilden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, andere Arten von Halbleiterdünnfilmen oder Mehrschichten aufzuweisen, einschließlich Eisensulfid, Kadmiumsulfid, Zinkselenid und andere sowie Metalloxide wie etwa Zinkoxid, Eisenoxid, Kupferoxid und andere.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Einzelübergangs-CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikzellstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie gezeigt ist, sieht die vorliegende Erfindung ein Substrat 100 zum Bilden einer Dünnfilm-Photovoltaikvorrichtung vor. Bei einer spezifischen Ausführungsform weist das Substrat 100 einen industriellen Formfaktor von 165 × 65 cm auf und ist aus einem Material hergestellt, das aus Kalknatronglas, Acrylglas, Zuckerglas, CorningTM-Spezialglas, Quarz und Plastik ausgewählt ist. Das Substrat weist einen Oberflächenbereich 101 auf, der zum Bilden von Dünnfilmmaterialien darauf vorbereitet ist. Wie gezeigt, liegt ein Barrierematerial 103 über dem Oberflächenbereich 101. Besonders für ein Substrat, das Kalknatronglasmaterial verwendet, verhindert das Barrierematerial 103, dass Natrium-Ionen in dem Kalknatronglas unkontrolliert in den Photovoltaikmaterialbereich diffundieren, der bei nachfolgenden Prozessen gebildet wird. Kalknatronglas enthält normalerweise Alkali-Ionen mit mehr als 10 Gewichtsprozent Natriumoxid oder ungefähr 15 Gewichtsprozent Natrium. Je nach Ausführungsform kann das Barrierematerial 103 ein dielektrisches Material sein, ausgewählt aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid, Tantaloxid und Zirkoniumoxid, das unter Verwendung von Techniken wie Sputtern, Elektronenstrahlverdampfen, chemische Gasphasenabscheidung (einschließlich plasmaunterstützter Prozesse) und anderer abgeschieden wird. Bei einer spezifischen Ausführungsform beträgt die Dicke des dünnen Barrierematerials 103 ungefähr 200 Angström oder mehr. Bei einer weiteren spezifischen Ausführungsform beträgt die Dicke des Barrierematerials 103 ungefähr 500 Angström und mehr. Selbstverständlich können alternative Barrierematerialien verwendet werden, beispielsweise eine aus zwei Materialien bestehende Doppelschicht, die ein Oxid- oder ein Nitridmaterial umfassen kann.
  • Bei einer Ausführungsform ist eine Rückelektrode gebildet, die über dem Barrierematerial 103 liegt. Die Rückelektrode kann aus einem leitfähigen Material hergestellt sein, das ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen kann. Bei einem Beispiel wird Molybdän oder Molybdänselenid verwendet. Gemäß einer spezifischen Ausführungsform, wie in 1 gezeigt ist, ist die Rückelektrode eine Doppelschichtstruktur, die eine erste Molybdänschicht 106 und eine zweite Molybdänschicht 108 umfasst. Die erste Molybdänschicht 106 wird über dem Barrierematerial 103 liegend mittels eines Niederdrucksputterprozesses gebildet, der in einer Kammer bei einem Druck durchgeführt wird, der in einem Bereich von ungefähr 1 bis 5 Millitorr eingestellt ist, und die eine Dicke von ungefähr 200 bis 700 Angström aufweist. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die erste Molybdänschicht mit einer internen Zugverspannung gebildet. Die erste Molybdänschicht 106 kann in Abhängigkeit auch von der Sputterleistung und der Substrattemperatur, anders als die Niedrigdruckbedingung, unter einer Zugspannung in einem Bereich von 300 MPa bis 1000 MPa gebildet werden. Ein Vorteil der Zugspannung in diesem Abschnitt der Schicht liegt darin, die Beibehaltung der Schichtintegrität zu unterstützen, wenn eine mechanische Ritz- oder Laserablationstechnik verwendender Strukturierungsprozess durchgeführt wird, um einen Graben zur Bildung eines Zelllinienrandes zu ritzen. Da das Molybdän teilweise entfernt wird, kann der verbleibende (größere) Abschnitt des Molybdäns immer noch stark an dem Substrat befestigt sein, um als eine Elektrode für die einzelne Zelle zu dienen. Es können andere Materialien, die ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) wie etwa Indium-Zinnoxid (im Allgemeinen als ITO) bezeichnet, mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO) und ähnliches aufweisen können, für die Rückelektrode verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird eine zweite Molybdänschicht 108 über der ersten Molybdänschicht 106 gebildet. Die zweite Molybdänschicht 108 Ist dadurch gekennzeichnet, dass eine interne Druckverspannung bei einem weiteren Sputterabscheidungsprozess bei einem Kammerdruck zwischen 10 Millitorr und 20 Millitorr durchgeführt wird, um einen Dickenbereich von ungefähr 2000 Angström bis 7000 Angström zu erhalten. In Abhängigkeit von dem Druck, der Sputterleistung und der Temperatur wird die zweite Molybdänschicht 108 unter einer kompressiven Spannungin einem Bereich von Neutraldruck bis –200 MPa gebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erleichtert die Kompressionsspannung innerhalb der zweiten Molybdänschicht 108 die Selbstreparatur bei einer Rissbildung des Films oder flacher Randfehlstellen innerhalb der ersten Molybdänschicht 305 um die Zelllinienränder herum, die während des Strukturierungsprozesses gebildet werden.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Doppelschichtelektrodenprozess unter Verwendung der folgenden Bedingungen durchgeführt werden. Der Prozess zum Bilden der ersten Molybdänschicht 106 kann bei einem niedrigen Druck von ungefähr 1 bis 5 mTorr und einer niedrigen Sputterleistung von ungefähr 1 bis 5 kW ausgeführt werden. Der nachfolgende Prozess zum Bilden der zweiten Molybdänschicht 108 verwendet dann einen hohen Druck von ungefähr 10–20 mTorr in Kombination mit einer hohen Sputterleistung von ungefähr 12–18 kW. Die Dicke jeder Schicht kann ähnlich den oben beschriebenen sein.
  • Weitere Optionen zum Durchführen des Prozesses können eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Druck der Kammer für beide Sputterprozesse konstant gehalten werden. Allerdings kann eine Sputterleistung von 1 bis 4 kW für die erste Molybdänschicht 106 eingestellt werden und auf ungefähr 12 bis 18 kW für die zweite Molybdänschicht 108 erhöht werden. Selbstverständlich sind andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich. Beispielsweise kann die erste Schicht bei einer niedrigen Leistung und einem hohen Druck und die zweite Schicht bei einer hohen Leistung und einem niedrigen Druck abgeschieden werden. Die Spannungszusammensetzung der Doppelschicht-Filmstruktur wird modifiziert, aber die erste Schicht befindet sich immer noch unter Zug und die zweite Schicht unter Kompression. Alternativ kann die zweite Molybdänschicht 106 durch ein anderes Material wie etwa Titan ersetzt werden. Die Dicke der Titanschicht kann ungefähr 300 Angström betragen. Ferner kann eine Titanunterschicht optional zugefügt werden, bevor die erste Molybdänschicht gebildet wird.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Photovoltaik-Absorbermaterial 110 über der zweiten Molybdänschicht 108 liegend gebildet. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Photovoltaik-Absorbermaterial 110 ein Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Verbundmaterial (CIGS-Verbundmaterial), das auf der Basis eines Zweischritt-Prozesses gebildet wird, der eine physikalische Gasphasenabscheidung eines Dünnfilm-Präkursormaterials aufweist, gefolgt von einer zweistufigen reaktiven thermischen Behandlung des Dünnfilm-Präkursormaterials. Bei einer werteren Ausführungsform umfasst das mittels des Zweischritt-Prozesses gebildete CIGS-Verbundmaterial eine Mehrzahl an Körnern mit gut auskristallisierter Chalkopyrit-Struktur aus CuInGaSe2 oder CuInGa(SSe)2 in einer Größe von ungefähr 0,75 μm mit einem bevorzugten Cu/(In + Ga)-Zusammensetzungsverhältnis von ungefähr 0,9. Physikalisch besitzt der CIGS-Absorber eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 μm. Elektrisch ist er dadurch gekennzeichnet, dass er die elektrischen Eigenschaften eines p-leitenden Halbleiters aufweist und eine Energiebandlücke in einem Bereich von weniger als 1 eV bis ungefähr 1,1 eV aufweist. Bei einer spezifischen Implementierung der vorliegenden Erfindung zeigt das CIGS-Material eine ausgezeichnete photovoltaische Absorption des Sonnenlichtspektrums zumindest teilweise über einen Spektrumsabschnitt von Rot bis Infrarot auf und konvertiert absorbierte Photonen in Elektronen mit einer hohen Effizienz. Die hohe Effizienz ergibt sich teilweise aus einer optimierten Korngröße von ungefähr 0,75 μm über den Zweischritt-Prozess, der eine Lichtabsorption zur Erzeugung einer großen Anzahl an Photoelektronen erleichtert und eine schnelle Beförderung der Photoelektronen zu dem Emitter unterstützt. Bei einer Ausführungsform kann die Galliumspezies während der Präparation des Dünnfilm-Präkursormaterials eliminiert werden, sodass der sich ergebende photovoltaische Absorber hauptsächlich ein Kupfer-Indium-Diselenid-Material umfasst, das heißt ein CIS-Absorbermaterial. Bei einer anderen speziellen Ausführungsform wird der Wert der Energiebandlücke so eingestellt, dass das CIGS/CIS-Photovoltaikabsorbermaterial am besten als eine untere Vorrichtung einer Mehrschichtzelle dient.
  • Nach dem Photovoltaikabsorbermaterial 110 mit p-leitender Charakteristik wird ein n-leitend dotiertes Emittermaterial gebildet, um einen vollständigen p-n-Übergang zur Erzeugung von Elektrizität aus Lichtabsorption darzustellen. Anschließend wird das n-leitende Puffermaterial 120 über dem Absorber 110 liegend abgeschieden. Das Puffermaterial 120 ist bevorzugt eine chemisch abgeschiedene Cadmiumsulfid-Schicht (CdS-Schicht) mit einer schwachen n-leitenden Dotierung, mit einer größeren Energiebandlücke als bei dem CIGS-Absorbermaterial, und feinen Körnern, die in einer mikro- oder nanokristallinen Struktur angeordnet sind. Die CdS-Schicht des Puffermaterials 120 wird unter Verwendung einer chemischen Badabscheidung gebildet, wobei das gesamte Glassubstrat, das alle zuvor gebildete Dünnfilme trägt und eine CIGS-Absorberoberfläche aufweist, in eine mit einer wässrigen Lösung versetztes Bad eingetaucht wird, wobei die Lösung mindestens eine Cadmiumspezies, eine Ammoniakspezies und eine organische Schwefelspezies umfasst.
  • Bei einer spezifischen Ausführungsform kann die Cadmiumspezies aus verschiedenen Cadmiumsalzen wie etwa Cadmiumacetat, Cadmiumiodid, Cadmiumsulfat, Cadmiumnitrat, Cadmiumchlorid, Cadmiumbromid und anderen abgeleitet werden. Ein Zweck der Verwendung von Cadmium besteht darin, die starke n-leitende Donorcharakteristik des Cd in Verbindung mit dem CIGS-Absorbermaterial zu verwenden. Während des chemischen Radprozesses erhält ein Bereich mit einer Tiefe von ungefähr 0,1 μm nahe der CIGS-Absorberoberfläche eine (mit der Schwefelspezies gebundene) Cd-Spezies, um eine Pufferschicht zu werden, die von einer p-leitenden oder einer intrinsischen Charakteristik zu einer n-leitenden Charakteristik geändert worden ist. Das Puffermaterial 120 mit n-leitender Charakteristik dient wenigstens teilweise als Photovoltaik-Fenstermaterial für eine Einzelübergangs-Dünnfilm-Photovoltaikzelle. Detailliertere Beschreibungen über die Verarbeitung des Puffermaterials zur Herstellung eines Dünnfilm-Photovoltaikmaterials sind in der U. S. Patentanmeldung Nr. 12/569,490 mit dem Titel ”Zarge Scale Chemical Bath System and Method for Cadmium Sulfide Processing of Thin Film Photovoltaic Materials”, eingereicht am 29. September 2009 von Robert D. Wieting, auf die Stion Corporation, San Jose, CA übertragen, gezeigt, die vollständig durch Bezugnahme für alle Anwendungszwecke eingefügt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein über dem Puffermaterial 120 liegendes, transparentes, leitendes Material 130 gebildet, um hauptsächlich als Elektrode für die Dünnfilm-Photovoltaikzellen zu dienen. Typischerweise ist das transparente leitende Material 130 ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO), wie In2O3:Sn (ITO), ZnO:Al (AZO), SnO2:F (TFO), aber auch andere Materialien, die optisch transparent für das Sonnenlichtspektrum sind und einen Schichtwiderstand von weniger als ungefähr 10 Ohm/cm2 besitzen. Bei einer spezifischen Ausführungsform ist das transparente leitende Material 130 eine zweischichtige Zinkoxidschicht, die eine untere Schicht 131 mit einem hohen Widerstand und eine obere Schicht 132 mit einem niedrigen Widerstand umfasst. Die Zinkoxid-Schicht (ZnO-Schicht) wird durch eine metall-organische chemische Gasphasenabscheidungs-Technik (MOCVD-Technik) gebildet, wobei eine Mischung aus einer ein Diethylzinkmaterial und eine sauerstoffbeinhaltende Spezies umfassenden, reaktiven gasförmigen Spezies benutzt wird. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann die sauerstoffbeinhaltende Spezies Wasserdampf mit einem Wasser-Diethylzink-Verhältnis von mehr als ungefähr 1 zu 4 sein. Bei einer anderen spezifischen Ausführungsform wird eine aus Diborangas/Dampf abgeleitete borbeinhaltende Spezies der Mischung aus Recktanten mit einer ausgewählten Flussrate zugegeben.
  • Der MOCVD-Prozess wird in einer abgeschlossenen Kammer unter einem kontrollierten Umgebungsdruck und mit ausreichend ausgelegten Substrathalterungen und einem Arbeitsgasversorgungssystem durchgeführt. Die chemische Reaktion der zugeführten reaktiven gasförmigen Spezies tritt nahe an einem Substrat bei einer erhöhten Temperatur auf, um die Abscheidung eines über dem Puffermaterial liegenden bordotierten Zinkoxidmaterials zu bewirken. Durch Einstellung der Flussrate der Diboranspezies kann das Bordotierungsniveau in der gebildeten ZnO-Schicht eingestellt werden, sodass die obere Schicht 131 mit hohem Widerstand zuerst über dem Puffermaterial 120 liegend gebildet werden kann. Danach kann die Flussrate der Diboranspezies von im wesentlichen Null bis zu einem hohen Wert in Abhängigkeit von dem spezifischen System erhöht werden, sodass die obere Schicht 132 mit niedrigem Widerstand gebildet ist. Bei einer Ausführungsform ist die obere Schicht 132 mit niedrigem Widerstand, die einer starken Bordotierung ausgesetzt ist, vorzugsweise durch eine optische Transmission von mehr als ungefähr 90 Prozent und einem kleinen spezifischen Widerstand von ungefähr 2,5 mΩ cm und weniger gekennzeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel dient die obere Schicht mit niedrigem Widerstand direkt als Elektrodenschicht für die Photovoltaikzelle. Die untere Schicht 131 mit hohem Widerstand, die eine niedrige oder keine Bordotierung und einen hohen Widerstand im Bereich von 1 Ω/☐ und 1 mΩ/☐ aufweist, wird zu einem Teilabschnitt des Fenstermaterials 120 durch Bilden eines guten ohmschen Kontakts zwischen der n-leitenden CdS-Schicht und der oberen Schicht 132 mit niedrigem Widerstand. Die untere Schicht 131 mit hohem Widerstand besitzt dennoch eine gute optische Transparenzeigenschaft mit zumindest einer optischen Transmission von mehr als ungefähr 80 Prozent. Mit anderen Worten ist die untere Schicht 131 mit hohem Widerstand eine transparente Schicht mit hohem spezifischen Widerstand (HRT-Schicht), die als Puffer zwischen der Fensterschicht der pn-Übergangszelle und einer darüber liegenden transparenten leitfähigen (Elektroden-)Schicht. Die HRT-Schicht dient als Schutzschicht, die einen elektrischen Kurzschluss oder eine Ladungsträgerrekombination durch mögliche sehr kleine Löcher oder Whisker beziehungsweise Haarkristalle, die sich an der Schnittstelle zwischen der Elektrodenschicht und dem Photovoltaikmaterial bilden. Die Einzelübergangs-Dünnfilmphotovoltaikzelle mit hoher Effizienz beruht auf der Bildung eines Photovoltaik-Absorbermaterials unter Verwendung eines zweistufigen Prozesses. Insbesondere beginnt der zweistufige Prozess mit einer physikalischen Gasphasenabscheidung (Sputter- oder Verdampfungstechnik) eines Dünnfilmpräkursors bei einer relativ niedrigen Temperatur (T < 200°C).
  • 2 ist ein vereinfachtes Diagramm, das ein Präkursor-Verbundmaterial zeigt, das über der Elektrode liegend durch Sputterprozesse gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet worden ist. Wie in einem Beispiel zur Bildung eines kupferbasierten Präkursormaterials gezeigt, werden zumindest drei Schichten des Präkursormaterials nacheinander gebildet. Als erstes wird ein Natrium-Trägermaterial 231 über eine Rückelektrode 220 auf einem Glassubstrat 200 abgeschieden. Zwischen der Rückelektrode 220 und einer Oberfläche des Glassubstrats 200 kann eine Barrierematerial 210 eingesetzt werden. Das Natrium-Trägermaterial 231 dient hauptsächlich als Quelle für die Natriumspezies zum Mischen oder Diffundieren durch das ganze Dünnfilm-Präkursormaterial (das später zu bilden ist), um die Bildung eines kupferbasierten Photovoltaikabsorbers zu unterstützen.
  • Bei einem Beispiel wird zur Abscheidung des Natrium-Trägermaterials 231 eine Sputtertechnik angewendet, die eine natriumbeinhaltende Zielvorrichtung mit einer spezifisch bestimmten Zusammensetzung und Reinheit mehrerer Elementspezies einschließlich Natrium, Kupfer, Gallium und andere verwendet. Der Sputterprozess kann in einer Kammer ausgeführt werden, die auf einen Druck im Bereich einiger weniger mTorr vorher leer gepumpt worden ist, bevor Arbeitsgase einschließlich eines Argongases und/oder eines Stockstoffgases eingeführt werden. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird der Sputterprozess über ein DC-Magnetron mit einer Leistung von 1,5 kW oder höher eingeleitet. Beispielsweise wird eine Leistung von 1,75 kW zum Abscheiden des ersten Präkursors von der natriumbeinhaltenden Zielvorrichtung bei einer Argongasflussrate von ungefähr 200 sccm eingesetzt, um die Abscheidungsrate während des Abscheidungsprozesses zu steuern. Dementsprechend wird eine Natriumflächendichte, die der Abscheidungsrate zugeordnet ist, als in einem Bereich von 0,03 bis 0,09 μmol/cm2 bestimmt. Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt das mittels des obigen Sputterprozesses gebildete natriumbeinhaltende Präkursormaterial eine Filmdicke von ungefähr 60 nm.
  • Wie in 2 gezeigt, wird eine zweite Schicht des Präkursormaterials, das ein Kupfer-Gallium-Legierungsmaterial 232 umfasst, über dem natriumbeinhaltenden Material 231 liegend gebildet. Wiederum kann die Abscheidung der Kupfer-Gallium-Legierung durch Sputtern bei einer relativ niedrigen Temperatur (T < 200°C) in der gleichen Kammer oder einem anderen Teilraum der Kammer unter Verwendung einer alternativen Cu-Ga-Legierungszielvorrichtung durchgeführt werden Bei einem Ausführungsbeispiel enthält Cu-Ga-Legierungszielvorrichtung, die in dem Prozess verwendet wird, 99,9% reiner Kupfer-Gallium-Legierung. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Kupfer-Gallium-Zusammensetzungsverhältnis im Wesentlichen gleich dem Kupfer-Gallium-Zusammensetzungsverhältnis der früher verwendeten natriumbeinhaltenden Zielvorrichtung ist. Ein Vorteil eines Abgleichs der Zielzusammensetzung besteht darin, dass ein problemloses Wachstum der zweiten Lage aus Präkursormaterial auf dem natriumbeinhaltenden Präkursormaterial (das Kupfer und Gallium enthält) zu unterstützen, und zwar im Wesentlichen ohne an der Grenzfläche eine Gitterverspannung hervorzurufen, die zu Schichtrissen oder anderen Defekten führen kann. Die DC-Magnetron-Sputtertechnik wird mit einer eine Leistung von ungefähr 4 ± 1 kW durchgeführt, die auf die Cu-Ga-Legierungszielvorrichtung ausgeübt wird und bei einer Argongas-Flussrate, die bei ungefähr 170 sccm eingestellt ist, um die Abscheidungsrate für eine Bildung des Cu-Ga-Legierungsmaterials 232 die zu steuern. Bei einem Beispiel wird eine Dicke von 120 nm des Cu-Ga-Legierungsmaterials abgeschieden.
  • Eine dritte Schicht des Präkursormaterials, das eine Indium-Spezies aufweist, wird nach der Bildung des Cu-Ga-Legierungsmaterials gebildet. Wie in 2 gezeigt, befindet sich das Indiummaterial 233 über dem Cu-Ga-Legierungsmaterial 232, abgeschieden unter Verwendung der DC-Magnetron-Sputtertechnik. Die Abscheidung kann in einem anderen Teilraum der Kammer kann unter Verwendung einer reinen 99,99% Indium-Zielvorrichtung durchgeführt werden. Bei einem Beispiel ist die Ar-Flussrate während der Abscheidung auf ungefähr 100 sccm eingestellt und die DC-Leistung, die zum Sputtern verwendet wird, beträgt ungefähr 9,2 kW. Die Indium-Abscheiderate bestimmt eine Moldichte von ca. 1,84 μmal/cm2 für das entsprechend gebildete Indium-Material 233. Bei einem Beispiel wird eine Indium-Schicht mit einer Dicke von ungefähr 290 nm abgeschieden. Nach der Bildung der ersten zwei Schichten des Präkursormaterials muss Indium-Material-Abscheidung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass eine vorbestimmte Stöchiometrie des gesamten Dünnfilm-Präkursormaterials einschließlich des natriumbeinhaltenden Materials 231, des Cu-Ga-Legierungsmaterials 232 und des Indium-Materials 233 in einem gewünschten Bereich erreicht wird und gut gesteuert wird. Beispielsweise kann die Stöchiometrie durch ein CIG-Verhältnis gekennzeichnet werden, das als ein Zusammensetzungsverhältnis der Kupferspezies zu einer Kombination aus der Indiumspezies plus der Galliumspezies innerhalb des gesamten Dünnfilm-Präkursormaterials Bezug nimmt. Bei einem Beispiel Liegt das CIG-Verhältnis in einem Bereich von 0,85 bis 0,95. Gemäß bestimmter Ausführungsformen ist ein CIG-Verhältnis nahe 0,9 ein bevorzugtes Zusammensetzungsverhältnis, um eine Bildung des auf kupferbasierten Photovoltaik-Absorbermaterials zu bewirken, das eine Solarkonversion mit hoher Effizienz erzeugt. Der zweistufige Prozess zum Bildung des Photovoltaik-Absorbermaterials beinhaltet ein Hochtemperatur-Tempern des Dünnfilm-Präkursormaterials, das durch eine Abscheidung bei niedriger Temperatur gebildet ist.
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Dünnfilm-Präkursormaterial veranschaulicht, das für eine Herstellung eines Photovoltaikabsorbermaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung behandelt wird. Wie gezeigt, wird das Glassubstrat 200, das das Dünnfilm-Präkursormaterial (231, 232, 233) beinhaltet, in einer Umgebung angeordnet, die einer thermischen Behandlung 300 unterliegt. Bei einer spezifischen Ausführungsform für das kupferbasierte Dünnfilm-Präkursormaterial, das eine Natriumspezies, eine Kupferspezies, eine Galliumspezies und Indiumspezies beinhaltet, ist die thermische Behandlung 300 ein reaktiver Temperprozess in einer erhitzten Gasumgebung, um zu bewirken, dass das Dünnfilm-Präkursormaterial mit einem oder mehreren der Reaktanzgase reagiert.
  • Insbesondere kann der reaktive Temperprozess bei hoher Temperatur in einer Ofenkammer durchgeführt werden, die so eingerichtet ist, dass sie die Reaktanzgase gemischt mit inerten Gasen beinhaltet und auf Basis eines vorbestimmten Temperaturprofils geheizt werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel zum Behandeln des kupferbasierten Dünnfilm-Präkursormaterials beinhalten die Reaktanzgase eine Selenspezies und eine Schwefelspezies. Beispielsweise wird ein Wasserstoff-Selenit-Gas plus ein Stickstoff-Gas zumindest für eine Temperstufe zugeführt und ein Wasserstoff-Sulfid-Gas plus ein Stickstoff-Gas für eine weitere Temperstufe zugeführt. Bei einer Ausführungsform enthält die Ofenkammer einen oder mehrere Heizer zur Zuführung thermischer Energie, um die Kammer zu heizen und die Temperatur eines darin beschickten Glassubstrats zu erhöhen, welches das Dünnfilm-Präkursormaterial trägt. Die Heizer sind räumlich um die Ofenkammer angeordnet und können unabhängig voneinander betrieben werden, um eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur des Glassubstrats sicherzustellen. Bei einer spezifischen Ausführungsform werden mehrere große Glassubstrate mit einem Formfaktor von 165 × 65 cm für den reaktiven Temperprozess zur Herstellung des Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz beschickt. Bei einem Beispiel umfasst das vorbestimmte Temperaturprofil eine erste Temperaturrampenstufe zum Erhöhen der Temperatur von Raumtemperatur schnell auf eine erste Haltestufe, auf der das Dünnfilm-Präkursormaterial innerhalb eines ersten Prozesstemperaturbereichs getempert wird. Bei der ersten Haltestufe wird eine Selen-Gas-Spezies in die Kammerumgebung als Hauptreaktant gefüllt. Dann erhöht, dem vorbestimmten Temperaturprofils folgend, eine zweite Rampenstufe die Temperatur schnell auf eine zweite Haltestufe, bei der das Dünnfilm-Präkursormaterial zusätzlich bei einem höheren Prozesstemperaturbereich getempert wird. Bei dieser Stufe wird eine Schwefelspezies als Hauptreaktant eingefüllt, während die Selenspezies zumindest teilweise entfernt wird. Beide Temperprozesse bewirken im Wesentlichen die Umwandlung des kupferbasierten Dünnfilm-Präkursormaterials (231, 232, 233) in ein Verbundmaterial, bei dem die Natriumspezies diffundiert und die Selen-/Schwefelspezies durchgängig eingebaut sind. Anschließend kann die Ofenkammer abgekühlt werden und das in einer bestimmten Kristallstruktur mit den gewünschten Korngrößen gebildete Kompositmaterial wird ein Material mit den gewünschten optoelektrischen Eigenschaften eines Photovoltaikabsorber mit hoher Effizienz.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Bildung des Photovoltaikabsorbermaterials veranschaulicht. Wie gezeigt, besitzt ein Glassubstrat 200 eine darüber liegende Barriereschicht 210 und eine Rückelektrode 220 ist über der Barriereschicht 210 gebildet. Nach dem reaktiven Temperprozess mit hoher Temperatur wird das Photovoltaikabsorbermaterial 230, das aus dem Dünnfilm-Präkursormaterial (231, 232, 233) umgewandelt wurde, über der Rückelektrode 220 liegend gebildet. Bei einer Ausführungsform weist das Photovoltaikabsorbermaterial Kupfer-, Indium-, Gallium- und Selenspezies und -Formen in einer Mehrzahl nebeneinander liegender kristalliner Körner, Insbesondere enthält jeder Korn ein Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CuInGaSe2) oder ein Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid (CuInGaS2) oder ihre Mischform CuInGa(SeS)2. Diese Materialien werden als CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikabsorber bezeichnet. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Galliumspezies aus den Prozessen entfernt werden, sodass sich ein CIS-Dünnfilm-Photovoltaikabsorber ergibt.
  • 5 ist ein beispielhaftes SIM-Bild der Kornstrukturen des CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikabsorbers und der oberen Elektrodenschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der Querschnittansicht gezeigt, ist der CIGS-Absorber mit gut entwickelten, kompakten Körnern gebildet, die sich in der Form einer vertikalen Säule über die Dicke der Absorberschicht erstrecken. Die durchschnittliche Korngröße beträgt ungefähr 0,75 μm, obwohl dies nicht leicht aus dem Querschnittsbild aufgrund der bei dem Zerteilen eingeführten Artefakte nicht leicht zu erkennen ist. Bei einer spezifischen Ausführungsform bestimmt die Zugabe der Natriumspezies in das Dünnfilm-Präkursormaterial hinsichtlich der richtigen Auswahl des natriumbeinhaltenden Sputterziels und der nachfolgenden Sputterabscheidungsbedingungen sowie die reaktiven thermischen Behandlungsbedingungen im wesentlichen die Endkornstruktur des CIGS/CIS-Absorbers. Dazu kommt, dass die Kornstruktur des Absorbers eine der Schlüsselrollen zur Verbesserung der Photovoltaik-Umwandlungseffizients des Dünnfilm-Solarmoduls spielt. Selbstverständlich gibt es viele Alternativen, Variationen und Modifikationen.
  • 6 ist ein beispielhaftes I-V-Kennliniendiagramm, das die aufgezeichnete Effizienz für ein beispielhaftes CIGS-Photovoltaikmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei diesem Beispiel ist die Probesolarzelle aus einem CIGS-Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Absorbermaterial (CIGS-Absorbermaterial) mit einer Energiebandlücke von ungefähr 1,05 eV gebildet. Bei dieser Kurve ist der Photoelektronen-Strom, der durch die Probesolarzelle erzeugt wird, gegen die Vorspannung aufgetragen. Ebenfalls ist die (berechnete) Zellenleistung gegen die Spannung aufgetragen. Auf Basis der Daten und einer Standardformel kann die Zellkonversionseffizienz η abgeschätzt werden:
    Figure 00200001
    wobei Jsc die Kurzschluss-Stromdichte der Zelle ist, VOC die anliegende Leerlauf-Vorspannung ist, FF der sogenannte Füllfaktor ist, der als das Verhältnis des maximalen Leistungspunktes dividiert durch die Leerlaufspannung (VOC) und den Kurzschluss-Strom (JSC) definiert ist. Der Füllfaktor für diese Vorrichtung beträgt 0,66. Die eingehende Lichtbestrahlungsstärke (Pin, in W/m2) bei Standardtestbedingungen [d. h. STC, die eine Temperatur von 25°C und eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 bei einem Luftmassenspektrum von 1,5 (AM 1,5) spezifizieren] und der Flächeninhalt der Solarzelle (in m2). Die Kurzschluss-Stromdichte JSC wird als ungefähr 33,9 mA/cm2 abgeleitet und die Leerlaufspannung wird als ungefähr 0,55 V gemessen. Daraus resultiert eine Effizienz von ungefähr 12,3% für die Probevorrichtung.
  • Die Einzelübergangs-CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikzelle mit hoher Effizienz kann verwendet werden, um Teil eines Mehrschichtsolarmoduls zu werden. Insbesondere umfasst die Einzelübergangszelle einen CIGS-basierten Absorber mit einer Bandlückenenergie von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV. Die Einzelübergangszelle ist geeignet als eine untere Vorrichtung, die an eine obere Vorrichtung mit einem Absorber gekoppelt werden kann, der eine breitere Bandlücke aufweist, um eine Zweischicht-Tandemzelle zu bilden.
  • 7 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine optionale Anwendung einer CIGS-Photovoltaikzelle als untere Vorrichtung gekoppelt mit einer oberen zweiseitigen Vorrichtung zum Bilden eines Tandemmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie gezeigt ist, weist das Modul 300 mit einer Mehrschicht-Tandemzellstruktur zumindest eine obere Vorrichtung 310 gekoppelt an eine untere Vorrichtung 320 auf. Bei einem Beispiel ist die obere Vorrichtung 310 eine zweiseitige Zelle, die einen pn-Übergang mit einem Absorbermaterial aufweist, das die gewünschte Energie-Bandlücke von ungefähr 1,6 bis 1,9 eV oder größer aufweist. Der Übergang der zweiseitigen Zelle kann zwischen zwei TCO-Elektroden (TCO = Transparent Conductor Oxide/transparentes elektrisch leitfähiges Oxid) mit einer ähnlichen Energie-Bandlücke, einer geeigneten optischen Transmission und einer guten elektrischen Leitfähigkeit angeordnet sein. Die Bandlücke dieses Übergangs erlaubt bevorzugterweise eine Lichtabsorption eines ”blauen” Bandes 301 des Sonnenlichtspektrums, um einen ersten Abschnitt eines Photoelektronen-Stroms zu konvertieren, während ein ”rotes” Band 303 des Sonnenlichtspektrums hindurchgehen darf. Das gefilterte rote Band 303 des Sonnenlichtspektrums ist dann meistenteils in der Lage, den CIGS-Absorber einer unteren Vorrichtung 320 durch die obere transparente Elektrode zu erreichen, obwohl ein gewisser Prozentsatz der Lichtintensität für dieses Spektrum verloren gegangen ist. Der CIGS-Absorber, wie er vorstehend beschrieben wurde, besitzt eine gewünschte Energie-Bandlücke von ungefähr 0,7 bis 1,1 eV. Demzufolge kann der CIGS-Absorber das Licht des roten Bandes 303 zumindest teilweise absorbieren und konvertiert einen zweiten Abschnitt eines Photoelektronen-Stroms. Sowohl die obere Vorrichtung 310 als auch die untere Vorrichtung 320 besitzen zwei elektrische Anschlüsse zum Ausgeben des Photoelektronen-Stroms. In Abhängigkeit von dem Anwendungsfall kann das Tandemmodul mit 4 Anschlüssen, 3 Anschlüssen oder 2 Anschlüssen zur Verbesserung der Gesamtkonversionseffizienz konfiguriert werden. Selbstverständlich gibt es viele Variationen, Alternativen und Modifikationen. Dank einer fortschreitenden Verbesserung bei dem Dünnfilm-Abscheidungsprozesses, dem thermischen Behandlungsprozess sowie des Laminierungsprozesses kann die Photovoltaikkonversionseffizienz des CIGS/CIS-Dünnfilm-Solarmoduls auf 14%, 15% oder höher verbessert werden.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform weist das Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz das Laminieren des Tandemmoduls auf, das eine obere Vorrichtung enthält, die oberhalb einer unteren Vorrichtung gekoppelt ist. 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht eines laminierten Probe-CIGS-Photovoltaikmoduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie gezeigt ist, besitzt das laminierte Modul eine rechteckige Form mit einem Formfaktor von 165 cm × 65 cm. Durch ein oberes Abdeckglas erkennt man mehrere streifenförmige Zelllinienstrukturen. Das Laminieren ist eine vollständige monolithische Integrierung einer Mehrzahl von Dünnfilm-Photovoltaikzellen, die auf einem Glassubstrat gebildet und strukturiert sind. Somit wird kein Prozess zum Verkabeln, Anbringen der Anschlüsse, Siebdrucken, Zellsortierung und -zusammenbau oder Test von herkömmlicher 1 × 1 Zellen benötigt. Das Zelllinienstrukturieren wurde unter Verwendung einer mechanischen Ritz- oder Laserablationstechniken bei einem oder mehreren entsprechenden Schritten während einer Reihe von Dünnfilm-Prozessen durchgeführt. Das Strukturieren wird durchgeführt, nachdem die Rückelektrodenschicht gebildet ist oder nachdem das CIGS-Absorbermaterial gebildet ist sowie nachdem die obere Elektrodenschicht gebildet ist. Dadurch werden zahlreiche Verbindungen oder Lötstellen beseitigt, die bei herkömmlichen siliziumbasierten Modulen während des Modulaufbaus verwendet werden. Die Abmessungen und andere Verpackungsdetails des Paneels können leicht den Kundenwünschen für ein anwendungsspezifisches PV-Projekt angepasst werden. Beispielsweise können der gleiche Formfaktor und die gleiche Modullaminierung verwendet werden, um ein Tandem-Photovoltaikmodul mit einer oberen Vorrichtung zu bilden, die mit einer unteren CIGS-Einzelübergangs-Vorrichtung gekoppelt ist. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann das Oben-Unten-Kopplungsmaterial ein Ethylenvinylacetat, üblicherweise EVA genannt, ein Polyvinylacetat, üblicherweise PVA genannt, und andere sein. Die Kopplung kann elektrisch in Reihe erfolgen, sodass ein höheres Zellspannungsniveau zu Verfügung gestellt werden kann. Die Kopplung kann auch elektrisch parallel erfolgen, sodass sich der erste elektrische Strom, der von der unteren Vorrichtung konvertiert wird, zu dem elektrischen Strom addiert, der in der oberen Vorrichtung konvertiert wird. Alle diese Vorteile tragen dazu bei, eine wesentlich verbesserte Modulzuverlässigkeit und eine beträchtlich engere Leistungsverteilung bei der Massenherstellung der Dünnfilm-Photovoltaikmodule zu erreichen.
  • Bei einer spezifischen Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz vor. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einer Längenabmessung von ungefähr zwei Fuß und größer und einer Breite von ungefähr fünf Fuß und größer. Das Substrat verwendet üblicherweise ein Glas wie etwa Kalknatronglas, Acrylglas, Zuckerglas, CorningTM-Spezialglas, Quarz, oder sogar Plastik und andere. Der Formfaktor von 165 cm × 65 cm ist einer der größten Verfügbaren in der Solarmodulindustrie. Nach einem oder mehreren Oberflächereinigungsprozessen weist das Verfahren das Bilden eines Barrierematerials auf, das über einem Oberflächenbereich des Substrats liegt. Das Barrierematerial kann eine dünne Schicht aus Siliziumoxid sein, das unter Verwendung einer physikalischen Gasphasenabscheidung, einer Verdampfung oder einer chemischen Gasphasenabscheidung abgeschieden wird. Weiter kann das Verfahren das Bilden eines leitfähigen Materials aufweisen, das über dem Barrierematerial liegt. Das leitende Material kann ein Metall, eine Metallegierung, ein leitfähiges Oxid oder andere zur Bildung einer Rückelektrode des herzustellenden Photovoltaikmoduls sein. Bei einem Beispiel ist das leitfähige Material Molybdän, das unter Verwendung einer Sputtertechnik abgeschieden wird.
  • Bis jetzt kann das ganze Dünnfilmmaterial so gebildet werden, dass es über allen Oberflächenbereichen des Substrats liegt. Dann kann ein Dünnfilmstrukturierungsprozess durch das leitfähige Material durchgeführt werden. 9 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Querschnittsansicht und eine entsprechende Draufsicht eines Einzelübergangs-CIGS-Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit zahlreichen strukturierten streifenförmigen Zellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Glassubstrat 900 wird zum Herstellen des Einzelübergangs-Dünnfilm-Photovoltaikmoduls bereitgestellt. Ein leitfähiges Material 910 wird durch die Oberfläche des Substrats 900 gebildet und ein Strukturierprozess wird durchgeführt, um durch das leitfähige Material 910 zu ritzen, um eine Mehrzahl linearen Gräben 912 mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand zu bilden. Diese Gräben 912 bilden Begrenzungen einer Mehrzahl streifenförmiger Bereiche. Beispielsweise, wie in 9 gezeigt, führt jeder streifenförmige Bereich zur Bildung einer Photovoltaikzelle. Bei einer spezifischen Ausführungsform werden die Zellgräben durch Verwendung eines mechanischen Ritzers beziehungsweise Scribers oder mehrerer Ritzer gebildet, um über die Oberfläche einen linearen Graben jede 6,1 mm bis zu einer Tiefe zu ritzen, die etwas mehr als die Dicke des leitfähigen Materials 910 ist, aber nicht durch ein Barrierematerial (nicht explizit gezeigt), das unter dem leitfähigen Material 910 gebildet ist, zu reichen. Grundsätzlich teilen die Mehrzahl der geritzten linearen Gräben die Dünnfilm auf dem Substrat in eine Mehrzahl an Bereichen und jeder Bereich wird die Basis zum Bilden einer Photovoltaikzelle, wobei das in jedem Bereich verbleibende leitfähige Material zu einer ersten Elektrode jeder Zelle wird.
  • Zusätzlich weist das Verfahren zum Herstellen des Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz das Bilden eines Präkursormaterials auf, das über der ersten Elektrode jeder Zelle liegt. Das Präkursormaterial weist Materialien auf, die nacheinander abgeschieden werden, einschließlich eines natriumbeinhaltenden Materials, eines Kupfer-Gallium-Legierungsmaterials und eines Indium-Materials. Das Verfahren umfasst ferner das Behandeln des Präkursormaterials in einer gasförmigen Umgebung auf der Basis eines vorbestimmten Temperaturprofils, wobei die Umgebung zumindest eine Selenspezies und eine Schwefelspezies umfasst. Der Behandlungsprozess ist ein reaktiver thermischer Temperprozess zum Umwandeln des Präkursormaterials in ein Absorbermaterial. Insbesondere reagiert das Präkursormaterial, welches Natrium-, Kupfer-, Gallium- und Indiumspezies enthält, mit Seleniumspezies und/oder Schwefelspezies während der Behandlung, was zu der Bildung eines Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Verbundmaterials führt, das im wesentlichen die Struktur einer Mehrzahl von säulenförmigen Chalkopyrit-Kristallkörnern aufweist. Das Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Verbundmaterial ist durch eine p-leitende elektrische Charakteristik mit einer Energie-Bandlücke von ca. 1 eV bis 1,1 eV charakterisiert, was wesentlich für den Photovoltaikabsorber zum Absorbieren zumindest eines Teils des Sonnenlichtspektrums gewünscht ist. Das gesamte Absorbermaterial weist ein bevorzugtes Cu/(In + Ga)-Zusammensetzungsverhältnis von ca. 0,9 auf, was durch eine stöchiometrische Kontrolle sowohl während der Präkursor-Abscheidung als auch der reaktiven thermischen Behandlung erreicht wird, die zumindest teilweise die Kornstruktur des Absorbers, die elektrischen Eigenschaften und die optischen Eigenschaften bestimmt. Selbstverständlich gibt es viele Variationen, Alternativen und Modifikationen.
  • Ferner weist das Verfahren das Bilden eines Puffermaterials auf, das über dem Absorbermaterial liegt. Das Puffermaterial weist eine n-leitende Charakteristik und eine optische Transparenz bei einer Energiebandlücke auf, die größer als das Absorbermaterial ist. Im Wesentlichen liegt das n-leitende Puffermaterial über dem p-leitenden Absorbermaterial und bildet einen pn-Übergang mit dem Puffermaterial als Emitter, der Elektronen sammeln kann, die durch Photonen erzeugt werden, die in dem Absorbermaterial absorbiert werden. Bei einem Beispiel ist das Puffermaterial ein Cadmiumsulfid-Material (CdS-Material), das unter Verwendung einer chemischen Badabscheidungstechnik gebildet ist. Das CdS-Puffermaterial ist hinsichtlich seiner Dicke wesentlich dünner als das Absorbermaterial. In 9 ist das derartige Puffermaterial nicht explizit gezeigt und der pn-Übergang wird im Wesentlichen durch den Absorber 920 repräsentiert. Nach der Bildung des pn-Übergangs kann ein anderer Strukturierungsprozess durchgeführt werden, um durch das Puffermaterial und das Absorbermaterial zu ritzen. Eine zweite Mehrzahl linearer Gräben 923 wird an Stellen gebildet, die entsprechend um einen kleinen Abstand von der ersten Mehrzahl von linearen Gräben 912 verschoben sind. Der kurze Abstand ist wesentlich kleiner als die Zellbreite. Unter Bezugnahme auf 8 entfernt jeder der zweiten Gräben 923 einen Abschnitt des Absorber-/Puffermaterials, um es zu ermöglichen, dass ein leitendes Materials für eine elektrische Kopplung einer Zelle mit einer benachbarten Zelle eingefügt wird.
  • Darüber hinaus weist das Verfahren ein Abscheiden eines transparenten leitenden Materials 930 auf, das über dem Puffermaterial und der zweiten Mehrzahl linearer Gräben liegt. Bei einer Ausführungsform weist das Abscheiden eines transparenten leitenden Materials das Bilden eines transparenten Materials mit einem hohen spezifischen Widerstand auf, das über dem Puffermaterial liegt, um ein Photovoltaik-Fenstermaterial zu vervollständigen, das eine p-leitende elektrische Charakteristik besitzt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das transparente leitfähige Material ein Zinkoxid-Material, das mit einer bestimmten n-leitenden Verunreinigungsspezies dotiert ist. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird eine MOCVD-Technik verwendet, um eine oder mehrere Zinkoxid-Schichten über dem Puffermaterial abzuscheiden. Während des Prozesses wird ein Diborangas mit einer gesteuerten Flussrate zugeführt, um Bor in die Zinkoxid-Schicht zu dotieren. Durch Reduzieren des Bordotierniveaus kann die erste Zinkoxid-Schicht ein transparentes Material mit einem hohen spezifischen Widerstand sein. Diese Schicht dient teilweise dazu, dass eine physikalische Barriereschicht einen guten ohmschen Kontakt zwischen dem Photovoltaik-Übergangsmaterial (Absorber- und Puffermaterial) und einem oberen Elektrodenmaterial bildet. Sie weist auch eine n-leitende Halbleitercharakteristik auf, um als Teil der Photovoltaik-Fensterschicht zu dienen, die das Puffermaterial aufweist. Danach kann das Zinkoxid-Material weiter in dem gleichen MOCVD-Prozess abgeschieden werden, aber mit einem wesentlichen höheren Bordotierniveau. Dies führt zur Bildung eines transparenten leitfähigen Materials mit einem wesentlichen geringeren spezifischen Widerstand. Darüber hinaus kann ein weiterer Strukturierungsprozess durchgeführt werden, um mit einer dritten Mehrzahl an linearen Gräben 1001 durch das transparente leitfähige Material zu ritzen, das sowohl transparente Materialien mit einem niedrigen als auch einem hohen spezifischen Widerstand aufweist. Jeder der dritten Gräben 1001 ist um einen kleinen Abstand von dem zweiten Graben 923 verschoben und ist wiederum wesentlich kleiner als die laterale Abmessung jeder Zelle. Der verbleibende Abschnitt des transparenten leitfähigen Materials innerhalb jedes Zellbereichs, der durch den linearen Graben 1001 separiert ist, wird eine zweite Elektrode oder obere Elektrode für diese Zelle. Jede Zelle ist elektrisch miteinander durch die Kopplungsmaterialien in dem entsprechenden ersten Graben 912 und dem zweiten Graben 923 gekoppelt, die früher gebildet wurden, entweder elektrisch in Reihe oder parallel.
  • Schließlich, wie in 9 gezeigt ist, wird ein Lötmaterial 1011 oder 1021 über einem freigelegten Abschnitt des leitfähigen Materials angeordnet, das den über dem Substrat nahe jedem Randbereich parallel zu der streifenförmigen Zelle liegt. Entsprechend wird ein leitender Busstab oder ein – band 1010 oder 1020 entsprechend über dem Lötmaterial in einem Lötprozess angeordnet. Der leitende Busstab 1010 oder 1020 bildet entsprechend einen elektrischen Kathoden- oder Anodenleiter für das gesamte Photovoltaikmodul. Selbstverständlich gibt es hier viele Variationen, Alternativen und Modifikationen. Beispielsweise kann das Verfahren zum Herstellen des Dünnfilm-Photovoltaikmoduls ferner eine zusätzliche elektrische Schaltungsendfertigung und eine Modulverpackung einschließlich des Anbringens eines Abdeckglases über der zweiten Elektrode aufweisen, das an die zweite Elektrode über ein Kopplungsmaterial gekoppelt ist, das aus Ethylenvinylacetat (EVA) und Polyvinylacetat (PVA) ausgewählt ist. Bei einem Beispiel kann das Verfahren das Anbringen eines Paneelrahmens für das großformatige Substrat (und das Abdeckglas) mit einer Länge von 165 cm oder mehr und einer von Breite 65 cm oder mehr und andere modulbezogene Behandlungen umfassen. Bei einem oder mehreren Beispielen zeigt das Dünnfilm-Photovoltaikmodul, das gemäß einem oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, ein ausgezeichnetes Leistungsverhalten bei der Erzeugung elektrischer Leistung durch Konvertieren von Sonnenlicht in Elektrizität mit einer Konversionseffizienz von mehr als 15% und mehr auf. Weitere alternative Prozesse können das Koppeln des gerade gebildeten Einzelübergangs-Photovoltaikmodul mit anderen Modulen umfassen, das so ausgelegt ist, das es ein zweiseitiges Modul sein kann, um ein Mehrschichtmodul zu bilden.
  • Obwohl das Obige gemäß spezifischer Ausführungsformen veranschaulicht wurde, kann es andere Modifikationen, Alternativen und Variationen geben. Es ist zu verstehen, dass die hier beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung dienen und dass dem Fachmann unterschiedliche Abänderungen oder Veränderungen in dieser Hinsicht nahegelegt sind, solange diese innerhalb des Geistes und des Geltungsbereichs dieser Anmeldung sowie innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (24)

  1. Dünnfilm-Photovoltaikmodul mit hoher Effizienz, umfassend: ein Substrat mit einer Oberfläche mit einer Länge von ungefähr 2 Fuß und größer und einer Breite von ungefähr 5 Fuß und größer; eine Mehrzahl streifenförmiger Photovoltaikzellen, die elektrisch miteinander gekoppelt sind und physisch parallel zu der Längsseite angeordnet sind, nebeneinander über die Breite hinweg, wobei jede Zelle umfasst: ein Barrierematerial, das über der Oberfläche liegt; eine erste Elektrode, die über dem Barrierematerial liegt; einen Absorber, der über der ersten Elektrode liegend gebildet ist, wobei der Absorber ein Kupfer-Gallium-Indium-Diselenid-Verbundmaterial umfasst, das durch eine Energie-Bandlücke von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV gekennzeichnet ist; ein Puffermaterial, das über dem Absorber liegt; und ein Zweischicht-Zinkoxid-Material, ZnO-Material, das eine auf dem Puffermaterial liegende transparente Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand und eine über der transparenten Schicht mit hohem spezifischem Widerstand liegende transparente Schicht mit einem niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, wobei das Puffermaterial, das die transparente Schicht mit hohen spezifischen Widerstand kombiniert, ein Photovoltaik-Fenstermaterial zum Sammeln von Photoelektronen umfasst, die durch den Photovoltaikabsorber konvertiert worden sind und die transparente Schicht mit niedrigem Widerstand eine zweite Elektrode bildet; und einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter, die jeweils auf der ersten Elektrode nahe jedem Randbereich des Substrats in Längsrichtung gebildet sind.
  2. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Material umfasst, das aus Kalknatronglas, Acrylglas, Zuckerglas, CorningTM-Spezialgigs, Quarz und Plastik ausgewählt ist.
  3. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei das Barrierematerial ein dielektrisches Material umfasst, das aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Tantaloxid und Zirkoniumoxid ausgewählt ist.
  4. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei der Photovoltaikabsorber unter Verwendung eines thermischen Selenisierungs- und Sulfurisierungsprozess gebildet ist, um ein ein natriumbeinhaltendes Material, ein Kupfer-Gallium-Legierungsmaterial und ein Indium-Material umfassendes Präkursormaterial in einer gasförmigen Umgebung zu behandeln, die zumindest Selen- und Schwefelspezies umfasst.
  5. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei der Photovoltaikabsorber eine Chalkopyrit-Struktur mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 0,75 μm, einem Cu/(In + Ga)-Zusammensetzungsverhältnis von ungefähr 0,9 und einer n-leitenden Halbleitercharakteristik aufweist.
  6. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode ein leitfähiges Material ausgewählt aus Aluminium, Gold, Silber, Molybdän, Molybdänselenid, sowie Kombinationen daraus und ein transparentes leitfähiges Oxid umfasst.
  7. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei das Puffermaterial eine Cadmiumsulfidschicht, CdS-Schicht, enthält.
  8. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei das Photovoltaik-Fenstermaterial eine pyramidenähnliche Textur mit einer Merkmalsgröße von ungefähr 0,2 μm und eine p-leitende Halbleitercharakteristik umfasst, die unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess gebildet ist.
  9. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode einen spezifischen Widerstand von ungefähr 1 mΩ cm, eine Oberflächencharakteristik einer pyramidenähnlichen Textur mit einer Merkmalsgröße von ungefähr 0,2 μm und eine optische Transmission von 90% zumindest für Wellenlängen in einem Bereich von 630 nm bis 750 nm umfasst, gebildet unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess.
  10. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei die transparente Schicht mit hohem spezifischen Widerstand, die über dem Puffermaterial liegt, einen spezifischen Widerstand von 102 bis 104 mΩ cm umfasst, was die Bildung eines ohmschen Kontakts zwischen dem Photovoltaik-Fenstermaterial und der zweiten Elektrode bewirkt.
  11. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei jede der Mehrzahl an streifenförmigen Photovoltaikzellen einen Photovoltaik-Konversionsbereich umfasst, der eine laterale Abmessung von ungefähr 6,1 mm und eine Länge besitzt, die im Wesentlichen gleich der Länge des Substrats ist.
  12. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter und der zweiten elektrischen Leiter einen Kupfer-Busstab umfasst, der an einen Indium-Silber-Legierungskontakt gelötet ist, der oberhalb der ersten Elektrode liegend gekoppelt ist.
  13. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, das ferner ein Abdeckglas umfasst, das an die zweiten Elektrode über ein Kopplungsmaterial gekoppelt ist, das aus Ethylenvinylacetat (EVA) und Polyvinylacetat (PVA) ausgewählt ist.
  14. Dünnfilm-Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, das ferner eine NREL-kalibrierte Photovoltaik-Konversionseffizienz in einem Bereich von 12% bis 15% und mehr aufweist.
  15. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilm-Photovoltaikmoduls mit hoher Effizienz, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats mit einer Abmessung bezüglich der Länge von ungefähr 2 Fuß und mehr sowie bezüglich einer Breite von ungefähr 5 Fuß und mehr; Bilden eines Barrierematerials, das über dem Substrat liegt; Bilden eines leitfähigen Materials, das über dem Barrierematerial liegt; Ritzen durch das leitende Material mit einem im Wesentlichen gleichen Abstand, um eine Mehrzahl streifenförmigen Zellen zu bilden, wobei das leitfähige Material, das innerhalb jeder streifenförmigen Zelle verbleibt, eine erste Elektrode aufweist; Bildung eines Präkursormaterials, das über der ersten Elektrode liegt, wobei das Präkursormaterial ein natriumbeinhaltendes Material, ein Kupfer-Gallium-Legierungsmaterial und ein Indium-Material umfasst; Behandeln des Präkursormaterials in einer gasförmigen Umgebung, die zumindest eine Selenspezies und eine Schwefelspezies umfasst, auf der Basis eines vorbestimmten Temperaturprofils, um ein Absorbermaterial zu bilden, das durch eine p-leitende elektrische Charakteristik mit einer Energie-Bandlücke von ungefähr 1 eV bis 1,1 eV und einem Cu/(In + Ga)-Verhältnis von ungefähr 0,9 gekennzeichnet ist; Bilden eines Puffermaterials mit einer n-leitenden Charakteristik, das über dem Absorbermaterial liegt, das eine p-leitende Charakteristik besitzt, um einen pn-Übergang zu bilden; Strukturieren des Absorbermaterials und des Puffermaterials zum Koppeln jeder streifenförmigen Zelle mit einer benachbarten streifenförmigen Zelle; Bilden eines transparenten Materials mit einem hohen spezifischen Widerstand, das über dem Puffermaterial liegt; Bilden eines transparenten leitfähigen Materials, das über dem transparenten Material mit einem hohen spezifischen Widerstand liegt; und Strukturieren des transparenten leitenden Materials, des Puffermaterials und des Absorbermaterials, um eine zweite Elektrode für jede streifenförmige Zelle zu bilden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Befestigen zumindest eines leitfähigen Bandes nahe eines Rands des Substrats umfasst, um entweder mit der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode als Kathode oder Anode des Dünnfilm-Photovoltaikmoduls zu koppeln.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Substrat ein Material umfasst, das aus Kalknatronglas, Acrylglas, Zuckerglas, CorningTM-Spezialglas, Quarz und Plastik ausgewählt ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Barrierematerial ein dielektrisches Material umfasst, das aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Tantaloxid und Zirkoniumoxid ausgewählt ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden einer ersten Elektrode das Abscheiden von Molybdän unter Verwendung einer Sputtertechnik umfasst, um eine Zweischichtstruktur jeweils in Zug- und Druckverspannung zu bilden, die über dem Barrierematerial liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden eines über der ersten Elektrode liegenden Präkursormaterials das Bilden von Dünnfilm-Abscheidungen unter Verwendung einer Sputtertechnik über einer entsprechenden ersten Zielvorrichtung, die einen Na2SeO3-Verbund gemischt mit Kupfer und Kupfer-Gallium-Spezies umfasst, einer zweiten Zielvorrichtung, die eine Kupfer-Gallium-Legierung umfasst, und einer dritter Zielvorrichtung umfasst, die im wesentlichen reines Indium umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Strukturieren der ersten Elektrode zum Bilden einer Mehrzahl von streifenförmigen Zellen das Teilen des Substrats in eine Mehrzahl an Photovoltaik-Konversionsbereichen umfasst, die jeweils eine laterale Abmessung von ungefähr 6,1 mm und einer Länge von im Wesentlichen gleich der Länge des Substrats aufweisen.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden eines Puffermaterials das Abscheiden eines Cadmiumsulfidmaterials unter Verwendung einer chemischen Badabscheidungstechnik umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden eines transparenten Materials mit hohem spezifischen Widerstand das Durchführen eines chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses umfasst, um eine Zinkoxid-Schicht dotiert mit einer geringen Dosis Bor umfasst, die durch einen spezifischen Widerstand von 102 bis 104 mΩ cm und einer optischen Transparenz von ungefähr 90% zumindest für Wellenlängen im Bereich von 630 nm bis 750 nm charakterisiert ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bilden eines transparenten leitfähigen Materials das Durchführen eines chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses umfasst, um eine Zinkoxid-Schicht zu bilden, die mit einer starken Dosis Bor dotiert ist, und durch eine pyramidenförmige Textur durchgängig durch die Schicht mit einem spezifischen Widerstand von einigen mΩ cm und einer optischen Transparenz von ungefähr 90% zumindest für Wellenlängen in einem Bereich zwischen 630 nm bis 750 nm charakterisiert ist.
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