ES2620286T3 - Formación de películas finas en múltiples fases para dispositivos fotovoltaicos - Google Patents

Formación de películas finas en múltiples fases para dispositivos fotovoltaicos Download PDF

Info

Publication number
ES2620286T3
ES2620286T3 ES12002005.2T ES12002005T ES2620286T3 ES 2620286 T3 ES2620286 T3 ES 2620286T3 ES 12002005 T ES12002005 T ES 12002005T ES 2620286 T3 ES2620286 T3 ES 2620286T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
chemical
film
chemical element
fully reacted
reacted material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES12002005.2T
Other languages
English (en)
Inventor
Sergey Frolov
Allan James Bruce
Michael Cyrus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sunlight Aerospace Inc
Original Assignee
Sunlight Photonics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US13/052,618 external-priority patent/US8012788B1/en
Application filed by Sunlight Photonics Inc filed Critical Sunlight Photonics Inc
Application granted granted Critical
Publication of ES2620286T3 publication Critical patent/ES2620286T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02568Chalcogenide semiconducting materials not being oxides, e.g. ternary compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518Deposited layers
    • H01L21/02521Materials
    • H01L21/02551Group 12/16 materials
    • H01L21/02562Tellurides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02614Transformation of metal, e.g. oxidation, nitridation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/032Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0322Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541CuInSe2 material PV cells

Abstract

Un método para producir una película de un material compuesto que comprende las etapas de proporcionar un sustrato; depositar una película en el sustrato usando un material totalmente reaccionado, en el que la película depositada y el material totalmente reaccionado tienen una primera composición química que incluye al menos un primer elemento químico y al menos un segundo elemento químico; en el que dicha etapa de deposición de la película comprende las etapas de preparar el material totalmente reaccionado desde dicho al menos un primer elemento químico y dicho al menos un segundo elemento químico, formar al menos una diana de metalizado por bombardeo desde el material totalmente reaccionado y metalizar por bombardeo el material totalmente reaccionado sobre el sustrato; en el que dicha primera composición química comprende Cu, In, Ga y Se y el que dicho al menos un segundo elemento químico se selecciona de entre Se, S y Te; habiendo reaccionado previamente el material totalmente reaccionado para formar uniones químicas entre los diferentes elementos químicos; inducir al menos una reacción química en la película depositada usando una fuente que contiene el al menos un segundo elemento químico para incrementar por tanto el contenido del al menos un segundo elemento químico en la película depositada por lo que la película depositada tiene una segunda composición química; en el que el contenido del al menos un segundo elemento químico en la segunda composición química es mayor que el contenido del al menos un segundo elemento químico en la primera composición química para producir una película estequiométrica que tiene una única fase cristalina.

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
DESCRIPCION
Formacion de pelfculas finas en multiples fases para dispositivos fotovoltaicos Campo
La presente invencion se refiere a un metodo para formar una pelfcula fina de material compuesto, tal como una pelfcula fina semiconductora adecuada para el uso en celulas solares fotovoltaicas y otros dispositivos.
Tecnica relacionada
Uno de los mayores contribuidores a la generacion mundial actual de energfa renovable es la energfa solar producida mediante el efecto fotovoltaico (PV). Las fuentes de energfa renovable basadas en PV generan energfa, en la forma de electricidad, empleando radiacion electromagnetica, tal como luz solar. Las aplicaciones PV no se limitan a ningun area particular del mundo y/o ningun sector determinado de la economfa. En regiones remotas del mundo, por ejemplo, la instalacion fuera de la red de las fuentes PV proporciona la unica fuente de electricidad disponible. En regiones altamente pobladas y/o economicamente desarrolladas, la fuente PV puede, por ejemplo, enviar electricidad a una red electrica para complementar y/o reducir la cantidad de energfa convencional distribuida desde la red electrica. Una fuente PV se genera en un sistema electrico que contiene un dispositivo PV, tal como una celula PV o un modulo PV.
Los dispositivos PV se usan frecuentemente para convertir energfa optica en energfa electrica. Normalmente, un dispositivo fotovoltaico se fabrica de uno o dos semiconductores con unas regiones dopadas en p y dopadas en n. La comercializacion de los dispositivos PV depende de los avances tecnologicos que conducen a mayores eficacias y a menores costes de tales dispositivos. El coste de la electricidad puede reducirse significativamente usando dispositivos PV construidos a partir de semiconductores de pelfcula fina compuestos, tal como cobre, indio, galio, selenio (CIGS).
Diversas tecnicas se han desarrollado para producir materiales PV de pelfcula fina. Las pelfculas finas de aleaciones basadas en silicio amorfo pueden producirse usando deposicion qufmica de vapor (CVD). Unas pelfculas CdTe pueden fabricarse en un numero de diferentes maneras, que incluyen electro-deposicion y deposicion de transporte de vapor. El proceso CVD es relativamente caro y no es adecuado para semiconductores compuestos, tal como CIGS. Unas tecnicas menos caras desarrolladas para CdTe tampoco estan disponibles para otros materiales PV de pelfcula fina. Las pelfculas CIGS se fabrican principalmente usando un proceso de co-evaporacion elemental o un proceso en dos fases, en el que un metalizado por bombardeo de una pelfcula precursora va seguido por su selenizacion. El proceso de dos fases es relativamente mas facil de escalar en volumen en comparacion con el proceso de co-evaporacion, pero tiene sus inconvenientes, tal como una perdida de adhesion entre la capa absorbente y la capa de contacto trasera durante la selenizacion.
A partir del documento US 2010/0081230 A1 se ha conocido un metodo y estructura para adhesion de material absorbente para celulas fotovoltaicas de pelfcula fina. El metodo incluye formar una capa de cobre que recubre una capa adhesiva intermedia y fina y forma una capa de indio que cubre la capa de cobre para formar una estructura de multiples capas y someter la estructura de multiples capas a un proceso de tratamiento termico con una especie de transporte de azufre para formar un material de aleacion de disulfuro, indio y cobre.
El documento US 2009/0250722 A1 divulga un metodo para producir un dispositivo semiconductor de pelfcula fina usando un proceso llamado Deposicion Ffsica de Diana Reaccionada (RTPD) en el que una pluralidad de materiales semiconductores en bruto sufren un proceso de pre-reaccion para formar un material diana semiconductor compuesto homogeneo.
El documento US 2010/0108503 A1 describe la fabricacion de una estructura diana para metalizar por bombardeo atomico para depositar pelfculas de calcogenuro semiconductoras por medio de metalurgia en polvo o lingotes, en el que la diana para metalizar por bombardeo atomico incluye un cuerpo diana que comprende al menos una aleacion de calcogenuro con una alta pureza.
Sumario
De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para producir una pelfcula de material compuesto. El metodo incluye las etapas del proceso de acuerdo con la reivindicacion 1,
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 muestra un proceso para producir una celula solar de pelfcula fina.
La Figura 2 muestra una configuracion de sustrato de una celula solar de pelfcula fina.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
La Figura 3 muestra una configuracion de superestrato de una celula solar de pelfcula fina.
La Figura 4 muestra una formacion en multiples fases de una pelfcula fina compuesta binaria.
La Figura 5 muestra una formacion en multiples fases de una pelfcula fina compuesta ternaria.
La Figura 6 muestra una formacion en multiples fases de una pelfcula fina compuesta CIGS.
La Figura 7 muestra un proceso para deposicion de una pelfcula CIGS*.
La Figura 8 muestra un proceso de selenizacion de una pelfcula CIGS*.
Descripcion detallada
En la siguiente descripcion detallada, numerosos detalles especfficos se exponen para proporcionar un entendimiento exhaustivo de realizaciones ejemplares u otros ejemplos descritos en el presente documento. Sin embargo, se entendera que estas realizaciones y ejemplos pueden practicarse sin los detalles especfficos. En otros casos, unos metodos, procedimientos, componentes y circuitos bien conocidos no se han descrito en detalle, para no oscurecer la siguiente descripcion.
La Figura 1 ilustra un ejemplo de un proceso para la fabricacion de un dispositivo fotovoltaico (PV) de pelfcula fina 200 mostrado en la Figura 2. Este proceso incluye varias etapas que se inician con la preparacion del sustrato. El sustrato 210 puede ser una lamina de vidrio, un papel metalizado o una pelfcula de plastico. La primera capa de contacto 220 puede depositarse sobre el sustrato 210 usando un proceso de metalizado por bombardeo. El primer contacto puede funcionar como el contacto trasero y contener metales, tal como molibdeno (Mo) u oxidos de conduccion transparentes (TCO), tal como oxido de estano (SnO2). La siguiente etapa de procesamiento opcional puede incluir un proceso de trazado con laser, en el que la primera capa de contacto se divide en varias regiones electricamente desconectadas que a su vez definen celulas PV individuales. Posteriormente, una capa fina absorbente 230 se deposita en la parte superior de la primera capa de contacto 220 usando un proceso de deposicion de multiples fases, que se describira en detalle a continuacion. El material absorbente puede basarse en ClGS, CdTe, a-Si, semiconductores organicos y otros semiconductores de pelfcula fina. Una fina capa de otro material semiconductor puede entonces depositarse mediante un proceso de metalizado por bombardeo, por ejemplo, para proporcionar una capa de ventana 240, formando asf una confluencia pn con la capa absorbente 230 por debajo. Un procesamiento adicional opcional puede incluir un proceso de trazado mecanico, en el que las capas absorbente y de ventana se dividen en varias regiones electricamente desconectadas que a su vez definen celulas PV individuales. Posteriormente a estas etapas, una segunda capa de contacto 250 se produce para crear un dispositivo PV 200 de funcionamiento. El segundo contacto puede funcionar como el contacto delantero y contener TCO, tal como oxido de estano e indio (ITO) u oxido de zinc dopado con Al (AZO). Ademas, este proceso de fabricacion puede incluir diversas etapas posteriores tal como el trazado mecanico adicional, deposicion de contactos de red metalicos, revestimiento anti-reflejos, laminacion, envasado, etc.
El proceso de fabricacion de la Figura 1 puede modificarse para producir el dispositivo PV de pelfcula fina 300 ilustrado en la Figura 3. En el proceso modificado, la deposicion de la capa de ventana precede a la deposicion de capa absorbente. En este caso, el dispositivo PV 300 incluye el substrato 310, la primera capa de contacto 320, la capa de ventana 330, la capa absorbente 340 y el segundo contacto 350. El primer contacto puede funcionar como el contacto delantero y el segundo contacto puede funcionar como el contacto trasero.
Tal como se ha mencionado previamente, las capas absorbentes 230 y 340 pueden formarse usando un proceso de multiples fases, un ejemplo de lo cual se muestra en la Figura 4. En primer lugar, se produce una pelfcula con una composicion qufmica AB1-z, que puede ser similar o estar cerca de la composicion qufmica de un semiconductor PV compuesto AB, donde A y B son diferentes elementos qufmicos y A puede ser tambien una aleacion de diferentes elementos qufmicos. El valor de (1-z), donde z es la deficiencia qufmica del elemento B, puede definirse como la relacion entre el contenido del elemento B inicial y el contenido del elemento B final; z puede estar en el intervalo de 0,05 a 0,95, preferentemente en el intervalo de 0,15-0,4.
Es generalmente preferente que el semiconductor compuesto AB sea suficientemente estequiometrico y que de esta manera tenga una estructura cristalina de unica fase a temperatura ambiente. Por otro lado, el material compuesto AB1-z puede ser no estequiometrico y de esta manera contener diferentes fases cristalinas. En este ultimo caso, la composicion AB1-z se refiere a la composicion promediada por el volumen de la pelfcula fina depositada. El material compuesto AB1-z tambien puede diferenciarse del semiconductor compuesto AB en sus propiedades ffsicas, por ejemplo, puede ser un conductor electrico en lugar de un semiconductor.
El material compuesto AB1-z en la pelfcula puede ser una mezcla de sus elementos constituyentes, por ejemplo una mezcla de polvos finos de elementos A y B, respectivamente, en el que el tamano de partfculas caracterfstico puede ser menor de un micrometro, preferentemente en el intervalo de 5-50 nm. Es preferente sin embargo que el material compuesto AB1-z sea un material totalmente reaccionado y qufmicamente estable que no sea solo una mezcla de
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
sus elementos constituyentes. En este material, se forman uniones qufmicas entre sus diferentes elementos y su composicion qufmica y su estructura cristalina pueden ser sustancialmente homogeneas desde escalas grandes a muy pequenas (algunos nm).
En la primera etapa mostrada en la Figura 4 una pelfcula fina que comprende el semiconductor ABi-z puede depositarse de acuerdo con la presente invencion mediante un proceso de metalizado por bombardeo. Por ejemplo, un material de masa antes de la reaccion que tiene una composicion qufmica ABi-z puede dispersarse y depositarse sobre un sustrato en la forma de una pelfcula fina que tiene sustancialmente la misma composicion qufmica ABCi-z. En la segunda etapa, un proceso de reaccion qufmica residual se produce en la pelfcula cuando se coloca en una atmosfera de vapor que contiene el elemento B. Como resultado de la reaccion qufmica, una pelfcula absorbente PV se produce con la composicion qufmica AB.
Este proceso antes mencionado tambien es aplicable a materiales semiconductores compuestos que comprenden mas de dos elementos qufmicos constituyentes. Por ejemplo, en el caso de una pelfcula semiconductora ternaria, una pelfcula que tiene una composicion qufmica ABCi-z se deposita primero sobre un sustrato. Posteriormente, una reaccion qufmica residual se usa para cambiar la composicion qufmica de la pelfcula a ABC. Los elementos qufmicos A, B y C pueden, por ejemplo, ser elementos qufmicos de los grupos I, III y VI, respectivamente. Los elementos del grupo I incluyen tales elementos tales como Cu, Ag y Au, los elementos del grupo III incluyen Al, In, Ga y Ti, mientras que los elementos del grupo VI incluyen S, Se y Te. En este caso, el semiconductor compuesto ABC puede, por ejemplo, ser CuInSe2. Ademas, pueden usarse elementos qufmicos de otros grupos, por ejemplo Sn del grupo IV.
De manera similar, el proceso de multiples fases descrito antes puede usarse con semiconductores cuaternarios y otros materiales que comprenden mas de cuatro elementos. Por ejemplo, en el anterior ejemplo del semiconductor compuesto ternario CuInSe2, los elementos qufmicos del grupo I, el grupo III o el grupo VI pueden sustituirse parcialmente por diferentes elementos del mismo grupo. Por ejemplo, Cu puede sustituirse parcialmente por Ag, In puede sustituirse parcialmente por Ga y Se puede sustituirse parcialmente por S. Tal sustitucion no altera la estructura cristalina basica del material y por tanto no produce ningun defecto cristalino asociado. Esto se usa frecuentemente para cambiar las propiedades electronicas y opticas del material, por ejemplo, para incrementar la anchura de banda optica en CuInSe2 se puede sustituir In total o parcialmente por Ga.
El proceso de formacion en multiples fases es particularmente aplicable a materiales semiconductores compuestos que comprenden mas de dos elementos qufmicos constituyentes. Para la formacion de materiales compuestos que tienen multiples elementos constituyentes con deficiencias de composicion, el proceso de multiples fases puede incluir multiples etapas de reaccion residual, correspondiendo cada una a un elemento deficiente especffico. Por ejemplo, en el caso de una pelfcula de material compuesto ternario, una pelfcula que tiene una composicion qufmica inicial ABi-yCi-z se deposita primero sobre un sustrato, donde los elementos B y C son deficientes. Posteriormente, varias etapas de reaccion qufmica residual se usan para cambiar la composicion qufmica de la pelfcula depositada a ABC tal como se muestra en la Figura 5. En la primera etapa de reaccion residual, una cantidad adicional y de elemento B se proporciona para producir una pelfcula con una composicion intermedia ABCi-z. En la segunda etapa de reaccion residual, una cantidad adicional z de elemento C se proporciona para producir una pelfcula con la composicion final ABC. Esto tambien puede ser posible para combinar multiples reacciones residuales en una unica etapa de procesamiento, donde mas de un unico elemento se anade a la composicion qufmica (p. ej., B y C en el anterior ejemplo).
La Figura 6 muestra un ejemplo de un proceso de formacion de multiples fases que emplea una pelfcula CIGS. En la primera etapa, una pelfcula fina CIGS* se produce con una composicion qufmica CUxIni-yGaySe2(i-z), que esta cerca de la composicion qufmica de un semiconductor PV compuesto CuxIni-yGaySe2. El contenido x de Cu puede estar en el intervalo de 0,6 a i,0, y preferentemente en el intervalo de 0,8-0,95. El contenido y de Ga, que determina la anchura de banda optica CIGS, puede estar en el intervalo de 0,i-i,0, y preferentemente en el intervalo de 0,2-0,35. La deficiencia z de Se puede estar en el intervalo de 0,i-0,9, y preferentemente en el intervalo de 0,5-0,85. En la segunda etapa, un proceso de selenizacion residual se usa para inducir las reacciones qufmicas adicionales en la pelfcula depositada para ajustar por tanto la composicion qufmica de la pelfcula para que tenga la composicion CuxIni-yGaySe2.
La Figura7 muestra esquematicamente un metodo para la deposicion de pelfculas finas de CIGS*. La pelfcula de CIGS* puede depositarse mediante metalizado por bombardeo desde una o mas dianas (72i, 722, 723 y 724). Los materiales diana incluyen compuestos totalmente reaccionados, tales como CuxIni-yGaySe2(i-z). En este proceso de deposicion, puede usarse un sustrato plano rfgido 7i0 que se ha preparado y procesado antes de la deposicion como se ha descrito antes. Como alternativa, en un sistema de deposicion de rodillo a rodillo puede usarse un sustrato flexible. Un sistema de deposicion de vacfo 720 puede emplear, por ejemplo, una herramienta de metalizado por bombardeo de magnetron para depositar una pelfcula fina de CIGs* 730 en el sustrato. Un metalizado por bombardeo de magnetron DC puede usarse para dianas electricamente conductoras tales como aleaciones metalicas, que es un proceso mas rapido en comparacion con el metalizado por bombardeo RF que se usa normalmente con dielectricos.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
La Figura 8 muestra esquematicamente un metodo para la etapa de selenizacion residual, en el que una pelfcula fina de CIGS* en un sustrato 810 que tiene la composicion inicial CuxIn1-yGaySe2(1-z) se transporta primero a la camara 820. Un gas que contiene Se, tal como FhSe o Se2, se suministra a la camara 820 y la pelfcula en el sustrato 810 se calienta. En estas condiciones, los atomos de Se, se dispersan en la pelfcula para completar la formacion de la pelfcula de CIGS 830, que tiene la composicion final CuxIn1-yGaySe2. La reaccion qufmica puede controlarse mediante temperatura y tiempo. Por ejemplo, la selenizacion residual puede lograrse usando temperaturas en el intervalo de 400 °C a 550 °C y un tiempo de reaccion en el intervalo de 5 a 30 minutos. El tiempo de reaccion puede elegirse para permitir que una cantidad suficiente de Se (en proporcion con la deficiencia de Se) se difumine y reaccione con el resto de los elementos en la pelfcula. La selenizacion y otras reacciones similares, tal como por ejemplo sulfurizacion, en condiciones apropiadas de temperatura y presion pueden ser autolimitativas. Esto implica que tras la formacion de un compuesto estequiometrico de CuxIn1-yGaySe2, se detiene una incorporacion adicional de Se a la pelfcula y la reaccion de selenizacion termina. Un ejemplo de condiciones apropiadas para tal reaccion de autolimitacion puede ser una temperatura de procesamiento suficientemente alta, en la que los calcogenos, que superan la estequiometrfa y no se unen qufmicamente con otros constituyentes de la pelfcula, pueden exhibir una presion de vapor parcial significativa y pueden preferentemente perderse desde la pelfcula mediante vaporizacion. Esto es particularmente conveniente en la fabricacion a gran escala, donde los procesos que necesitan menos control son menos caros, mas fiables y de esta manera mas atractivos. Despues de la selenizacion residual, la pelfcula de CIGS esta totalmente reaccionada, formando una estructura policristalina de calcopirita con una cantidad minima de defectos cristalinos asociados con deficiencias de sus elementos constituyentes (Se en particular).
De acuerdo con la presente invencion, el proceso de deposicion de pelfcula fina de multiples fases puede aplicarse a una variedad de otros materiales compuestos. Los ejemplos incluyen:
CuxIni-yGayS2zSe2(i-z). Primero, una pelfcula fina se produce en un proceso PVD con una composicion qufmica CuxIn1-yGayS2zSe2(1-z1). El contenido x de Cu puede estar en el intervalo de 0,6 a 1,0, preferentemente en el intervalo de 0,8-0,95. El contenido y de Ga puede estar en el intervalo de 0,05-1,0, preferentemente en el intervalo de 0,1-0,3. El contenido z de S puede estar en el intervalo de 0,0-1,0, mientras que la deficiencia z1 de Se puede estar en el intervalo de 0,1-1,0 por lo que z1>z. En segundo lugar, un proceso de selenizacion residual se usa para ajustar la composicion qufmica de la pelfcula a CuxIn1-yGayS2zSe2(1-z). Para este compuesto puede usarse una selenizacion residual, sulfurizacion o una combinacion de los dos procesos (p. ej., empleando vapores tanto de S2 como de Se2) en las ultimas fases del proceso de deposicion.
CuxiAgx2lni-yGaySe2. En primer lugar, se produce una pelfcula fina en un proceso PVD con una composicion qufmica Cux1Agx2ln1-yGaySe2(1-z). El contenido x1 de Cu y el contenido x2 de Ag pueden estar en el intervalo de 0,1 a 1,0, por lo que xi+x2<1. El contenido y de Ga puede estar en el intervalo de 0,05-1,0, preferentemente en el intervalo de 0,1-0,35. La deficiencia z de Se puede estar en el intervalo de 0,1-0,9, preferentemente en el intervalo de 0,5-0,85. En segundo lugar, un proceso de selenizacion residual se usa para ajustar la composicion qufmica de la pelfcula a Cux1Agx2ln1-yGaySe2|.
Estos y otros materiales compuestos adecuados tambien pueden incluir dopantes menores que tienen concentraciones relativamente pequenas y de esta manera no alteran significativamente la composicion qufmica general y la estructura cristalina asociada. Por ejemplo, los compuestos de CIGS pueden incluir de 0,01-0,3 de % atomico de sodio (Na), lo que facilita el crecimiento de grano de pelfculas de CIGS y tambien mejora sus propiedades electricas. En este caso Na puede anadirse al material en masa y despues transferirse a la pelfcula con otros elementos de CIGS durante la deposicion. Ademas, en la deposicion inicial de una pelfcula fina, sus constituyentes pueden incluir elementos qufmicos temporales que pueden retirarse de la pelfcula durante las posteriores etapas de procesamiento. Por ejemplo, tal proceso de deposicion puede implicar uno de los compuestos de oxido, es decir, CuO, In2O3 y Ga2O3, donde el oxfgeno puede retirarse posteriormente mediante reduccion qufmica usando gas de hidrogeno.
El proceso de formacion de pelfcula fina de multiples fases proporciona varias ventajas sobre los procesos de formacion de pelfcula existentes. Las reacciones qufmicas residuales en la pelfcula depositada permiten un control mas flexible de la morfologfa de la pelfcula. Especfficamente, se promueve el crecimiento de grano policristalino y la fusion de granos. La expansion volumetrica de la pelfcula asociada con estas reacciones qufmicas retira las burbujas y mejora el transporte electrico entre los granos. Tambien se conoce que la adhesion entre capas puede estar comprometida por la exposicion de la pelfcula a las altas temperaturas normalmente requeridas por las reacciones qufmicas en los procesos de deposicion existentes. El proceso de multiples fases puede mejorar la adhesion entre la capa absorbente y la primera capa de contacto reduciendo sustancialmente la cantidad de reacciones qufmicas necesarias en la pelfcula tras la deposicion.

Claims (6)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para producir una pelfcula de un material compuesto que comprende las etapas de proporcionar un sustrato;
    depositar una pelfcula en el sustrato usando un material totalmente reaccionado, en el que la pelfcula depositada y el material totalmente reaccionado tienen una primera composicion qufmica que incluye al menos un primer elemento qufmico y al menos un segundo elemento qufmico;
    en el que dicha etapa de deposicion de la pelfcula comprende las etapas de preparar el material totalmente reaccionado desde dicho al menos un primer elemento qufmico y dicho al menos un segundo elemento qufmico, formar al menos una diana de metalizado por bombardeo desde el material totalmente reaccionado y metalizar por bombardeo el material totalmente reaccionado sobre el sustrato;
    en el que dicha primera composicion qufmica comprende Cu, In, Ga y Se y el que dicho al menos un segundo elemento qufmico se selecciona de entre Se, S y Te;
    habiendo reaccionado previamente el material totalmente reaccionado para formar uniones qufmicas entre los diferentes elementos qufmicos;
    inducir al menos una reaccion qufmica en la pelfcula depositada usando una fuente que contiene el al menos un segundo elemento qufmico para incrementar por tanto el contenido del al menos un segundo elemento qufmico en la pelfcula depositada por lo que la pelfcula depositada tiene una segunda composicion qufmica; en el que el contenido del al menos un segundo elemento qufmico en la segunda composicion qufmica es mayor que el contenido del al menos un segundo elemento qufmico en la primera composicion qufmica para producir una pelfcula estequiometrica que tiene una unica fase cristalina.
  2. 2. Un metodo de la reivindicacion 1, en el que dicho al menos un segundo elemento qufmico comprende una pluralidad de elementos qufmicos.
  3. 3. Un metodo de la reivindicacion 1, en el que dicho sustrato comprende una primera capa de contacto.
  4. 4. Un metodo de la reivindicacion 1, en el que el contenido del al menos un segundo elemento qufmico en la segunda composicion qufmica es mayor que el contenido del al menos un segundo elemento qufmico en la primera composicion qufmica en al menos un 10 %.
  5. 5. Un metodo de la reivindicacion 1, en el que dicha al menos una reaccion qufmica se produce a una temperatura de al menos 400 °C.
  6. 6. Un metodo de la reivindicacion 1, en el que dicha etapa de induccion de al menos una reaccion qufmica incluye exponer la pelfcula a un vapor que incluye el al menos un segundo elemento qufmico.
ES12002005.2T 2011-03-21 2012-03-21 Formación de películas finas en múltiples fases para dispositivos fotovoltaicos Active ES2620286T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/052,618 US8012788B1 (en) 2009-10-21 2011-03-21 Multi-stage formation of thin-films for photovoltaic devices
US201113052618 2011-03-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2620286T3 true ES2620286T3 (es) 2017-06-28

Family

ID=45991997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES12002005.2T Active ES2620286T3 (es) 2011-03-21 2012-03-21 Formación de películas finas en múltiples fases para dispositivos fotovoltaicos

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2503589B1 (es)
ES (1) ES2620286T3 (es)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8187904B2 (en) * 2008-07-21 2012-05-29 Solopower, Inc. Methods of forming thin layers of photovoltaic absorbers
US7842534B2 (en) * 2008-04-02 2010-11-30 Sunlight Photonics Inc. Method for forming a compound semi-conductor thin-film
US7960204B2 (en) * 2008-09-30 2011-06-14 Stion Corporation Method and structure for adhesion of absorber material for thin film photovoltaic cell
US20100108503A1 (en) * 2008-10-31 2010-05-06 Applied Quantum Technology, Llc Chalcogenide alloy sputter targets for photovoltaic applications and methods of manufacturing the same
WO2011115887A1 (en) * 2010-03-17 2011-09-22 Dow Global Technologies Llc Photoelectronically active, chalcogen-based thin film structures incorporating tie layers

Also Published As

Publication number Publication date
EP2503589A3 (en) 2012-11-28
EP2503589B1 (en) 2017-01-11
EP2503589A2 (en) 2012-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2854848T3 (es) Formación en tres fases de películas delgadas para dispositivos fotovoltaicos
Wang Progress in thin film solar cells based on
Bosio et al. Polycrystalline CdTe thin films for photovoltaic applications
US7867551B2 (en) Processing method for group IBIIIAVIA semiconductor layer growth
US9087954B2 (en) Method for producing the pentanary compound semiconductor CZTSSe, and thin-film solar cell
KR20090106513A (ko) Ⅰbⅲaⅵa 족 화합물 층들을 위한 도핑 기술들
US20080023336A1 (en) Technique for doping compound layers used in solar cell fabrication
KR101094326B1 (ko) 태양전지용 Cu-In-Zn-Sn-(Se,S)계 박막 및 이의 제조방법
TW201250020A (en) Sodium sputtering doping method for large scale cigs based thin film photovoltaic materials
TW201138144A (en) Method of manufacturing solar cell
KR101628312B1 (ko) CZTSSe계 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 CZTSSe계 박막 태양전지
US9184322B2 (en) Titanium incorporation into absorber layer for solar cell
Nicolás-Marín et al. The state of the art of Sb2 (S, Se) 3 thin film solar cells: current progress and future prospect
Aabel et al. Preparation and characterization of CZTS thin films by vacuum-assisted spray pyrolysis and fabrication of Cd-free heterojunction solar cells
US20120280185A1 (en) Method for Forming an Ink
Xu et al. Effects of different precursors on Cu2SnS3 thin film solar cells prepared by sputtering method
US9306098B2 (en) Method of making photovoltaic device comprising an absorber having a surface layer
Lee et al. Influence of the temperature ramping rate on the performance of vapor transport deposited SnS thin-film solar cells
ES2620286T3 (es) Formación de películas finas en múltiples fases para dispositivos fotovoltaicos
US8012788B1 (en) Multi-stage formation of thin-films for photovoltaic devices
ES2753449T3 (es) Método para producir un sistema de capas para células solares de película delgada que tienen una capa tampón de sulfuro de indio y de sodio
KR102057234B1 (ko) Cigs 박막 태양전지의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 cigs 박막 태양전지
US20150249171A1 (en) Method of making photovoltaic device comprising i-iii-vi2 compound absorber having tailored atomic distribution
Romeo CdTe and CuInGaSe 2 Thin-Film Solar Cells
Ebon et al. Computational investigation towards highly efficient Sb2Se3 based solar cell with a thin WSe2 BSF layer