DE102011054716A1

DE102011054716A1 - Gemischtes Sputtertarget aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid und Verfahren zu ihrer Verwendung

Info

Publication number: DE102011054716A1
Application number: DE102011054716A
Authority: DE
Inventors: Scott Daniel Feldman-Peabody
Original assignee: Primestar Solar Inc
Current assignee: Primestar Solar Inc
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2012-05-03
Also published as: US20120061235A1; CN102453875A

Abstract

Gemischte Targets 64 werden allgemein zum Aufbringen einer vermischten Schicht 19 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid durch Zerstäuben offenbart. Das gemischte Target 64 kann Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid einschließen. Verfahren zum Bilden des gemischten Targets 64 werden auch angegeben. So kann z. B. eine pulverisierte Mischung aus pulverisiertem Cadmiumsulfid und pulverisiertem Cadmiumtellurid gebildet und zu einem vermischten Target 64 gepresst werden. Allgemein werden auch Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 mit einer vermischten Schicht 19 offenbart. So kann z. B. ein gemischtes Target 64 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid direkt durch Zerstäuben auf eine Cadmiumsulfidschicht 18 aufgebracht werden, um eine vermischte Schicht 19 zu bilden, und eine Cadmiumtelluridschicht 20 kann auf der vermischten Schicht 19 gebildet werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der hier offenbarte Gegenstand bezieht sich allgemein auf gemischte Targets aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid zum Zerstäuben sowie Verfahren zu deren Verwendung. Mehr im Besonderen bezieht sich der hierin offenbarte Gegenstand auf die Bildung einer vermischten Dünnfilmschicht, die sowohl Cadmiumsulfid als auch Cadmiumtellurid einschließt, zum Einsatz in photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmanordnungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Photovoltaische (PV) Dünnfilmmodule (auch als „Solarplatten” bezeichnet), die auf Cadmiumtellurid (CdTe) gepaart mit Cadmiumsulfid (CdS) als den photoreaktiven Komponenten beruhen, gewinnen weite Akzeptanz und Interesse in der Industrie. CdTe ist ein Halbleitermaterial mit Charakteristika, die für die Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität besonders geeignet sind. So hat z. B. CdTe eine Energiebandlücke von 1,45 eV, was es ihm ermöglicht, mehr Energie aus dem solaren Spektrum umzuwandeln, verglichen mit Halbleitermaterialien engerer Bandlücke, die historisch in Solarzellen-Anwendungen eingesetzt wurden (z. B. etwa 1,1 eV für Silicium). Auch wandelt CdTe Strahlungsenergie bei Schwachlicht oder diffusem Licht, verglichen mit den Materialien mit engerer Bandlücke, um und hat so, verglichen mit anderen konventionellen Materialien, eine längere effektive Umwandlungszeit im Verlauf eines Tages oder unter wolkigen Bedingungen.
Der Übergang von der n-leitenden Schicht und der p-leitenden Schicht ist wesentlich verantwortlich für die Erzeugung elektrischen Potenzials und elektrischen Stromes, wenn das PV-CdTe-Modul Lichtenergie, wie Sonnenlicht, ausgesetzt ist. Spezifisch bilden die Cadmiumtellurid(CdTe)-Schicht und die Cadmiumsulfid(CdS)-Schicht einen p-n-Heteroübergang, wobei die CdTe-Schicht als eine p-leitende Schicht (d. h. eine positive, Elektronen akzeptierende Schicht) und die CdS-Schicht als eine n-leitende Schicht (d. h. eine negative, Elektronen abgebende Schicht) wirkt. Freie Trägerpaare werden durch Lichtenergie erzeugt und dann durch den p-n-Heteroübergang zur Erzeugung eines elektrischen Stromes getrennt.
Während des Glühprozesses nach dem Abscheiden der Cadmiumtelluridschicht kann ein Vermischen an den Oberflächen der Cadmiumsulfid- und Cadmiumtellurid-Schicht auftreten. Dieses Vermischen kann die Lebenszeit der Minoritätsträger in dem Cadmiumtellurid verlängern und dadurch die Leerlaufspannung (Voc) und den Füllfaktor erhöhen und dadurch die Effizienz der Vorrichtung verbessern. Das durch den Glühprozess verursachte Vermischen hängt von mehreren Herstellungsvariablen ab, die die Glühtemperatur, die Länge des Glühens, die Dünnfilm- und Oberflächen-Gleichmäßigkeit (insbesondere am p-n-Übergang), die Dotierungsmittelkonzentration(en), die Glühatmosphäre (z. B. Feuchte) usw. einschließen. Diese Herstellungsvariablen können Probleme bei der Bildung im Wesentlichen gleichförmiger PV-Vorrichtungen während eines Herstellungsverfahrens im großen Maßstab erzeugen, was zu variierenden Wirksamkeiten in den hergestellten PV-Vorrichtungen führt.
Es besteht daher ein Bedarf an photovoltaischen Cadmiumtellurid-Vorrichtungen, die verbesserte p-n-Übergänge aufweisen, die durch kontrolliert vermischte Schichten aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid definiert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder sie können sich aus der Beschreibung ergeben oder durch Ausführen der Erfindung erkannt werden.
Es werden gemischte Targets zum Aufbringen einer vermischten Schicht aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid durch Zerstäuben allgemein offenbart. Das gemischte Target kann Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid aufweisen. Verfahren zum Bilden des gemischten Targets werden auch angegeben. So kann z. B. eine Pulvermischung aus pulverisiertem Cadmiumsulfid und pulverisiertem Cadmiumtellurid gebildet und zu einem gemischten Target gepresst werden.
Es werden auch Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Dünnfilmvorrichtung auf Cadmiumtellurid-Grundlage, die eine gemischte Schicht aufweist, allgemein offenbart. So kann z. B. ein gemischtes Target aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid direkt durch Zerstäuben auf eine Cadmiumsulfidschicht aufgebracht werden, um eine vermischte Schicht zu bilden, und eine Cadmiumtelluridschicht kann auf der vermischten Schicht gebildet werden.
diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügte Zeichnung, die hier einbezogen ist und einen Teil dieser Anmeldung bildet, veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung und dient, zusammen mit der Beschreibung, zum Erklären der Prinzipien der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Art davon, gerichtet an einen Fachmann auf dem Gebiet, ist in der Anmeldung ausgeführt, und sie nimmt Bezug auf die beigefügten Figuren, in denen:
1 eine allgemeine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer beispielhaften photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer vermischten Schicht aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid zeigt, die definiert ist durch eine einzelne abgestufte Schicht, die eine zunehmende Tellurkonzentration und eine abnehmende Schwefelkonzentration durch die Dicke der abgestuften Telluridschicht aufweist, die sich von der Cadmiumsulfidschicht bis zur Cadmiumtelluridschicht erstreckt;
3 eine andere beispielhafte Ausführungsform einer vermischten Schicht aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid zeigt, die stufenweise derart gebildet ist, dass eine Vielzahl von Schichten zunehmenden Tellurgehaltes und abnehmenden Schwefelgehaltes die vermischte Schicht definieren;
4 ein Fließdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines photovoltaischen Moduls zeigt, das eine photovoltaische Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung einschließt, und
5 eine allgemeine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht einer beispielhaften Gleichstrom-Zerstäubungskammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die wiederholte Verwendung von Bezugsziffern in der vorliegenden Anmeldung und in den Zeichnungen soll die gleichen oder analoge Merkmale oder Elemente repräsentieren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, von denen ein oder mehrere Beispiele in der Zeichnung dargestellt sind. Jedes Beispiel wird als Erläuterung der Erfindung, nicht Beschränkung der Erfindung, angegeben. Tatsächlich wird es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen in der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Umfang oder Geist der Erfindung zu verlassen. So können z. B. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, mit einer anderen Ausführungsform benutzt werden, um noch eine andere Ausführungsform zu ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen abdeckt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
Wird in der vorliegenden Offenbarung eine Schicht als „auf” oder „über” einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat beschrieben, dann ist dies so zu verstehen, dass sich die Schichten entweder direkt berühren oder eine andere Schicht oder ein anderes Merkmal zwischen den Schichten aufweisen. Diese Begriffe beschreiben daher einfach die relative Position der Schichten zueinander und bedeuten nicht notwendigerweise „auf”, da die relative Position oberhalb oder unterhalb von der Orientierung der Vorrichtung zum Betrachter abhängt. Obwohl die Erfindung nicht auf irgendeine besondere Filmdicke beschränkt ist, bezieht sich der Begriff „dünn”, der irgendwelche Filmschichten der photovoltaischen Vorrichtung beschreibt, allgemein auf die Filmschicht, die eine Dicke von weniger als etwa 10 Mikrometer („Mikron” oder „μm”) aufweist.
Es sollte klar sein, dass die hierin erwähnten Bereiche und Grenzen alle Bereiche innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen einschließen (d. h., Unterbereiche). So schließt z. B. ein Bereich von etwa 100 bis etwa 200 ebenfalls Bereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6 ein. Eine Grenze von bis zu etwa 7 schließt auch eine Grenze von bis zu etwa 5, bis zu 3 und bis zu etwa 4,5 ebenso wie Bereiche innerhalb der Grenze ein, wie von etwa 1 bis etwa 5 und von etwa 3,2 bis etwa 6,5.
Allgemein gesagt, werden photovoltaische Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtungen hier als eine vermischte Schicht aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid (CdTe/CdS) aufweisend zusammen mit Verfahren zu deren Herstellung offenbart. Die vermischte Schicht von CdTe/CdS kann zwischen einer Cadmiumsulfidschicht und der Cadmiumtelluridschicht angeordnet sein. Die vermischte Schicht kann während des Abscheidungsverfahrens, vor dem Glühen der Cadmiumtelluridschicht, gebildet werden, um die Stöchiometrie des Überganges der Cadmiumsulfidschicht und der Cadmiumtelluridschicht besser zu kontrollieren. Die Gleichmäßigkeit des Überganges, der in einzelnen Vorrichtungen während des Herstellungsverfahrens gebildet ist, kann besser kontrolliert werden.
Die gemischte Schicht von CdTe/CdS kann allgemein eine zunehmende Tellurkonzentration und eine abnehmende Schwefelkonzentration, ausgehend von der Cadmiumsulfidschicht zur hinteren Kontaktschicht hin, aufweisen, obwohl verschiedene Konfigurationen benutzt werden können, um eine solche vermischte Schicht zu bilden.
Die Dicke der vermischten Schicht kann konfiguriert sein, die Wechselwirkung und/oder das elektrische Feld zwischen der Cadmiumsulfidschicht und der Cadmiumtelluridschicht einzustellen und zu bemessen. In den meisten Ausführungsformen kann die vermischte Schicht von CdTe/CdS eine Dicke von weniger als der Dicke der Cadmiumtelluridschicht haben. So kann die Dicke der vermischten Schicht von CdTe/CdS z. B. zwischen etwa 0,01 μm und etwa 1 μm, z. B. zwischen etwa 10 nm bis etwa 500 nm oder von etwa 50 nm bis etwa 250 nm betragen.
1 repräsentiert eine beispielhafte photovoltaische Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10, die eine vermischte Schicht 19 von CdTe/CdS aufweist, die zwischen einer Cadmiumsulfidschicht 18 und einer Cadmiumtelluridschicht 20 angeordnet ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die vermischte Schicht 19 von CdTe/CdS z. B. durch eine einzelne Dünnfilmschicht definiert, die abgestuft ist, um eine zunehmende Tellurkonzentration und eine abnehmende Schwefelkonzentration durch die Dicke der vermischten Schicht 19, ausgehend von der Cadmiumsulfidschicht 18 bis zur Cadmiumtelluridschicht 20, zu haben. So kann z. B. die vermischte Schicht 19 aus CdTe/CdS als eine CdS_1-xTe_x-Schicht repräsentiert sein, worin 0 < x < 1, mit zunehmendem Tellurgehalt (d. h. der Wert von x nimmt zu) durch die Dicke der vermischten Schicht 19, die sich von der Cadmiumsulfidschicht 18 bis zur Cadmiumtelluridschicht 20 erstreckt. In einer besonderen Ausführungsform ist der Übergang von der Cadmiumsulfidschicht 18 und der vermischten Schicht 19 in erster Linie CdS und er ist im Wesentlichen frei von Tellur (d. h. CdS_1-xTe_x, worin x etwa 0 ist) und die gegenüberliegende Oberfläche der vermischten Schicht 19, die die Cadmiumtelluridschicht 20 kontaktiert, ist in erster Linie CdTe und sie ist im Wesentlichen frei von Schwefel (z. B. CdS_1-xTe_x, worin x etwa 1 ist). Der Begriff „im Wesentlichen frei”, wie er hierin benutzt wird, bedeutet nicht mehr als eine unbedeutende Spurenmenge ist vorhanden und umfasst vollständig frei (z. B. 0 Mol-% bis zu 0,0001 Mol-%).
In einer Ausführungsform kann die Erhöhung der Tellurkonzentration und die Verminderung der Schwefelkonzentration eine lineare Änderung (d. h. eine im Wesentlichen konstante Änderungsrate) durch die Dicke der abgestuften vermischten Schicht 19 hindurch sein, die sich von der Cadmiumsulfidschicht 18 bis zur Cadmiumtelluridschicht 20 erstreckt. Alternativ kann die Rate der Erhöhung der Tellurkonzentration und der Abnahme der Schwefelkonzentration durch die abgestufte vermischte Schicht 19 hindurch variiert werden. Die Rate der Erhöhung der Tellurkonzentration und der Verminderung der Schwefelkonzentration kann z. B. relativ langsam durch die erste Hälfte der Dicke erfolgen (z. B. x nimmt bis zu etwa 0,25 oder weniger zu, wie x nimmt bis zu etwa 0,05 bis etwa 0,1 zu), während die Rate der Erhöhung der Tellurkonzentration und der Verminderung der Schwefelkonzentration relativ rasch durch die zweite Hälfte der Dicke erfolgen kann. Umgekehrt kann die Rate der Erhöhung der Tellurkonzentration und der Verminderung der Schwefelkonzentration durch die erste Hälfte der Dicke relativ rasch erfolgen (z. B. x nimmt bis zu etwa 0,75 oder mehr zu, wie x nimmt bis zu etwa 0,8 bis etwa 0,9 zu), während die Rate der Erhöhung der Tellurkonzentration und der Verminderung der Schwefelkonzentration durch die zweite Hälfte der Dicke relativ langsam sein kann.
3 zeigt eine andere Ausführungsform einer vermischten Schicht 19, die eine Vielzahl vermischter Schichten zunehmenden Tellurgehaltes (Schichten 1 bis 6), einschließt, die stufenweise gebildet sind, um gemeinsam die vermischte Schicht 19 zu definieren. Jede einzelne Schicht 1 bis 6 hat einen zunehmenden Tellurgehalt und abnehmenden Schwefelgehalt, relativ zur zuvor abgeschiedenen Schicht, so dass Schicht 2 mehr Tellurgehalt und weniger Schwefelgehalt als Schicht 1, Schicht 3 mehr Tellurgehalt und weniger Schwefelgehalt als Schicht 2, Schicht 4 mehr Tellurgehalt und weniger Schwefelgehalt als Schicht 3, Schicht 5 mehr Tellurgehalt und weniger Schwefelgehalt als Schicht 4 und Schicht 6 mehr Tellurgehalt und weniger Schwefelgehalt als Schicht 5 aufweist. So kann z. B. Schicht 1 eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin 0 < x ≤ 0,2 ist; Schicht 2 kann eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,4 ist; Schicht 3 kann eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6 ist; Schicht 4 kann eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin 0,6 ≤ x ≤ 0,8 ist; Schicht 5 kann eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin 0,8 ≤ x ≤ 1 ist und Schicht 6 kann eine Struktur von CdS_1-xTe_x haben, worin x etwa 1 ist. In einer speziellen Ausführungsform ist der Übergang der Cadmiumsulfidschicht 18 und der Schicht 1 primär CdS (d. h., CdS_1-xTe_x, worin x 0 ist) und der Übergang der vermischten Schicht 19 und der Cadmiumtelluridschicht 20 ist im Wesentlichen frei von Schwefel (d. h., CdS_1-xTe_x, worin x 1 ist)
Obwohl die beispielhafte stufenweise gemischte Schicht 19, die in 3 gezeigt ist, sechs Schichten 1–6 aufweist, kann irgendeine Anzahl stufenweiser Schichten benutzt werden, um die gemischte Schicht 19 zu bilden. So kann z. B. die gemischte Schicht in einer besonderen Ausführungsform aus drei Schichten gebildet werden, einer Schicht, die am dichtesten zur Cadmiumsulfidschicht liegt, einer zweiten Schicht auf der ersten Schicht und einer dritten Schicht auf der zweiten Schicht, wobei die erste Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,2 ist, die zweite Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,8 ist und die dritte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,8 ≤ x ≤ 1 ist.
Zusätzlich kann jede der Schichten 1–6 in variierender Dicke gebildet sein, wie von etwa 1 nm bis etwa 250 nm Dicke. In gewissen Ausführungsformen kann die Dicke jeder der Schichten 1–6 von etwa 10 nm bis etwa 100 nm z. B. von etwa 10 nm bis etwa 50 nm, betragen. In einer Ausführungsform kann jede der Schichten 1–6 im Wesentlichen die gleiche Dicke haben.
Die stufenweise Vielzahl von Schichten 1–6 kann nach dem Glühen der Vorrichtung 10 allgemein die vermischte Schicht 19 bilden (z. B. nach Abscheidung der Cadmiumtelluridschicht 20). Die Vorrichtung 10 kann z. B. in der Gegenwart von Cadmiumchlorid (CdCl₂), wie nach Abscheidung der Cadmiumtelluridschicht 20, geglüht werden. Das Glühen der Vorrichtung 10 kann durch Erhitzen bis zu einer Glühtemperatur (z. B. etwa 150°C bis 600°C) ausgeführt werden. In einer Ausführungsform, insbesondere, wenn die gemischte Schicht 19 aus CdTe/CdS aus einer Vielzahl stufenweiser Schichten 1–6 gebildet ist, wie in 3 gezeigt, kann die Cadmiumtelluridschicht 20 und die vermischte Schicht 19 aus CdTe/CdS weniger stark geglüht werden, wie bei einer Temperatur von etwa 200°C bis etwa 450°C, wie etwa 350°C bis etwa 420°C, für weniger als etwa 60 Minuten, wie von etwa 30 Sekunden bis etwa 30 Minuten. Ohne durch irgendeine besondere Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass das weniger starke Glühen die vermischte Schicht 19 aus CdTe/CdS aus der Vielzahl von Schichten 1–6 ohne vollständiges Diffundieren der Cadmiumtelluridschicht 20 in die Cadmiumsulfidschicht 18 bilden kann. Die Bildung der Vielzahl von Schichten 1–6 kann eine bessere Kontrolle (z. B. stöchiometrische Kontrolle) der gemischten Schicht 19 erlauben, die nach dem Glühen gebildet ist, statt dass man sich auf das Vermischen der Cadmiumsulfidschicht 18 und der Cadmiumtelluridschicht 20 an den Übergangsoberflächen verlässt.
Die Vielzahl von Schichten 1–6 kann in einer besonderen Ausführungsform durch Zerstäuben eines gemischten Targets oder gemischter Targets (z. B. Nacheinanderzerstäuben verschiedener gemischter Targets) aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid gebildet werden. So kann (können) z. B. das (die) gemischte(n) Target(s), das (die) zum Zerstäuben der Dünnfilmschichten 1–6 benutzt wird (werden), allgemein Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid einschließen (z. B. aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid bestehen). Das gemischte Target kann z. B. durch Vermischen von pulverförmigem Cadmiumsulfid und pulverförmigem Cadmiumtellurid und Pressen der gemischten Pulver zu einem Target gebildet werden. In einer Ausführungsform kann das gemischte Target gebildet werden durch Vermischen von Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid (z. B. in Pulverform und Vermischen) und dann Umsetzen zu einer ternären Verbindung (z. B. CdS_1-xTe_x, worin 0 ≤ x ≤ 1, variiert, wie erwünscht, wie 0,2 ≤ x ≤ 0,8). So kann das gemischte Pulver z. B. auf etwa 400°C bis etwa 900°C erhitzt werden, um Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid zu der ternären Verbindung umzusetzen.
Die relativen Mengen von Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid im vermischten Target können eingestellt werden, um an das erwünschte Verhältnis in der abgeschiedenen vermischten Schicht, wie oben diskutiert, im Wesentlichen anzupassen. Beim Bilden einer gemischten Schicht aus drei Schichten: eine erste Schicht am nächsten zur Cadmiumsulfidschicht, eine zweite Schicht auf der ersten Schicht und eine dritte Schicht auf der zweiten Schicht, worin die erste Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,2, die zweite Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,8 und die dritte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,8 ≤ x ≤ 1, können drei vermischte Targets in aufeinanderfolgenden Zerstäubungsverfahren eingesetzt werden, worin das erste vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,2, das zweite vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,8 und das dritte vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,8 ≤ x ≤ 1. In einem anderen Beispiel kann die vermischte Schicht aus drei vermischten Schichten gebildet werden: einer Schicht am nächsten zu der Fensterschicht, einer zweiten Schicht auf der ersten Schicht und einer dritten Schicht auf der zweiten Schicht, worin die erste Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,1, die zweite Schicht (z. B. eine Übergangsschicht) CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,1 ≤ x ≤ 0,9 und die dritte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,9 ≤ x ≤ 1. In noch einer anderen Ausführungsform kann die vermischte Schicht als eine Bischicht definiert werden, die eine erste Schicht am nächsten zur Fensterschicht und CdS_1-xTe_x umfassend, worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und eine zweite Schicht benachbart der Cadmiumtelluridschicht und CdS_1-xTe_x umfassend, worin 0,9 ≤ x ≤ 1, einschließt.
In einer Ausführungsform kann das vermischte Target im Wesentlichen frei von anderen Materialien sein. In einer alternativen Ausführungsform kann das gemischte Target jedoch auch Cadmiumoxid (CdO) einschließen. Der Einschluss von Sauerstoff in dem gemischten Target kann Sauerstoff zu der vermischten Schicht hinzufügen, was verursachen kann, dass der optische Bandspalt verschoben wird, um Strahlung höherer Energie einzuschließen (wie blaue und ultraviolette Strahlung). Die Sauerstoff einschließende vermischte Schicht kann es somit gestatten, dass mehr Licht in die Cadmiumtelluridschicht eintritt, um in elektrischen Strom umgewandelt zu werden, was in einer wirksameren photovoltaischen Vorrichtung resultiert. Der Einschluss von Sauerstoff in dem gemischten Target, statt dass man sich auf den Einschluss von Sauerstoff in der Zerstäubungsatmosphäre verlässt, kann eine bessere stöchiometrische Kontrolle des Sauerstoffes in der abgeschiedenen vermischten Schicht mit sich bringen. Das vermischte Target kann im Wesentlichen gleichmäßige vermischte Schichten bilden, die Sauerstoff einschließen, durch das Herstellungsverfahren hindurch (z. B. von Target zu Target), ohne dass es von komplexen Gasmischschemen abhängt. Das gemischte Target kann etwa 0,5 Mol-% bis etwa 25 Mol-% Cadmiumoxid einschließen, wie etwa 1 Mol-% bis etwa 20 Mol-% Cadmiumoxid oder etwa 5 Mol-% bis etwa 15 Mol-%. Andererseits kann das gemischte Target etwa 75 Mol-% bis etwa 99,5 Mol-% Cadmiumsulfid einschließen, wie etwa 80 Mol-% bis etwa 99 Mol-% Cadmiumsulfid oder etwa 85 Mol-% bis etwa 95 Mol-%.
Die Zerstäubungsatmosphäre kann ein Inertgas (z. B. Argon) enthalten. Wird Sauerstoff vom vermischten Target bereitgestellt, dann kann die Zerstäubungsatmosphäre im Wesentlichen frei von Sauerstoff sein (außer Cadmiumoxid, das während des Zerstäubens vom Target abgegeben wird, wenn es im vermischten Target eingeschlossen ist).
In einer besonderen Ausführungsform kann die vermischte Schicht aus dem vermischten Target während eines Kaltzerstäubungsprozesses durch Zerstäuben abgeschieden werden (z. B. bei einer Zerstäubungstemperatur von etwa 10°C bis etwa 100°C), ohne nachfolgendes Glühen. Das Glühen könnte jedoch ausgeführt werden, falls erwünscht, durch Erhitzen auf eine Glühtemperatur von etwa 250°C bis etwa 500°C. In einer alternativen Ausführungsform kann die vermischte Schicht aus dem vermischten Target während eines Heißzerstäubungsprozesses (z. B. bei einer Zerstäubungstemperatur von etwa 300°C bis etwa 450°C) durch Zerstäuben abgeschieden werden.
Das Abscheiden durch Zerstäuben schließt allgemein das Auswerfen von Material aus einem Target ein, das die Materialquelle ist, und das Abscheiden des ausgeworfenen Materials auf dem Substrat zur Bildung des Filmes. Gleichstromzerstäuben schließt allgemein das Anlegen eines Gleichstroms an ein Metalltarget (d. h., die Kathode) ein, das nahe dem Substrat (d. h. der Anode) innerhalb einer Zerstäubungskammer angeordnet ist, um eine Gleichstromentladung zu bilden. Die Zerstäubungskammer kann eine reaktive Atmosphäre aufweisen (z. B. Schwefel zusätzlich zu Sauerstoff, Stickstoff usw. einschließen), die ein Plasmafeld zwischen dem Metalltarget und dem Substrat bildet. Andere Inertgase (z. B. Argon usw.) können auch vorhanden sein. Der Druck der reaktiven Atmosphäre kann zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr für Magnetronzerstäubung liegen. Der Druck kann für Diodenzerstäubung sogar höher sein (z. B. von etwa 25 mTorr bis etwa 100 mTorr). Werden beim Anlegen der Spannung Metallatome aus dem Target abgegeben, dann scheiden sich die Metallatome auf der Oberfläche des Substrates ab. Der an das Quellenmaterial angelegte Strom kann in Abhängigkeit von der Größe des Quellenmaterials, der Größe der Zerstäubungskammer, der Oberfläche des Substrates und anderen Variablen variieren. In einigen Ausführungsformen kann der angelegte Strom von etwa 2 Ampere bis etwa 20 Ampere betragen. Der angelegte Strom kann in gewissen Ausführungsformen impulsförmig sein, wie beim impulsförmigen Gleichstromzerstäuben.
Im Gegensatz dazu schließt RF-Zerstäuben das Anregen einer kapazitiven Entladung durch Anlegen eines Wechselstromes (AC) oder eines Radiofrequenz(RF)-Signals zwischen dem Target (z. B. einem keramischen Quellenmaterial) und dem Substrat ein. Die Zerstäubungskammer kann eine inerte Atmosphäre enthalten (z. B. eine Argonatmosphäre), die reaktionsfähige Materialien (z. B. Sauerstoff, Stickstoff usw.) enthalten kann, dies aber nicht braucht, die einen Druck zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr für das Magnetron-Zerstäuben aufweisen. Der Druck kann für das Diodenzerstäuben sogar höher sein (z. B. von etwa 25 mTorr bis etwa 100 mTorr).
5 zeigt eine allgemein schematische Darstellung als eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Gleichstrom-Zerstäubungskammer 60 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Gleichstrom-Energiequelle 62 ist konfiguriert, Gleichstromenergie an die Kammer zu liefern und zu kontrollieren. Wie gezeigt, legt die Gleichstrom-Energiequelle eine Spannung an die Kathode 64, um ein Spannungspotenzial zwischen der Kathode 64 und einer durch die Kammerwand gebildeten Anode zu erzeugen, sodass sich das Substrat zwischen der Kathode und der Anode befindet. Das Glassubstrat 12 wird zwischen einer oberen Stütze 66 und einer Bodenstütze 67 mittels Drähten 68 bzw. 69 gehalten. Allgemein ist das Glassubstrat 12 innerhalb der Zerstäubungskammer 60 derart angeordnet, dass die vermischte Schicht 19 auf der Oberfläche gebildet wird, die der Kathode 64 gegenüberliegt und allgemein auf der Cadmiumsulfidschicht 18.
Ein Plasmafeld 40 wird erzeugt, nachdem die Zerstäubungsatmosphäre gezündet wurde und es wird aufgrund des Spannungspotenzials zwischen der Kathode 64 und der als Anode wirkenden Kammerwand aufrechterhalten. Das Spannungspotenzial verursacht, dass Plasmaionen innerhalb des Plasmafeldes 70 zur Kathode 64 hin beschleunigt werden und verursacht das Auswerfen von Atomen aus der Kathode 64 zur Oberfläche des Glassubstrates 12 hin. Die Kathode 64 kann als ein „Target” bezeichnet werden und sie wirkt als das Quellenmaterial für die Bildung der gemischten Schicht 19 auf der Oberfläche des Gassubstrates 12, die der Kathode 64 gegenüberliegt. Um die vermischte Schicht 19 zu bilden, kann die Kathode 64 ein Metalllegierungstarget, wie aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid, wie oben erläutert, sein.
Obwohl nur eine einzelne Gleichstrom-Energiequelle 62 gezeigt ist, kann das Spannungspotenzial durch den Gebrauch mehrerer Energiequellen realisiert werden, die zusammengekoppelt sind. Die beispielhafte Zerstäubungskammer 60 ist mit einer vertikalen Orientierung gezeigt, obwohl irgendeine andere Konfiguration benutzt werden kann. Nach dem Verlassen der Zerstäubungskammer 60 kann das Substrat 12 in einen (nicht gezeigten) benachbarten Glühofen eintreten, um den Glühprozess zu beginnen.
Die beispielhafte Vorrichtung 10 von 1 schließt eine obere Glasplatte 12 ein, die als das Substrat benutzt wird. In dieser Ausführungsform kann das Glas 12 als ein „Supersubstrat” bezeichnet werden, da es das Substrat ist, auf dem die nachfolgenden Schichten gebildet werden, obwohl es nach oben zur Strahlungsquelle (z. B. der Sonne) weist, wenn die photovoltaische Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 benutzt wird. Die obere Glasplatte 12 kann ein Glas hoher Durchlässigkeit sein (z. B. Borsilikatglas hoher Durchlässigkeit), über ein Metallbad gezogenes Fensterglas geringen Eisengehaltes oder anderes sehr durchlässiges Glasmaterial. Das Glas ist im Allgemeinen dick genug, um die nachfolgenden Filmschichten abzustützen (z. B. von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm Dicke) und es ist im Wesentlichen flach, um eine gute Oberfläche zum Bilden der nachfolgenden Filmschichten bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann das Glas 12 ein über ein Metallbad gezogenes Fensterglas geringen Eisengehaltes sein, das weniger als etwa 0,15 Gew.-% Eisen (Fe) enthält und eine Durchlässigkeit von etwa 0,9 oder mehr im interessierenden Spektrum aufweisen kann (z. B. Wellenlängen von etwa 300 nm bis etwa 900 nm).
Ein transparente leitende Oxid(TCO)-Schicht 14 ist auf dem Glas 12 der beispielhaften Vorrichtung 10 von 1 gezeigt. Die TCO-Schicht 14 gestattet das Hindurchgehen von Licht mit minimaler Absorption, während sie auch die seitliche Bewegung des durch die Vorrichtung 10 erzeugten elektrischen Stromes zu (nicht gezeigten) opaken Metallleitern gestattet. So kann die TCO-Schicht 14 z. B. einen Schichtwiderstand von weniger als etwa 30 Ohm pro Quadrat, wie von etwa 4 Ohm pro Quadrat bis etwa 20 Ohm pro Quadrat (z. B. von etwa 8 Ohm pro Quadrat bis etwa 15 Ohm pro Quadrat) aufweisen. Die TCO-Schicht 14 schließt allgemein mindestens ein leitendes Oxid, wie Zinnoxid, Zinkoxid oder Indiumzinnoxid oder Mischungen davon, ein. Zusätzlich kann die TCO-Schicht 14 andere leitende transparente Materialien einschließen. Die TCO-Schicht 14 kann auch Zinkstannat und/oder Cadmiumstannat einschließen.
Die TCO-Schicht 14 kann durch Zerstäuben, chemische Dampfabscheidung, Sprühpyrolyse oder irgendein anderes geeignetes Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die TCO-Schicht 14 durch Zerstäuben (z. B. Gleichstromzerstäuben oder RF-Zerstäuben) auf dem Glas 12 gebildet werden. So kann z. B. eine Cadmiumstannatschicht durch Zerstäuben eines heiß gepressten Targets, das stöchiometrische Mengen von SnO₂ und CdO enthält, auf das Glas 12 in einer Verhältnis von etwa 1 bis etwa 2 gebildet werden. Das Cadmiumstannat kann alternativ hergestellt werden unter Einsatz von Cadmiumacetat- und Zinn(II)chlorid-Vorstufen durch Sprühpyrolyse.
In gewissen Ausführungsformen kann die TCO-Schicht 14 eine Dicke zwischen etwa 0,1 μm und etwa 1 μm z. B. von etwa 0,1 μm bis etwa 0,5 μm, wie von etwa 0,25 μm bis etwa 0,35 μm, aufweisen. Geeignete flache Glassubstrate mit einer auf der Supersubstrat-Oberfläche gebildeten TCO-Schicht 14 können kommerziell von verschiedenen Glasherstellern und -Lieferanten erworben werden. So schließt z. B. ein besonders geeignetes Glas 12 mit einer TCO-Schicht 14 TEC 15-Glas, das kommerziell unter der Bezeichnung TEC 15 TCO von der Pilkington North America Inc. (Toledo, Ohio) erhältlich ist, ein, das eine TCO-Schicht einschließt, die einen Schichtwiderstand von 15 Ohm pro Quadrat aufweist.
Eine transparente Pufferwiderstandsschicht 16 (RTB-Schicht) ist auf der TCO-Schicht 14 auf der beispielhaften photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 von 1 gezeigt. Die RTB-Schicht 16 ist im Allgemeinen beständiger 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 Behandlung der Vorrichtung 10 zu schützen. In gewissen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 z. B. einen Schichtwiderstand aufweisen, der größer als etwa 1000 Ohm pro Quadrat ist, wie von etwa 10 kOhm pro Quadrat bis etwa 1000 MOhm pro Quadrat. Die RTB-Schicht 16 kann auch einen breiten optischen Bandspalt aufweisen (z. B. mehr als etwa 2,5 eV, wie von etwa 2,7 eV bis etwa 3,5 eV).
Ohne durch eine besondere Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die Anwesenheit der RTB-Schicht 16 zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumsulfidschicht 18 erlauben kann, dass eine relativ dünne Cadmiumsulfidschicht 18 in der Vorrichtung 10 eingeschlossen ist, indem die Möglichkeit von Grenzflächenfehlern (d. h. „kleine Löchelchen” in der Cadmiumsulfidschicht 18) verringert wird, die Nebenschlüsse zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtellurid 20 erzeugen. Es wird daher angenommen, dass die RTB-Schicht 16 eine verbesserte Adhäsion und/oder Wechselwirkung zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumtelluridschicht 20 gestattet, was es gestattet, dass eine relativ dünne Cadmiumsulfidschicht 18 ohne signifikante Nachteile darauf gebildet wird, die sonst aus einer solchen relativ dünnen Cadmiumsulfidschicht 18 resultieren würden, die direkt auf der TCO-Schicht 14 gebildet ist.
Die RTB-Schicht 16 kann z. B. eine Kombination von Zinkoxid (ZnO) und Zinnoxid (SnO₂) einschließen, was als eine Zinkzinnoxid-Schicht („ZTO”) bezeichnet werden kann. In einer besonderen Ausführungsform kann die RTB-Schicht 16 mehr Zinnoxid als Zinkoxid einschließen. So kann die RTB-Schicht 16 z. B. eine Zusammensetzung mit einem stöchiometrischen Verhältnis von ZnO/SnO₂ zwischen etwa 0,25 und etwa 3, wie etwa einem stöchiometrischen Verhältnis von eins zu zwei (1:2) von Zinnoxid zu Zinkoxid aufweisen. Die RTB-Schicht 16 kann durch Zerstäuben, chemische Dampfabscheidung, Sprühpyrolyse oder irgendein anderes geeignetes Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die RTB-Schicht 16 durch Zerstäuben (z. B. Gleichstromzerstäuben oder RF-Zerstäuben) auf der TCO-Schicht 14 gebildet werden. So kann z. B. die RTB-Schicht 16 unter Anwendung eines Gleichstrom-Zerstäubungsverfahrens durch Anlegen eines Gleichstromes an ein metallische Quellenmaterial (z. B. elementares Zink, elementares Zinn oder eine Mischung davon) und Zerstäuben des metallischen Quellenmaterials auf die TCO-Schicht 14 in der Gegenwart einer oxidierenden Atmosphäre (z. B. O₂-Gas) abgeschieden werden. Schließt die oxidierende Oberfläche Sauerstoffgas (d. h., O₂) ein, dann kann die Atmosphäre zu mehr als etwa 95% reiner Sauerstoff, wie mehr als etwa 99%, sein.
In gewissen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,075 μm und etwa 1 μm, z. B. von etwa 0,1 μm bis etwa 0,5 μm, aufweisen. In besonderen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,08 μm und etwa 0,2 μm, z. B. von etwa 0,1 μm bis etwa 0,15 μm, aufweisen.
Eine Cadmiumsulfidschicht 18 ist auf der RTB-Schicht 16 der beispielhaften Vorrichtung 10 von 1 gezeigt. Die Cadmiumsulfidschicht 18 ist eine n-Typ-Schicht, die allgemein Cadmiumsulfid (CdS) einschließt, aber auch andere Materialien, wie Zinksulfid, Cadmiumzinksulfid usw. und Mischungen davon ebenso wie Dotierungsmittel und andere Verunreinigungen, einschließen kann. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht Sauerstoff bis zu etwa 25 Atomprozent, z. B. von etwa 5 bis etwa 20 Atomprozent, einschließen. Die Cadmiumsulfidschicht 18 kann einen weiten Bandspalt (z. B. von etwa 2,25 eV bis etwa 2,5 eV, wie etwa 2,4 eV) aufweisen, um zu gestatten, dass die meiste Strahlungsenergie (z. B. solare Strahlung) hindurchgeht. Die Cadmiumsulfidschicht 18 wird als eine transparente Schicht auf der Vorrichtung 10 angesehen.
Die Cadmiumsulfidschicht 18 kann durch Zerstäuben, chemische Dampfabscheidung, chemische Badabscheidung und andere geeignete Abscheidungsverfahren gebildet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumsulfidschicht 18 durch Zerstäuben (z. B. Gleichstrom(DC)-Zerstäuben oder Radiofrequenz(RF)-Zerstäuben) auf der RTB-Schicht 16 gebildet werden. Zerstäubungs-Abscheidung schließt allgemein das Auswerfen von Material aus einem Target, das die Materialquelle ist, und das Abscheiden des ausgeworfenen Materials auf dem Substrat zur Bildung des Filmes ein. Gleichstromzerstäuben schließt allgemein das Anlegen eines Stromes an ein Metalltarget (d. h., die Kathode) ein, die nahe dem Substrat (d. h. der Anode) innerhalb einer Zerstäubungskammer angeordnet ist, um eine Gleichstromentladung zu bilden. Die Zerstäubungskammer kann eine reaktive Atmosphäre (z. B. eine Sauerstoffatmosphäre, Stickstoffatmosphäre, Fluoratmosphäre) aufweisen, die ein Plasmafeld zwischen dem Metalltarget und dem Substrat bildet. Der Druck der reaktiven Atmosphäre kann zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr für das Magnetron-Zerstäuben liegen. Wenn Metallatome nach Anlegen der Spannung vom Target freigesetzt werden, dann können die Metallatome mit dem Plasma reagieren und sich auf der Oberfläche des Substrates abscheiden. Wenn die Atmosphäre z. B. Sauerstoff enthält, dann können die vom Metalltarget freigesetzten Metallatome eine Metalloxidschicht auf dem Substrat bilden. Der an das Quellenmaterial gelegte Strom kann in Abhängigkeit von der Größe des Quellenmaterials, der Größe der Zerstäubungskammer, der Größe der Oberfläche des Substrates und anderen Variablen variieren. In einigen Ausführungsformen kann der angelegte Strom von etwa 2 Ampere bis etwa 20 Ampere betragen. Im Gegensatz dazu schließt das RF-Zerstäuben allgemein eine kapazitive Entladung durch Anlegen eines Wechselstromes (AC) oder eines Radiofrequenz(RF)-Signals zwischen dem Target (z. B. einem keramischen Quellenmaterial) und dem Substrat ein. Die Zerstäubungskammer kann eine inerte Atmosphäre (z. B. eine Argonatmosphäre) aufweisen, die einen Druck zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr hat.
Aufgrund der Anwesenheit der RTB-Schicht 16 kann die Cadmiumsulfidschicht 18 eine Dicke aufweisen, die geringer als etwa 0,1 μm ist, wie zwischen etwa 10 nm und etwa 100 nm, wie von etwa 50 nm bis etwa 80 nm, mit einer minimalen Anwesenheit von kleinen Löchelchen zwischen der TCO-Schicht 14 und der Cadmiumsulfidschicht 18. Eine Cadmiumsulfidschicht 18, die ein Dicke von weniger als etwa 0,1 μm aufweist, vermindert irgendeine Absorption von Strahlungsenergie durch die Cadmiumsulfidschicht 18, was die Menge der Strahlungsenergie, die die darunter liegende Cadmiumtelluridschicht 20 erreicht, wirksam erhöht.
Die vermischte Schicht 19, wie sie oben diskutiert ist, ist auf der Cadmiumsulfidschicht 18 gezeigt.
Eine Cadmiumtelluridschicht 20 ist auf der vermischten Schicht 19 in der beispielhaften photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 von 1 gezeigt. Die Cadmiumtelluridschicht 20 ist ein p-Typ-Schicht, die allgemein Cadmiumtellurid (CdTe) einschließt, die aber auch andere Materialien einschließen kann. Als die p-Typ-Schicht von Vorrichtung 10 ist die Cadmiumtelluridschicht 20 die photovoltaische Schicht, die mit der Cadmiumsulfidschicht 18 (d. h., der n-Typ-Schicht) in Wechselwirkung tritt, um Strom durch Adsorption von Strahlungsenergie durch Absorbieren des größten Teils der Strahlungsenergie zu erzeugen, die aufgrund ihres hohen Absorptionskoeffizienten in die Vorrichtung 10 hineingeht, und Elektron-Loch-Paare erzeugt. So kann z. B. die Cadmiumtelluridschicht 20 allgemein aus Cadmiumtellurid gebildet sein und einen Bandspalt aufweisen, der eingerichtet ist, Strahlungsenergie (z. B. von etwa 1,4 eV bis etwa 1,5 eV, wie etwa 1,45 eV) zu absorbieren, um die maximale Anzahl von Elektron-Loch-Paaren mit dem höchsten elektrischen Potenzial (Spannung) nach Absorption der Strahlungsenergie zu erzeugen. Elektronen können von der p-leitenden Seite (d. h. der Cadmiumtelluridschicht 20) über den Übergang zur n-leitenden Seite (d. h. der Cadmiumsulfidschicht 18) wandern und, im Gegensatz dazu, können Löcher von der n-leitenden Seite zur p-leitenden Seite gehen. Der p-n-Übergang, der zwischen der Cadmiumsulfidschicht 18 und der Cadmiumtelluridschicht 20 gebildet ist, bildet eine Diode, in der das Ladungsungleichgewicht zur Erzeugung eines elektrischen Feldes führt, das den p-n-Übergang überspannt. Man lässt konventionellen Strom in nur einer Richtung fließen und trennt die lichtinduzierten Elektron-Loch-Paare.
Die Cadmiumtelluridschicht 20 kann nach irgendeinem bekannten Verfahren gebildet werden, wie Dampftransportabscheidung, chemische Dampfabscheidung (CVD), Sprühpyrolyse, Elektroabscheidung, Zerstäuben, Nahraumsublimation (CSS) usw. In einer besonderen Ausführungsform wird die Cadmiumsulfidschicht 18 durch ein Zerstäuben abgeschieden und die Cadmiumtelluridschicht 20 wird durch Nahraumsublimation abgeschieden. In besonderen Ausführungsformen kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen etwa 0,1 μm und etwa 10 μm, wie von etwa 1 μm bis etwa 5 μm, aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform kann die Cadmiumtelluridschicht 20 eine Dicke zwischen etwa 1,5 μm und etwa 4 μm, wie etwa 2 μm bis etwa 3 μm, aufweisen.
Eine Reihe von Behandlungen nach dem Bilden kann auf die exponierte Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 angewendet werden. Diese Behandlungen können die Funktionalität der Cadmiumtelluridschicht 20 einstellen und seine Oberfläche für die nachfolgende Adhäsion an der (den) rückwärtigen Kontaktschicht(en) 22 vorbereiten. So kann z. B. die Cadmiumtelluridschicht 20 bei erhöhten Temperaturen (z. B. von etwa 350°C bis etwa 500°C, wie von etwa 375°C bis etwa 425°C) für eine genügende Zeit (z. B. von etwa 1 bis etwa 40 Minuten) geglüht werden, um eine p-Typ-Qualitätsschicht aus Cadmiumtellurid zu erzeugen. Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass das Glühen der Cadmiumtelluridschicht 20 (und der Vorrichtung 10) die Dichte der tiefen Fehler vermindert und die CdTe-Schicht mehr zum p-Typ macht. Zusätzlich kann die Cadmiumtelluridschicht 20 während des Glühens rekristallisieren und einem erneuten Kornwachstum unterliegen.
Das Glühen der Cadmiumtelluridschicht 20 kann in Gegenwart von Cadmiumchlorid ausgeführt werden, um die Cadmiumtelluridschicht 20 mit Chloridionen zu dotieren. Die Cadmiumtelluridschicht 20 kann z. B. mit einer wässerigen Lösung gewaschen werden, die Cadmiumchlorid enthält, dann bei der erhöhten Temperatur geglüht werden.
In einer besonderen Ausführungsform kann nach dem Glühen der Cadmiumtelluridschicht 20 in Gegenwart von Cadmiumchlorid die Oberfläche gewaschen werden, um irgendein Cadmiumoxid zu entfernen, das sich auf der Oberfläche gebildet hat. Diese Oberflächenzubereitung kann eine Te-reiche Oberfläche auf der Cadmiumtelluridschicht 20 durch Entfernen von Oxiden von der Oberfläche, wie CdO, CdTeO₃, CdTe₂O₅ usw., zurücklassen. Die Oberfläche kann z. B. mit einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Ethylendiamin, auch als 1,2-Diaminoethan oder „DAE” bekannt) gewaschen werden, um irgendwelches Cadmiumoxid von der Oberfläche zu entfernen.
Außerdem kann Kupfer zu der Cadmiumtelluridschicht 20 hinzugegeben werden. Zusammen mit einer geeigneten Ätzung kann die Zugabe von Kupfer zu der Cadmiumtelluridschicht 20 eine Oberfläche von Kupfertellurid auf der Cadmiumtelluridschicht 20 bilden, um einen elektrischen Kontakt geringen Widerstandes zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 (d. h., der p-Typ-Schicht) und der (den) rückwärtigen Kontaktschicht(en) zu erhalten. Spezifisch kann die Zugabe von Kupfer eine Oberflächenschicht aus Kupfer(I)tellurid (Cu₂Te) zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der rückwärtigen Kontaktschicht 22 erzeugen und/oder kann eine Cu-dotierte CdTe-Schicht erzeugen. Die Te-reiche Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 kann durch geringeren Widerstand zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 und der rückwärtigen Kontaktschicht 22 das Sammeln von Strom fördern, der durch die Vorrichtung erzeugt wird.
Kupfer kann auf die freigelegte Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 mittels irgendeines Verfahrens aufgebracht werden. So kann Kupfer z. B. auf die Oberfläche der Cadmiumtelluridschicht 20 in einer Lösung mit einem geeigneten Lösungsmittel (z. B. Methanol, Wasser oder Ähnlichen oder Kombinationen davon) gesprüht oder gewaschen werden, gefolgt vom Glühen. In besonderen Ausführungsformen kann das Kupfer in der Lösung in Form von Kupferchlorid, Kupferiodid oder Kupferacetat zugeführt werden. Die Glühtemperatur genügt, um eine Diffusion der Kupferionen in die Cadmiumtelluridschicht 20 zu gestatten, wie von etwa 125°C bis etwa 300°C (z. B. von etwa 150°C bis etwa 250°C) für etwa 5 Minuten bis etwa 30 Minuten, wie von etwa 10 bis etwa 25 Minuten.
Eine rückwärtige Kontaktschicht 22 ist auf der Cadmiumtelluridschicht 20 gezeigt. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 dient allgemein als der rückwärtige elektrische Kontakt mit Bezug auf den Gegenüberliegenden. Die TCO-Schicht 14 dient als der vordere elektrische Kontakt. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 kann auf der Cadmiumtelluridschicht 20 gebildet werden und, in einer Ausführungsform, befindet sie sich in direktem Kontakt damit. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 wird geeigneterweise aus einem oder mehreren sehr leitfähigen Materialien hergestellt, wie elementarem Nickel, Kupfer, Zinn, Silber oder Legierungen oder Mischungen daraus. Außerdem kann die rückwärtige Kontaktschicht 22 eine einzelne Schicht oder eine Vielzahl von Schichten sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die rückwärtige Kontaktschicht 22 Grafit einschließen, wie als eine Schicht von Kohlenstoff, die auf der p-Schicht abgeschieden ist, gefolgt von einer oder mehreren Metallschichten, wie den oben beschriebenen Metallen. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 wird, wenn sie aus einem oder mehreren Metallen hergestellt ist oder diese umfasst, geeigneterweise durch eine Technik, wie Zerstäuben oder Metallverdampfen, aufgebracht. Wird sie aus Grafit und einer Polymermischung oder aus einer Kohlenstoffpaste hergestellt, dann wird die Mischung oder Paste auf die Halbleitervorrichtung durch irgendein geeignetes Verfahren zum Ausbreiten der Mischung oder Paste aufgebracht, wie Siebdrucken, Sprühen oder mittels eines „Abstreich” messers. Nach dem Aufbringen der Grafitmischung oder Kohlenstoffpaste kann die Vorrichtung erhitzt werden, um die Mischung oder Paste in die leitende rückwärtige Kontaktschicht umzuwandeln. Eine Kohlenstoffschicht kann, wenn sie benutzt wird, eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm, z. B. von etwa 1 μm bis etwa 5 μm, aufweisen. Eine Metallschicht des rückwärtigen Kontaktes kann, wenn sie für oder als Teil der rückwärtigen Kontaktschicht 22 benutzt wird, eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 1,5 μm aufweisen.
Das einkapselnde Glas 24 ist auch in der beispielhaften photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 von 1 gezeigt.
Andere (nicht gezeigte) Komponenten können in der beispielhaften Vorrichtung 10 eingeschlossen sein, wie Sammelleiter, externe Drähte, Laserätzungen usw. Wenn die Vorrichtung 10 z. B. eine photovoltaische Zelle eines photovoltaischen Moduls bildet, dann kann eine Vielzahl von photovoltaischen Zellen in Reihe verbunden sein, um eine erwünschte Spannung zu erzielen, wie durch eine elektrische Drahtverbindung. Jedes Ende der in Reihe verbundenen Zellen kann an einem geeigneten Leiter, wie einem Draht oder Sammelleiter, angebracht sein, um den photovoltaisch erzeugten Strom zu geeigneten Stellen zur Verbindung mit einer Vorrichtung oder einem anderen System unter Benutzung der erzeugten Elektrizität zu leiten. Ein geeignetes Mittel zum Erzielen solcher Reihenverbindungen ist es, die Vorrichtung mit Laser zu schneiden, um die Vorrichtung in eine Reihe von Zellen zu unterteilen, die durch gegenseitige Verbindungen verbunden sind. In einer besonderen Ausführungsform kann ein Laser z. B. benutzt werden, die abgeschiedenen Schichten der Halbleitervorrichtung zu schneiden, um die Vorrichtung in einer Vielzahl von in Reihe verbundenen Zellen zu unterteilen.
4 zeigt ein Fließdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 30 zum Herstellen einer photovoltaischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem beispielhaften Verfahren 30 wird eine TCO-Schicht auf einem Glassubstrat bei 32 gebildet. Bei 34 wird eine RTB-Schicht auf der TCO-Schicht gebildet. Eine Cadmiumsulfidschicht wird dann bei 36 auf der RTB-Schicht gebildet. Eine vermischte Schicht aus Cadmiumtellurid und Cadmiumsulfid kann dann bei 38 auf der Cadmiumsulfidschicht gebildet werden. Eine Cadmiumtelluridschicht kann dann bei 40 auf der vermischten Schicht gebildet werden. Die Cadmiumtelluridschicht und die vermischte Schicht können in Gegenwart von Cadmiumchlorid bei 42 geglüht werden. Die Cadmiumtelluridschicht kann dann bei 44 gewaschen werden, um irgendwelches CdO zu entfernen, das sich auf der Oberfläche gebildet hat, und sie kann mit Kupfer bei 46 dotiert werden. Bei 48 kann (können) rückwärtige Kontaktschicht(en) über der Cadmiumtelluridschicht aufgebracht werden und ein einkapselndes Glas kann bei 50 über der rückwärtigen Kontaktschicht aufgebracht werden.
Der Fachmann sollte erkennen, dass andere Bearbeitungen und/oder Behandlungen in dem Verfahren 30 eingeschlossen sein können. So kann das Verfahren z. B. auch ein Schneiden mit Laser zur Bildung elektrisch isolierter photovoltaischer Zellen in der Vorrichtung einschließen. Diese elektrisch isolierten photovoltaischen Zellen können dann in Reihe verbunden werden, um ein photovoltaisches Modul zu bilden. Es können auch elektrische Drähte mit positiven und negativen Anschlüssen des photovoltaischen Moduls verbunden werden, um Leiterdrähte bereitzustellen, um den elektrischen Strom nutzbar zu machen, der durch das photovoltaische Modul erzeugt wurde.
Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art und auch, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher einbezogener Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und er kann andere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente einschließen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.
Mischtargets 64 werden allgemein zum Aufbringen einer vermischten Schicht 19 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid durch Zerstäuben offenbart. Das Mischtarget 64 kann Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid einschließen. Verfahren zum Bilden des Mischtargets 64 sind ebenfalls angegeben. So kann z. B. eine pulverisierte Mischung aus pulverisiertem Cadmiumsulfid und pulverisiertem Cadmiumtellurid gebildet und zum Mischtarget 64 gepresst werden.
Verfahren werden auch allgemein offenbart zum Herstellen einer fotovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 mit einer vermischten Schicht 19. So kann z. B. ein gemischtes Target 64 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid direkt durch Zerstäuben auf eine Cadmiumsulfidschicht 18 aufgebracht werden, um eine vermischte Schicht 19 zu bilden, und eine Cadmiumtelluridschicht 20 kann auf der vermischten Schicht 19 gebildet werden.
Gemischte Targets 64 werden allgemein zum Aufbringen einer vermischten Schicht 19 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid durch Zerstäuben offenbart. Das gemischte Target 64 kann Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid einschließen. Verfahren zum Bilden des gemischten Targets 64 werden auch angegeben. So kann z. B. eine pulverisierte Mischung aus pulverisiertem Cadmiumsulfid und pulverisiertem Cadmiumtellurid gebildet und zu einem vermischten Target 64 gepresst werden.
Allgemein werden auch Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung 10 mit einer vermischten Schicht 19 offenbart. So kann z. B. ein gemischtes Target 64 aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid direkt durch Zerstäuben auf eine Cadmiumsulfidschicht 18 aufgebracht werden, um eine vermischte Schicht 19 zu bilden, und eine Cadmiumtelluridschicht 20 kann auf der vermischten Schicht 19 gebildet werden.
Bezugszeichenliste

1: Schicht
2: Schicht
3: Schicht
4: Schicht
5: Schicht
6: Schicht
10: phototovoltaische Vorrichtung
12: Glas
14: transparente leitende Oxidschicht
16: beständige transparente Pufferschicht
18: Cadmiumsulfidschicht
19: vermischte Schicht
20: Cadmiumtelluridschicht
22: rückwärtige Kontaktschicht
24: einkapselndes Glas
30: beispielhaftes Verfahren
60: Kammer
62: Energiequelle
64: Kathode
66: obere Stütze
67: Bodenstütze
68: Drähte
69: Drähte
70: Plasmafeld

Claims

Vermischtes Target (64) zum Aufbringen einer vermischten Schicht (19) aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid durch Zerstäuben, wobei das vermischte Target (64) umfasst: Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid, worin das vermischte Target (64) konfiguriert ist, zum Bilden einer Dünnfilmschicht (19) aus vermischtem Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid zerstäubt zu werden.
Vermischtes Target nach Anspruch 1, worin das Target etwa 0,5 Mol-% bis etwa 20 Mol-% Cadmiumsulfid und etwa 80 Mol-% bis etwa 99,5 Mol-% Cadmiumtellurid, vorzugsweise etwa 20 Mol-% bis etwa 80 Mol-% Cadmiumsulfid und etwa 20 Mol-% bis etwa 80 Mol-% Cadmiumtellurid und bevorzugter von etwa 0,5 Mol-% bis etwa 20 Mol-% Cadmiumtellurid und etwa 80 Mol-% bis etwa 99,5 Mol-% Cadmiumsulfid umfasst.
Vermischtes Target nach Anspruch 1 oder 2, worin das vermischte Target im Wesentlichen aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid besteht.
Vermischtes Target nach Anspruch 1 oder 2, worin das vermischte Target weiter Cadmiumoxid bis zu etwa 25 Mol-% umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung (10) mit einer vermischten Schicht (19), wobei das Verfahren umfasst: Zerstäuben des vermischten Targets (64) nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch direkt auf eine Cadmiumsulfidschicht (18) zum Bilden einer vermischten Schicht (19) und Bilden einer Cadmiumtelluridschicht (20) auf der vermischten Schicht (19).
Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend: Glühen der Vorrichtung bei einer Glühtemperatur von etwa 150°C bis etwa 600°C.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin die vermischte Schicht (19) eine Vielzahl vermischter Schichten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend: Bilden der Vielzahl vermischter Schichten aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid stufenweise direkt auf der Cadmiumsulfidschicht (18) derart, dass die Vielzahl vermischter Schichten einen zunehmenden Tellurgehalt und einen abnehmenden Schwefelgehalt aufweist, während sich die Schichten weg von der Cadmiumsulfidschicht (18) erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die Vielzahl vermischter Schichten mittels aufeinanderfolgenden Zerstäubens gebildet sind, wobei das Bilden der Vielzahl vermischter Schichten aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid stufenweise direkt auf der Cadmiumsulfidschicht (18) umfasst: Zerstäuben eines ersten vermischten Targets zum Bilden einer ersten vermischten Schicht am nächsten zu der Cadmiumsulfidschicht, wobei das erste vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,2; Zerstäuben eines zweiten vermischten Targets zum Bilden einer zweiten vermischten Schicht auf der ersten vermischten Schicht, wobei das zweite vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,8, und Zerstäuben eines dritten vermischten Targets zum Bilden einer dritten vermischten Schicht auf der zweiten vermischten Schicht, wobei die dritte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,8 ≤ x ≤ 1.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die Vielzahl vermischter Schichten durch aufeinanderfolgendes Zerstäuben gebildet ist, worin das Bilden der Vielzahl vermischter Schichten aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid stufenweise direkt auf der Cadmiumsulfidschicht (18) umfasst: Zerstäuben eines ersten vermischten Targets zum Bilden einer ersten vermischten Schicht am nächsten zu der Cadmiumsulfidschicht, worin das erste vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0 ≤ x ≤ 0,2, Zerstäuben eines zweiten vermischten Targets zum Bilden einer zweiten vermischten Schicht auf der ersten vermischten Schicht, worin das zweite vermischte Target CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,2 ≤ x ≤ 0,4 ist, Zerstäuben eines dritten vermischten Targets zum Bilden einer dritten vermischten Schicht auf der zweiten vermischten Schicht, worin die dritte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,4 ≤ x ≤ 0,6, Zerstäuben eines vierten vermischten Targets zum Bilden einer vierten vermischten Schicht auf der dritten vermischten Schicht, worin die vierte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,6 ≤ x ≤ 0,8 ist, und Zerstäuben eines fünften vermischten Targets zum Bilden einer fünften vermischten Schicht auf der vierten vermischten Schicht, worin die fünfte Schicht CdS_1-xTe_x umfasst, worin 0,8 ≤ x ≤ 1 ist.
Verfahren zum Bilden eines gemischten Targets (64), wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer pulverisierten Mischung aus pulverisiertem Cadmiumsulfid und pulverisiertem Cadmiumtellurid und Pressen der pulverisierten Mischung zu einem gemischten Target (64).
Verfahren nach Anspruch 11, worin die pulverisierte Mischung etwa 0,5 Mol-% bis etwa 20 Mol-% Cadmiumsulfid und etwa 80 Mol-% bis etwa 99,5 Mol-% Cadmiumtellurid, vorzugsweise etwa 20 Mol-% bis etwa 80 Mol-% Cadmiumsulfid und etwa 20 Mol-% bis etwa 80 Mol-% Cadmiumtellurid und bevorzugter von etwa 0,5 Mol-% bis etwa 20 Mol-% Cadmiumtellurid und etwa 80 Mol-% bis etwa 99,5 Mol-% Cadmiumsulfid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, worin die pulverisierte Mischung im Wesentlichen aus Cadmiumsulfid und Cadmiumtellurid besteht.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, worin die pulverisierte Mischung weiter pulverisiertes Cadmiumoxid bis zu etwa 25 Mol-% umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 14, weiter umfassend: Umsetzen des Cadmiumsulfids und des Cadmiumtellurids zu einer ternären Verbindung vor dem Pressen, worin das Umsetzen des Cadmiumsulfids und des Cadmiumtellurids das Erhitzen bis zu einer Reaktionstemperatur von etwa 400°C bis etwa 900°C umfasst.