DE102012112922A1 - Dünnfilm-Photovoltaikzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Es ist eine Dünnfilm-PV-Zelle und ein Verfahren zum Ausbilden derselben vorgesehen. Die Dünnfilm-PV-Zelle umfasst eine erste Elektrodenschicht, die auf einem Substrat ausgebildet wird. Eine Absorberschicht mit einer ersten Dotiermittelart wird auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet. Die Absorberschicht weist eine Öffnung auf, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt. Die Öffnung weist Seitenwände und eine untere Fläche auf. Eine Pufferschicht mit einer zweiten Dotiermittelart wird auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden der Öffnung und der unteren Fläche der Öffnung ausgebildet. Eine zweite Elektrodenschicht wird auf der Pufferschicht ausgebildet.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen photovoltaische Solarzellen und insbesondere Dünnfilm-Photovoltaik-Zellen und Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
  • Photovoltaische (PV) Dünnfilm-Solarzellen sind eine Klasse von Energiequellen-Vorrichtungen, die eine erneuerbare Energiequelle in Form von Licht nutzen, die in nützliche elektrische Energie umgewandelt wird, die für viele Anwendungen verwendet werden kann. Dünnfilm-PV-Zellen sind Mehrschicht-Halbleiterstrukturen, die ausgebildet werden, indem verschiedene dünne Schichten und Filme von Halbleiter- und anderen Materialien auf einem Substrat abgelagert werden. Diese PV-Zellen können als leichte flexible Folien hergestellt werden, die in manchen Ausführungen aus einer Mehrzahl von einzelnen untereinander elektrisch verbundenen Zellen bestehen. Die Eigenschaften des geringen Gewichts und der Flexibilität ermöglichen Dünnfilm-PV-Zellen eine breite mögliche Anwendbarkeit als eine elektrische Stromquelle, um in tragbaren Elektronikanwendungen, in der Raumfahrt und in Wohn- und Geschäftshäusern verwendet zu werden, wo sie in verschiedene architektonische Merkmale integriert werden können, wie etwa Dachziegel, Fassaden und Dachfenster.
  • Dünnfilm-PV-Zellen-Halbleitergehäuse umfassen im Allgemeinen einen unteren Kontakt oder eine untere Elektrode, die auf einem Substrat ausgebildet ist, einen pn-Übergangsbereich, der aus einer Absorberschicht und einer Pufferschicht mit entgegengesetzten Dotiermittelarten über der unteren Elektrode ausgebildet ist, einen oberen Kontakt oder eine obere Elektrode, die über dem pn-Übergangsbereich ausgebildet ist, und Verbindungen (Interconnects, IC), die ausgebildet werden, um die obere und die untere Elektrode zu verbinden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann klar sein oder werden, indem auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen wird, wenn sie zusammen mit den beigefügten beispielhaften nicht einschränkenden Ausführungen betrachtet wird.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, die ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht und eine Absorberschicht aufweist, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, die ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht, eine Absorberschicht und eine Pufferschicht aufweist, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, gemäß einer Ausführung.
  • ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnfilm-PV-Zelle darstellt, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, gemäß einer Ausführung.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, die ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht und eine Absorberschicht aufweist, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer Dünnfilm-PV-Zelle, die ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht und eine Absorberschicht aufweist, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnfilm-PV-Zelle darstellt, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELE
  • Es wird unten eine verbesserte Dünnfilm-PV-Zelle beschrieben, die den wirksamen pn-Übergangsbereich (p-n junction) in einer Weise vergrößert, die seine Licht-Absorptionsfähigkeit erhöht. Die Dünnfilm-PV-Zellen-Herstellungsverfahren, die hier beschrieben sind, können ausgeführt werden, indem alle geeigneten handelsüblichen Geräte verwendet werden, die üblicherweise in der Branche verwendet werden, um Dünnfilm-PV-Zellen herzustellen, oder indem alternativ in der Zukunft entwickelte Geräte verwendet werden.
  • Die Größe des pn-Übergangsbereichs und seine Licht-Absorptionsfähigkeit korreliert direkt mit der zur Verfügung stehenden Leistung und Effizienz der PV-Zelle. Die effektive Größe des pn-Übergangsbereichs ist im Allgemeinen durch die Fläche der Dünnfilm-PV-Zellen beschränkt.
  • Mit Bezug auf die Abbildungen, in denen gleichen Elementen gleiche Bezugszeichen gegeben wurden, um ein Verständnis der Abbildungen zu erleichtern, werden die verschiedenen Ausführungen einer Dünnfilm-Photovoltaik-Zelle (PV-Zelle) und Verfahren zur Ausbildung derselben beschrieben.
  • Die folgende Beschreibung wird als eine nützliche Erklärung einer repräsentativen Gruppe von Beispielen bereitgestellt. Der Fachmann wird erkennen, dass viele Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungen vorgenommen werden können, während immer noch nützliche Ergebnisse erzielt werden. Es wird auch deutlich werden, dass manche der erwünschten Vorzüge, die unten erläutert werden, erhalten werden können, indem manche der hier beschriebenen Merkmale oder Schritte ausgewählt werden, ohne dass andere Merkmale oder Schritte verwendet werden. Demnach wird der Fachmann erkennen, dass viele Änderungen und Modifikationen sowie Teilmengen der Merkmale und Schritte, die hier beschrieben werden, möglich sind und unter bestimmten Umständen erwünscht sein können. Daher wird die folgende Beschreibung als erläuternd bereitgestellt und ist nicht einschränkend.
  • Diese Beschreibung von erläuternden Ausführungen soll zusammen mit den beigefügten Abbildungen gelesen werden, die als Teil der gesamten schriftlichen Beschreibung angesehen werden sollen. In der Beschreibung der hier offenbarten Ausführungen soll jeder Bezug auf eine Richtung oder Orientierung nur zum Nutzen der Beschreibung verwendet werden und soll in keiner Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken. Bezugsbegriffe, wie etwa „untere“, „obere“, „horizontal“, „vertikal“, „über“, „unter“, „oben“, „unten“, „oberste“, „unterste“ sowie Ableitungen daraus (z.B. „in horizontaler Weise“, „nach unten“, „nach oben“ etc.) sollen so verstanden werden, dass sie sich auf die Orientierung beziehen, wie sie dort beschrieben ist oder wie sie in den behandelten Abbildungen gezeigt ist. Diese Bezugsbegriffe dienen nur der Nützlichkeit der Beschreibung und erfordern nicht, dass die Vorrichtung in einer bestimmten Orientierung konstruiert oder betrieben wird. Begriffe, wie etwa „befestigt“, „fixiert“, „verbunden“ und „zusammengeschaltet“ beziehen sich auf eine Beziehung, in der Strukturen aneinander entweder direkt oder indirekt durch dazwischen liegende Strukturen gesichert oder befestigt sind, sowie sowohl bewegliche als auch feste Befestigungen oder Beziehungen, außer es ist ausdrücklich anderweitig beschrieben. Der Begriff „angrenzend“, wie er hier verwendet wird, um die Beziehung zwischen Strukturen/Komponenten zu beschreiben, umfasst sowohl den direkten Kontakt zwischen den jeweiligen Strukturen/Komponenten, auf die Bezug genommen wird, als auch das Vorhandensein von anderen dazwischen liegenden Strukturen/Komponenten zwischen den jeweiligen Strukturen/Komponenten. Darüber hinaus werden verschiedene Merkmale und Vorteile durch Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungen beschrieben. Demnach ist der Gegenstand dieser Offenbarung und der beigefügten Ansprüche ausdrücklich nicht durch solche bevorzugten Ausführungen eingeschränkt.
  • Wie sie hier verwendet werden, soll die Verwendung eines Artikels im Singular, wie etwa „ein“, „eine“ und „der/die/das“, nicht eine Mehrzahl der Objekte dieses Artikels ausschließen, außer der Kontext bestimmt es klar und unzweideutig anderweitig.
  • Nimmt man jetzt Bezug auf die , ist eine Ausführung einer Dünnfilm-PV-Zelle 100 angegeben, die eine Absorberschicht 130 mit einer ersten Dotierungsmittelart aufweist, die vor Ort während des Vorgangs des Ausbildens der PV-Zelle ausgebildet wird. Die PV-Zelle 100 umfasst eine Substrat 110, eine erste Elektrodenschicht 120, die darauf ausgebildet ist, und eine Absorberschicht 130 aus einer ersten Dotierungsmittelart, die auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet ist. Die Absorberschicht 130 weist eine Öffnung 135 auf, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt. Die Öffnung 135 weist eine untere Fläche und Seitenwände auf. In einer bevorzugten Ausführung beträgt die Dicke der unteren Fläche der Öffnung 135 und einer unteren Fläche der Absorberschicht 130 etwa 0,5 Mikrometer (μm) (z.B. von 0,5 μm bis 0,525 μm) oder mehr. In manchen Ausführungen kann die Dicke der unteren Fläche der Öffnung 135 und einer unteren Fläche der Absorberschicht 130 eine Dicke sein, die von (einschließlich) etwa 0,5 bis 3 μm (z.B. 0,475 bist 3,15 μm) reicht. In manchen Ausführungen kann die Dicke zwischen (einschließlich) etwa 1 bis 2 μm (z.B. 0,95 bis 2,1 μm) liegen.
  • Dicken von weniger als etwa 0,5 μm können zu schlechten Licht-Absorptionsfähigkeiten in der Absorberschicht 130, einer Verringerung der Effizienz und/oder Leckstrom, der in das Substrat 110 wandert, führen. Dicken, die wesentlich größer als etwa 0,5 μm sind, können aufgrund von Kostenerwägungen weniger erstrebenswert sein. In einer Ausführung liegt das Seitenverhältnis der Öffnung zwischen etwa 0,01 (z.B. 0,0095) und etwa 2 (z.B. 2,1). Wie es hier verwendet wird, ist das Seitenverhältnis der Öffnung 135 definiert als die Höhe der Öffnung 135 geteilt durch die Breite der Öffnung 135. Die Öffnung 135 kann vorzugsweise eine Höhe aufweisen, die zwischen (einschließlich) etwa 0,5 bis 2,5 μm (z.B. 0,475 bis 2,625 μm) liegt, und eine Breite aufweisen, die zwischen (einschließlich) etwa 20–30 μm (z.B. 19 bis 31,5 μm) liegt. In manchen Ausführungen kann die Öffnung 135 eine Breite aufweisen, die zwischen (einschließlich) etwa 0,1 μm bis 10 μm (z.B. 0,095 bis 10,5 μm) liegt. In anderen Ausführungen kann die Öffnung 135 eine Breite aufweisen, die zwischen (einschließlich) etwa 0,4 μm bis etwa 200 μm (z.B. 0,38 bis 105 μm) liegt. In einer Ausführung kann sich die Öffnung 135 entlang der Länge des Substrats 110 erstrecken. In einer anderen Ausführungsform kann sich die Öffnung 135 entlang der Breite des Substrates 110 erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform kann die Öffnung 135 sich entlang des Oberflächenbereiches des Substrates 110 erstrecken Die Öffnung 135 kann den pn-Übergangsbereich (z.B. den gesamten Grenzbereich der Absorberschicht 130 und der Pufferschicht 140) vergrößern. Wie in der dargestellt ist, kann die Absorberschicht eine Mehrzahl von Öffnungen 135 aufweisen, die sich teilweise von einer oberen Fläche der Absorberschicht 130 in die Absorberschicht 130 erstrecken. Jede der Öffnungen hat Seitenwände und eine untere Fläche. In einer Ausführung kann jede der Mehrzahl von Öffnungen 135 ein gleiches Seitenverhältnis aufweisen. In einer anderen Ausführung kann das Seitenverhältnis zwischen einer oder mehrerer der Mehrzahl von Öffnungen 135 innerhalb der gleichen PV-Zelle variieren.
  • Geeignete Materialien, die für das Substrat 110 verwendet werden können, umfassen beispielsweise ohne Einschränkung Glas, wie etwa Kalk-Natronglas, Keramik, Metalle, wie etwa dünne Bleche aus rostfreiem Stahl und Aluminium, oder Polymere, wie etwa Polyamide, Polyethylenterephthalate, Polyethylennaphtalate, Polymer-Kohlenwasserstoffe, Cellulosepolymere, Polycarbonate, Polyether, Kombinationen daraus und/oder Anderes. In einer Ausführung kann das Substrat 110 aus Glas bestehen. Die erste Elektrodenschicht 120 kann aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Metall- oder Halbleitermaterial gefertigt werden, einschließlich, ohne Einschränkungen, Aluminium, Silber, Zinn, Titan, Nickel, rostfreiem Stahl oder Zink-Tellurit. In einer Ausführung wird Molybdän als Material für die erste Elektrodenschicht 120 verwendet. In einer anderen Ausführung wird eine Sperrschicht auf dem Substrat 110 ausgebildet und die erste Elektrodenschicht 120 wird auf der Sperrschicht ausgebildet. Die Sperrschicht wir ausgebildet, um Natrium-(Na)-Diffusion aus dem Glas zu verhindern und andere Verunreinigungen des Substrats 110 zu vermeiden. Die Sperrschicht kann ein nicht wasserlösliches Material umfassen einschließlich, aber nicht beschränkt auf, stabile Oxidkomponenten.
  • In einer Ausführung kann die Absorberschicht 130 ein p-Material umfassen. Die Absorberschicht 130 kann beispielsweise aus einem p-Chalkogenmaterial bestehen. In einer weiteren Ausführung kann die Absorberschicht 130 aus einem CIGS-Cu(In, Ga)Se2-Material bestehen. In anderen Ausführungen können Chalkogenmaterialien einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Cu(In, Ga)(Se, S)2 oder „CIGSS“, CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2 und Cu(In, Ga)S2 als Material für die Absorberschicht 130 verwendet werden. Geeignete p-Dotierungsmittel, die verwendet werden können, um die Absorberschicht 130 auszubilden, umfassen ohne Einschränkung Bor (B) oder andere Elemente der Gruppe II oder III der Periodentafel. In einer anderen Ausführung kann die Absorberschicht ein n-Material umfassen, einschließlich, ohne Einschränkung, Kadmiumsulfid (CdS). Die PV-Zelle 100 kann Mikrokanäle umfassen, die als Öffnungen strukturiert und eingeritzt sind und die einen vertikalen Kanal definieren, der sich in die Halbleiterstruktur erstreckt, um die verschiedenen Schichten aus leitendem Material zu verbinden und um angrenzende Solarzellen zu trennen. Diese Mikrokanäle oder „Anrisslinien“, wie sie allgemein in der Branche genannt werden, werden mit einer „P“-Kennzeichnung bezeichnet, die sich auf ihre Funktion und den Schritt während des Solarzellen-Halbleiterfertigungsverfahrens bezieht. Die P1-Anrisslinie 150 und die P3-Anrisslinie 280 ( ) sind beispielsweise für die Isolation der Zellen wesentlich. Eine P2-Anrisslinie 270 ( ) bildet eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht. In der dargestellten Ausführung von wird die Absorberschicht 130 mit dem Substrat 110 durch eine Öffnung verbunden, die einen vertikalen Kanal (P1-Anrisslinie 150) definiert, der sich durch die erste Elektrodenschicht 120 erstreckt.
  • Die stellt eine Pufferschicht 140 vor einer zweiten Dotierungsmittelart dar, die auf der oberen Fläche der Absorberschicht 130 ausgebildet ist, um einen elektrisch aktiven pn-Übergangsbereich der Dünnfilm-PV-Zelle 100 zu erzeugen. In der dargestellten Ausführung wird die Pufferschicht 140 auf der unteren Fläche und den Seitenwänden jeder der Mehrzahl von Öffnungen 135 ausgebildet, die sich teilweise in die Absorberschicht 130 erstrecken. In einer Ausführung kann die Pufferschicht 140 ein n-Material umfassen, einschließlich, ohne Einschränkung, Kadmiumsulfid (CdS), und die Absorberschicht 130 kann ein p-Material umfassen, einschließlich, ohne Einschränkung, CIGS. In manchen Ausführungen kann die Pufferschicht mit jedem geeigneten n-Dotierungsmittel oberflächendotiert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Aluminium, Phosphor, Arsen oder andere Elemente der Gruppen V oder VI der Periodentafel der Elemente. In der dargestellten Ausführung passt sich die Pufferschicht 140 an die obere Fläche der Absorberschicht 130 und die untere Fläche und die Seitenwände jeder der Mehrzahl von Öffnungen 135 an, die sich teilweise in die Absorberschicht 130 erstrecken. In einer anderen Ausführung passt sich die Pufferschicht 140 nicht direkt an. So wie es hier verwendet wird, ist das Stufen-Abdeckverhältnis definiert als das Verhältnis der Dicke der Pufferschicht 140 auf den Seitenwänden der Öffnung 135 zu der Dicke der Pufferschicht 140 auf der oberen Fläche der Absorberschicht 130. Das Boden-Abdeckverhältnis ist definiert als das Verhältnis der Dicke der Pufferschicht 140 auf der unteren Fläche der Öffnung 135 zu der Dicke der Pufferschicht 140 auf der oberen Fläche der Absorberschicht 130. Vorzugsweise beträgt das Stufen-Abdeckverhältnis etwa 0,80 (z.B. 0,76) oder mehr und das Boden-Abdeckverhältnis beträgt auch etwa 0,80 (z.B. 0,76) oder mehr, um die Auswirkungen eines Flächenwiderstandes (Rsh) zu minimieren. In anderen Ausführungen reichen das Stufen- und das Boden-Abdeckverhältnis von (einschließlich) etwa 0,6 bis 1,0 (z.B. 0,55 bis 1,0). Wie in der dargestellt ist, kann das Ausbilden der Pufferschicht auf der oberen Fläche der Absorberschicht 130, den Seitenwänden der Öffnung 135 und der unteren Fläche der Öffnung 135 die effektive Größe des pn-Übergangsbereichs wesentlich erhöhen, ohne dass die Größe der PV-Zelle vergrößert wird. Somit ist ein Anstieg der Leistungsaufnahme möglich, ohne die Größe der PV-Zellen zu erhöhen, und es ist möglich, die gleiche Leistung wie herkömmliche PV-Zellen zu erreichen, während eine kleinere PV-Zellengröße verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung. In einer anderen Ausführung kann die Dünnfilm-PV-Zelle eine einzelne oder mehrere (z.B. zweifache oder dreifache) pn-Übergangsbereiche umfassen, wobei die Öffnung in einer oder mehreren der pn-Übergangsbereiche ausgebildet wird.
  • Bezieht man sich jetzt auf , ist eine Ausführung einer Dünnfilm-PV-Zelle 200 angegeben, die eine zweite Elektrodenschicht 260 aufweist, die oben auf der Pufferschicht 240 ausgebildet ist, um Strom (Elektronen) von der Zelle zu sammeln und vorzugsweise um eine minimale Lichtmenge zu absorbieren, die durch die Absorberschicht 230 dringt. In einer Ausführung kann die zweite Elektrodenschicht 260 ein lichtübertragendes Oxidmaterial (Light Transmittance Conductive Oxide, TCO) umfassen. Das TCO-Material, das für die zweite Elektrodenschicht 260 verwendet wird, kann beispielsweise, ohne Einschränkung, Zinkoxid (ZnO), Fluor-Zinnoxid („FTO“ oder SnO2:F), Indium-Zinnoxid („ITO“), Indium-Zinkoxid („IZO“), Antimon-Zinnoxid (ATO), eine Kohlenstoff-Nanoröhrchenschicht oder alle geeigneten Beschichtungsmaterialien, die die angestrebten Eigenschaften für die zweite Elektrodenschicht besitzen, umfassen. Die zweite Elektrodenschicht 260 kann aus einer Zusammensetzung von mehreren Schichten mit oder ohne einem oder mehreren Dotierungsmitteln und/oder Konzentrationen bestehen. In einer bevorzugten Ausführung besteht das TCO aus ZnO. In einer Ausführung ist die zweite Elektrodenschicht 260 n-dotiert. Geeignete n-Dotierungsmittel können, ohne Einschränkung, Aluminium, Phosphor, Arsen oder andere Elemente der Gruppen V oder VI der Periodentafel der Elemente umfassen. Die zweite Elektrodenschicht 260 kann eine Dicke aufweisen, die zwischen etwa einschließlich 0,1 bis 10 μm (z.B. 0,0095 bis 10,5 μm) liegt. Vorzugsweise weist die zweite Elektrodenschicht 260 eine Dicke auf, die zwischen etwa einschließlich 0,5 bis 3 μm (z.B. 0,055 bis 3,15 μm) liegt.
  • In der dargestellten Ausführung umfasst die PV-Zelle 200 weiter Anrisslinien 270 und 280. Das Absorbermaterial wird von der P2-Anrisslinie 270 entfernt, um die zweite Elektrodenschicht mit der ersten Elektrodenschicht zu verbinden, wodurch verhindert wird, dass die dazwischen liegende Pufferschicht als eine Sperrschicht zwischen der zweiten und der ersten Elektrodenschicht wirkt. Wie in der gezeigt ist, kann die P3-Anrisslinie 280 sich vollständig durch die zweite Elektrodenschicht 260, die Pufferschicht 240 und die Absorberschicht 230 zu der ersten Elektrodenschicht erstrecken, um jede der Zellen, die durch die Anrisslinien 250 und 270 definiert sind, zu isolieren. Die Anrisslinie 270 kann zumindest teilweise mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht auf den Seitenwänden der Öffnung, die den vertikalen Kanal definiert, der sich durch die Pufferschicht 240 und die Absorberschicht 230 erstreckt, und auf der oberen Fläche der ersten Elektrodenschicht 220 gefüllt werden.
  • Die ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 300 zur Ausbildung einer Dünnfilm-PV-Zelle 100 (200) zeigt, gemäß einigen Ausführungen. In einer Ausführung ist ein Substrat 110 (210) vorgesehen. Bei Block 310 wird eine erste leitende Elektrodenschicht 120 (220) auf dem Substrat 110 (210) durch irgendein geeignetes Verfahren ausgebildet, einschließlich, ohne Einschränkung, Sputtern, Atomlagen-Ablagerung (Atomic Layer Deposition, ALD), chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) oder andere Techniken. Das Substrat 110 (210) kann vor dem Schritt des Ausbildens der ersten Elektrodenschicht 120 (220) darauf gereinigt werden. Bei Block 320 wird eine Absorberschicht 130 (230), die eine erste Dotiermittelart aufweist, auf der ersten Elektrodenschicht 120 (220) ausgebildet. Die Absorberschicht 130 (230) kann durch ALD, CVD; Metalloxid-CVD, chemischer Tauchbadablagerung (Chemical Bath Deposition, CBD) oder jedes andere geeignete Verfahren ausgebildet werden. In manchen Ausführungen kann eine Öffnung 150 (250) in der ersten Elektrodenschicht 120 (220) ausgebildet werden und einen vertikalen Kanal (z.B. die P1-Anrisslinie) definieren, der sich durch die erste Elektrodenschicht 120 (220) erstreckt. Die Öffnung 150 (250) kann die obere Fläche des Substrats 110 (210) offenlegen. Jedes geeignete Anrissverfahren kann verwendet werden, um die Öffnung 150 (250) auszubilden, einschließlich, ohne Einschränkung, mechanisches Ritzen mit einer Nadel oder Laser-Ritzen. Die Öffnung 150 (250) kann auch mittels Photolithographie ausgebildet werden. Die Öffnung 150 (250) in der ersten Elektrodenschicht 120 (220) kann zumindest teilweise mit Material aus der Absorberschicht 130 (230) während der Ausbildung der Absorberschicht 130 (230) gefüllt werden, um die Absorberschicht 130 (230) mit dem Substrat 110 (210) zu verbinden.
  • Bei Block 330 wird eine Öffnung ausgebildet, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) in die Absorberschicht 130 (230) erstreckt. Die Öffnung definiert einen in der Absorberschicht liegenden Graben 135 (235), der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist. Der in der Absorberschicht liegende Graben 135 (235) kann durch ein photolithographisches Verfahren, (Laser- oder mechanisches) Ritzen, ein Trockenätzverfahren, ein Nassätzverfahren oder jedes andere geeignete Verfahren ausgebildet werden. In manchen Ausführungen kann eine Mehrzahl von Öffnungen in der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) ausgebildet werden, um eine Mehrzahl von in der Absorberschicht liegenden Gräben 135 (235) zu definieren, wobei jede der Öffnungen sich teilweise von der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) in die Absorberschicht 130 (230) erstreckt. In manchen Ausführungen kann ein photolithographisches Verfahren, ein Trockenätzverfahren oder ein Nassätzverfahren verwendet werden, um das Seitenverhältnis und/oder die Dichte eines oder mehrerer der in der Absorberschicht liegenden Gräben 135 (235), die in der Absorberschicht 130 (230) ausgebildet sind, zu definieren. Die Erfinder haben erkannt, dass bei einem Trocken- oder Nassätzverfahren die Ätzraten bei in der Absorberschicht liegenden Grabenbereichen mit unterschiedlicher Dichte sich unterscheiden können. Mit Bezug auf kann ein Trocken- oder Nassätzverfahren verwendet werden, um einen Bereich höherer Dichte von in der Absorberschicht liegenden Gräben 435 in der PV-Zelle 400 auszubilden. Wie gezeigt, können die Mehrzahl von in der Absorberschicht liegenden Gräben 435 in dem Bereich hoher Dichte der PV-Zelle 400 ein niedrigeres Seitenverhältnis aufweisen. Bezieht man sich jetzt auf die , kann ein Trocken- oder Nassätzverfahren verwendet werden, um in der PV-Zelle 500 einen in der Absorberschicht liegenden Grabenbereich 535 mit niedrigerer (loser oder iso) Dichte auszubilden. Wie dargestellt, kann der in der Absorberschicht liegende Graben 535 in dem losen oder isolierten Bereich der PV-Zelle 500 ein höheres Seitenverhältnis aufweisen als ein Seitenverhältnis in einem in der Absorberschicht liegenden Grabenbereich höherer Dichte ( ).
  • Vorzugsweise wird die Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht bei Block 330 so ausgebildet, dass die Dicke zwischen der unteren Fläche des Grabens 135 (235) und einer unteren Fläche der Absorberschicht 130 (230) ungefähr 0,5 Mikrometer (μm) oder mehr beträgt. In anderen Ausführungen wird die Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) so ausgebildet, dass das Seitenverhältnis des in der Absorberschicht liegenden Grabens 135 (235) zwischen etwa 0,01 und etwa 2 liegt. In manchen repräsentativen Ausführungen wird, ohne Einschränkung, die Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) so ausgebildet, dass die Höhe des in der Absorberschicht liegenden Grabens 135 (235) zwischen einschließlich etwa 0,5 μm und 2.5 μm liegt und dass die Breite des in der Absorberschicht liegenden Grabens 135 (235) zwischen einschließlich etwa 20 μm und 30 μm liegt. In anderen Ausführungen wird die Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230) so ausgebildet, dass die Breite des in der Absorberschicht liegenden Grabens 135 (235) zwischen einschließlich etwa 0,4 μm und 100 μm liegt.
  • Bei Block 340 wird eine Pufferschicht 140 (240), die eine zweite Dotiermittelart aufweist, auf der oberen Fläche der Absorberschicht 130 (230), den Seitenwänden des Grabens 135 (235) und der unteren Fläche des Grabens 135 (235) ausgebildet, um einen elektrisch aktiven pn-Übergangsbereich zu erzeugen. Die Pufferschicht 140 (240) kann durch jedes geeignete Verfahren ausgebildet werden. In einer Ausführung kann die Pufferschicht 140 (240) durch ein elektrolytisches chemisches Tauchbad-Ablagerungsverfahren (CBD) ausgebildet werden, um solche Schichten mittels einer Elektrolytlösung auszubilden, die Schwefel enthält. In anderen Ausführungen kann die Pufferschicht 140 (240) durch ALD, CVD oder Metalloxid-CVD ausgebildet werden. Vorzugsweise wird die Pufferschicht 140 (240) bei Block 340 so ausgebildet, dass das Stufen-Abdeckverhältnis und das Boden-Abdeckverhältnis etwa 0,80 oder mehr betragen, um die Auswirkungen eines Flächenwiderstandes (Rsh) zu minimieren. In manchen repräsentativen Ausführungen kann die Pufferschicht 140 (240) vorzugsweise, ohne Einschränkung, eine Dicke aufweisen, die von etwa einschließlich 0,001 bis etwa 2 Mikrometer (μm) reicht. In manchen Ausführungen kann eine Öffnung 270 in der Pufferschicht 140 (240) und der Absorberschicht 130 (230) so ausgebildet werden, dass die Öffnung einen vertikalen Kanal (z.B. die P2-Anrisslinie) definiert, der sich durch die Pufferschicht 140 (240) und die Absorberschicht 130 (230) erstreckt. Die Öffnung 270 kann die obere Fläche der ersten Elektrodenschicht 120 (220) offenlegen. Jedes geeignete Ritzverfahren, das dem Fachmann bekannt ist, kann verwendet werden, um die Öffnung 270 auszubilden, einschließlich, ohne Einschränkung, mechanischem Ritzen mit einer Nadel oder Laser-Ritzen. Die Öffnung 270 kann auch mittels Photolithographie ausgebildet werden.
  • Bei Block 350 kann eine zweite Elektrodenschicht 260 auf der Pufferschicht 140 (240) ausgebildet werden, um Strom von der Zelle zu sammeln und vorzugsweise eine minimale Lichtmenge zu absorbieren, die durch die Absorberschicht 130 (230) dringt. Die zweite Elektrodenschicht kann durch jedes geeignete Verfahren abgelagert werden, einschließlich, ohne Einschränkung, Sputtern, Atomlagen-Ablagerung (ALD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder andere Techniken. In Ausführungen, die eine Öffnung 270 in der Pufferschicht 140 (240) und der Absorberschicht 130 (230) aufweisen, kann die Öffnung 270 zumindest teilweise während der Ausbildung der zweiten Elektrodenschicht 260 mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht 260 gefüllt werden, um die zweite Elektrodenschicht 260 mit der ersten Elektrodenschicht 120 (220) zu verbinden. In manchen Ausführungen ist die obere Fläche der zweiten Elektrodenschicht 260 planar ( ).
  • Mit Bezug auf die ist eine andere Ausführung einer Dünnfilm-PV-Zelle vorgesehen. In der dargestellten Ausführung wird die Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht 630 so ausgebildet, dass die Breite des in der Absorberschicht liegenden Grabens 635 größer als die Breite der in der Absorberschicht liegenden Gräben 135 ist, die beispielsweise in den , und gezeigt sind. Wie in der gezeigt ist, kann die obere Fläche der zweiten Elektrodenschicht 660 nicht-planar sein. Die Erfinder haben erkannt, dass, wenn die Breite des in der Absorberschicht liegenden Grabens 635 vergrößert wird, die zweite Elektrodenschicht 660 sich teilweise der in der Absorberschicht liegenden Grabenform anpassen kann, was die Lichtaufnahme der PV-Zelle weiter verbessert. Vorzugsweise ist die zweite Absorberschicht 260 (660) durchgängig über den Oberflächen des einen oder der mehreren in der Absorberschicht liegenden Gräben 235 (635). In manchen Ausführungen wird bei Block 350 die zweite Elektrodenschicht 260 so ausgebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die zwischen etwa einschließlich 0,1 bis 3 μm liegt. Vorzugsweise wird die zweite Elektrodenschicht 260 so ausgebildet, dass sie eine Dicke aufweist, die zwischen etwa 0,5 und etwa 3 μm liegt.
  • In manchen Ausführungen kann eine Öffnung 280 (680) ausgebildet werden, die einen vertikalen Kanal (z.B. die P3-Anrisslinie) definiert, der sich durch die zweite Elektrodenschicht 260 (660), die Pufferschicht 240 (640) und die Absorberschicht 230 (630) erstreckt. Die Öffnung 280 kann die obere Fläche der ersten Elektrodenschicht 220 (620) offenlegen. Jedes geeignete Verfahren kann verwendet werden, um die Öffnung 280 wie beschrieben auszuschneiden, einschließlich, ohne Einschränkung, mechanisches oder Laser-Ritzen oder Photolithographie.
  • Die ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ausbildung einer Dünnfilm-PV-Zelle 200 (600) zeigt, gemäß manchen Ausführungen. Bei Block 710 wird eine leitende erste Elektrodenschicht 220 (620) auf einem Substrat 210 (610) ausgebildet, wie oben beschrieben ist. Bei Block 715 wird eine Öffnung 250 (650) (z.B. die P1-Anrisslinie) ausgebildet, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die erste Elektrodenschicht erstreckt, wie oben beschrieben ist. Bei Block 720 wird eine Absorberschicht 230 (630), die eine erste Dotiermittelart aufweist, auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet, wie oben beschrieben ist. Bei Block 725 wird die Öffnung 250 (650) in der ersten Elektrodenschicht 220 (620) zumindest teilweise mit Material aus der ersten Absorberschicht 230 (630) während der Ausbildung der Absorberschicht 230 (630) gefüllt, wie oben beschrieben ist, um die Absorberschicht 230 (630) mit dem Substrat 210 (610) zu verbinden. Bei Block 730 wird eine Öffnung ausgebildet, die sich teilweise in die Absorberschicht 230 (630) erstreckt, wie oben beschrieben ist, um einen in der Absorberschicht liegenden Graben 235 (635) auszubilden, der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist. Bei Block 740 wird eine Pufferschicht 240 (640), die eine zweite Dotiermittelart aufweist, auf der oberen Fläche der Absorberschicht 230 (630), den Seitenwänden des Grabens 235 (635) und der unteren Fläche des Grabens 235 (635) ausgebildet, um einen pn-Übergangsbereich zu erzeugen. Bei Block 745 wird eine Öffnung 270 (670) ausgebildet, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die Pufferschicht 240 (640) und die Absorberschicht 230 (630) erstreckt, wie oben beschrieben ist. Bei Block 750 wird eine zweite Elektrodenschicht 260 (660) auf der Pufferschicht 240 (640) ausgebildet, wie oben beschrieben ist. Bei Block 760 wird die Öffnung 270 (670) in der Pufferschicht 240 (640) und der Absorberschicht 230 (630) während der Ablagerung der zweiten Elektrodenschicht 260 (660) zumindest teilweise mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht 260 (660) gefüllt, wie oben beschrieben ist, um die zweite Elektrodenschicht 260 (660) mit der ersten Elektrodenschicht 220 (620) elektrisch zu verbinden.
  • Wie durch die verschiedenen Konfigurationen und Ausführungen, die in den – dargestellt sind, gezeigt wird, wurden verschiedene verbesserte Dünnfilm-PV-Zellen und Verfahren zum Ausbilden derselben beschrieben.
  • Eine Ausführung sieht eine Dünnfilm-PV-Zelle vor, die eine erste Elektrodenschicht umfasst, die auf einem Substrat ausgebildet ist. Die Ausführung umfasst auch eine Absorberschicht mit einer ersten Dotiermittelart, die auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet wird. Die Absorberschicht weist eine Öffnung auf, die sich teilweise von einer oberen Fläche der Absorberschicht in die Absorberschicht erstreckt. Die Öffnung weist Seitenwände und eine untere Fläche auf. Die Ausführung umfasst auch eine Pufferschicht mit einer zweiten Dotiermittelart, die auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden der Öffnung und der unteren Fläche der Öffnung ausgebildet ist. Die Ausführung umfasst weiter eine zweite Elektrodenschicht, die auf der Pufferschicht ausgebildet ist.
  • Eine andere Ausführung sieht ein Verfahren zur Ausbildung einer Dünnfilm-PV-Zelle vor, das das Ausbilden einer ersten leitenden Elektrodenschicht auf einem Substrat umfasst. Eine Absorberschicht, die eine erste Dotiermittelart aufweist, wird auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet. Eine Öffnung wird ausgebildet, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt. Die Öffnung definiert einen in der Absorberschicht liegenden Graben, der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist. Die Ausführung umfasst auch das Ausbilden einer Pufferschicht, die eine zweite Dotiermittelart aufweist, auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden des Grabens und der unteren Fläche des Grabens. Eine zweite Elektrodenschicht wird auf der Pufferschicht ausgebildet.
  • Eine weitere Ausführung sieht ein Verfahren zum Ausbilden einer Dünnfilm-PV-Zelle vor, das das Ausbilden einer leitenden ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat umfasst. Eine Öffnung wird ausgebildet, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die erste Elektrodenschicht erstreckt. Die Ausführung umfasst auch das Ausbilden einer Absorberschicht, die eine erste Dotiermittelart aufweist, auf der ersten Elektrodenschicht und das zumindest teilweise Auffüllen der Öffnung in der ersten Elektrodenschicht mit Material aus der Absorberschicht, um die Absorberschicht mit dem Substrat zu verbinden. Eine Öffnung wird ausgebildet, die sich teilweise von einer oberen Fläche der Absorberschicht in die Absorberschicht erstreckt, um einen in der Absorberschicht liegenden Graben zu definieren, der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist. Eine Pufferschicht wird auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden des Grabens und der unteren Fläche des Grabens ausgebildet, die eine zweite Dotiermittelart aufweist. Die Ausführung umfasst weiter das Ausbilden einer Öffnung, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die Pufferschicht und die Absorberschicht erstreckt, und das Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der Pufferschicht. Die Öffnung in der Pufferschicht und der Absorberschicht wird zumindest teilweise mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht gefüllt, um die zweite Elektrodenschicht mit der ersten Elektrodenschicht zu verbinden.
  • Während bevorzugte Ausführungen beschrieben wurden, versteht es sich, dass die beschriebenen Ausführungen nur zur Erläuterung dienen und dass dem Schutzumfang des Gegenstands ein vollständiger Bereich von Äquivalenten, viele Änderungen und Modifikationen zugeordnet werden sollen, die für den Fachmann bei ihrer Betrachtung selbstverständlich klar werden.
  • Darüber hinaus dienen die obigen Beispiele nur zur Erläuterung und sollen den Schutzumfang der Offenbarung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist, nicht einschränken. Es wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den Verfahren des vorliegenden Gegenstands vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Somit sollen die Ansprüche die Änderungen und Modifikationen abdecken, die von einem Fachmann vorgenommen werden können.

Claims (10)

  1. Dünnfilm-Photovoltaik(PV)-Zelle, die Folgendes umfasst: eine erste Elektrodenschicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist; eine Absorberschicht mit einer ersten Dotiermittelart, die auf der ersten Elektrodenschicht ausgebildet ist, wobei die Absorberschicht eine Öffnung aufweist, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt, wobei die Öffnung Seitenwände und eine untere Fläche aufweist; eine Pufferschicht mit einer zweiten Dotiermittelart, die auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden der Öffnung und der unteren Fläche der Öffnung ausgebildet ist; und eine zweite Elektrodenschicht, die auf der Pufferschicht ausgebildet ist.
  2. PV-Zelle von Anspruch 1, wobei die Dicke zwischen der unteren Fläche der Öffnung und einer unteren Fläche der Absorberschicht etwa 0,5 μm oder mehr beträgt.
  3. PV-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Stufen-Abdeckverhältnis der Zelle ungefähr 0,80 oder mehr beträgt und ein Boden-Abdeckverhältnis der Zelle ungefähr 0,80 oder mehr beträgt.
  4. PV-Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter Folgendes umfasst: eine Sperrschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist, wobei die erste Elektrodenschicht auf der Sperrschicht ausgebildet ist.
  5. Verfahren zum Ausbilden einer Dünnfilm-PV-Zelle, das Folgendes umfasst: Ausbilden einer leitenden ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat; Ausbilden einer Absorberschicht, die eine erste Dotiermittelart aufweist, auf der ersten Elektrodenschicht; Ausbilden einer Öffnung, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt, wobei die Öffnung einen in der Absorberschicht liegenden Graben definiert, der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist; Ausbilden einer Pufferschicht, die eine zweite Dotiermittelart aufweist, auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden des Grabens und der unteren Fläche des Grabens; und Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der Pufferschicht.
  6. Verfahren zum Ausbilden der Dünnfilm-PV-Zelle nach Anspruch 5, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden der Öffnung in der oberen Fläche der Absorberschicht, so dass die Dicke zwischen der unteren Fläche des Grabens und einer unteren Fläche der Absorberschicht ungefähr 0,5 μm oder mehr beträgt.
  7. Verfahren zum Ausbilden der Dünnfilm-PV-Zelle nach Anspruch 5 oder 6, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden einer Öffnung in der ersten Elektrodenschicht, wobei die Öffnung einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die erste Elektrodenschicht erstreckt; und Auffüllen der Öffnung in der ersten Elektrodenschicht zumindest teilweise mit Material aus der Absorberschicht, um die Absorberschicht mit dem Substrat zu verbinden.
  8. Verfahren zum Ausbilden der Dünnfilm-PV-Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden einer Öffnung in der Pufferschicht und der Absorberschicht, wobei die Öffnung einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die Pufferschicht und die Absorberschicht erstreckt; und Auffüllen der Öffnung in der Pufferschicht und der Absorberschicht zumindest teilweise mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht, um die zweite Elektrodenschicht mit der ersten Elektrodenschicht elektrisch zu verbinden.
  9. Verfahren zum Ausbilden der Dünnfilm-PV-Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das weiter Folgendes umfasst: Ausbilden einer Öffnung, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die zweite Elektrodenschicht, die Pufferschicht und die Absorberschicht erstreckt.
  10. Ein Verfahren zur Ausbildung einer Dünnfilm-PV-Zelle, das Folgendes umfasst: Ausbilden einer leitenden ersten Elektrodenschicht auf einem Substrat; Ausbilden einer Öffnung, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die erste Elektrodenschicht erstreckt; Ausbilden einer Absorberschicht, die eine erste Dotiermittelart aufweist, auf der ersten Elektrodenschicht; Auffüllen der Öffnung in der ersten Elektrodenschicht zumindest teilweise mit Material aus der Absorberschicht, um die Absorberschicht mit dem Substrat zu verbinden; Ausbilden einer Öffnung, die sich von einer oberen Fläche der Absorberschicht teilweise in die Absorberschicht erstreckt, um einen in der Absorberschicht liegenden Graben zu definieren, der Seitenwände und eine untere Fläche aufweist; Ausbilden einer Pufferschicht, die eine zweite Dotiermittelart aufweist, auf der oberen Fläche der Absorberschicht, den Seitenwänden des Grabens und der unteren Fläche des Grabens; Ausbilden einer Öffnung, die einen vertikalen Kanal definiert, der sich durch die Pufferschicht und die Absorberschicht erstreckt; Ausbilden einer zweiten Elektrodenschicht auf der Pufferschicht; und Auffüllen der Öffnung in der Pufferschicht und der Absorberschicht zumindest teilweise mit Material aus der zweiten Elektrodenschicht, um die zweite Elektrodenschicht mit der ersten Elektrodenschicht elektrisch zu verbinden.
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