ITFI20120090A1 - PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SOLAR FILMS WITH THIN FILMS - Google Patents

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Alessandro Romeo
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Description

PROCESSO PER LA PRODUZIONE DI CELLE SOLARI A FILM SOTTILI PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THIN FILM SOLAR CELLS

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce in generale al settore della produzione di celle solari, e più in particolare di celle solari a film sottili. Più specificatamente, l’invenzione riguarda un processo per la produzione di celle solari a film sottili in cui lo strato assorbitore è costituito da un film sottile di Cu(ln,Ga)Se2. The present invention relates in general to the sector of the production of solar cells, and more particularly of thin-film solar cells. More specifically, the invention relates to a process for the production of thin-film solar cells in which the absorber layer consists of a thin film of Cu (ln, Ga) Se2.

Sono già note celle solari a film sottili di CdS con uno strato assorbitore della luce costituito da Cu(ln,Ga)Se2su substrati di vetro soda-lime. Tali celle solari hanno raggiunto, almeno su piccole aree, un’efficienza superiore al 20%, un valore ben maggiore rispetto ai valori di efficienza ottenibili con qualsiasi altra cella a film sottile, e confrontabile solo con le prestazioni delle migliori celle solari a Si monocristallino. CdS thin-film solar cells with a light-absorbing layer consisting of Cu (ln, Ga) Se2 on soda-lime glass substrates are already known. These solar cells have achieved, at least on small areas, an efficiency greater than 20%, a value far greater than the efficiency values obtainable with any other thin-film cell, and comparable only with the performance of the best monocrystalline Si solar cells. .

Tuttavia questa efficienza è stata ottenuta preparando lo strato assorbitore di Cu(ln,Ga)Se2con un processo che funziona bene su scala di laboratorio, ma che difficilmente può essere utilizzato su scala industriale. Infatti viene utilizzato un processo in tre stadi: nel primo stadio vengono depositati contemporaneamente In, Ga, e Se mediante co-evaporazione da fasci incrociati ottenuti da crogioli separati su un substrato di vetro soda-lime coperto da uno strato di Mo di spessore pari a circa 1 pm; nel secondo stadio vengono depositati Cu e Se e infine nel terzo stadio vengono depositati di nuovo In, Ga e Se. La temperatura del substrato viene tenuta bassa durante il primo stadio e poi viene alzata fino a circa 550°C durante il secondo e il terzo stadio. La principale difficoltà nel portare a livello industriale questo processo a tre stadi consiste nel fatto che, usando substrati di grande area, come richiesto in un processo industriale, l'uso di fasci incrociati comporta la possibilità di una composizione del materiale variabile da zona a zona. La non uniformità della composizione del materiale rappresenta, come è noto, un serio inconveniente perché influisce negativamente sull'efficienza del dispositivo, non consentendo di conseguire alte efficienze. Infatti, essendo il Cu(ln,Ga)Se2un materiale quaternario, nelle zone in cui c'è un eccesso di Cu è facile che si formi la fase binaria Cu2Se che, essendo instabile, libera Cu che manda in corto circuito il dispositivo. However, this efficiency was achieved by preparing the Cu (ln, Ga) Se2 absorber layer with a process that works well on a laboratory scale, but which can hardly be used on an industrial scale. In fact, a three-stage process is used: in the first stage, In, Ga, and Se are deposited simultaneously by co-evaporation from crossed beams obtained from separate crucibles on a soda-lime glass substrate covered by a layer of Mo with a thickness equal to about 1 pm; in the second stage Cu and Se are deposited and finally in the third stage In, Ga and Se are deposited again. The substrate temperature is kept low during the first stage and then raised to about 550 ° C during the second and third stages. The main difficulty in bringing this three-stage process to industrial level is that, using large area substrates, as required in an industrial process, the use of cross beams entails the possibility of a variable composition of the material from zone to zone. . The non-uniformity of the composition of the material represents, as is known, a serious drawback because it negatively affects the efficiency of the device, not allowing to achieve high efficiencies. In fact, since Cu (ln, Ga) Se2 is a quaternary material, in the areas where there is an excess of Cu it is easy to form the binary phase Cu2Se which, being unstable, releases Cu which short-circuits the device.

Un metodo alternativo è costituito dalla selenizzazione e/o sulfurizzazione di strati di elementi depositati uno sopra l’altro. Questi strati sono generalmente depositati mediante sputtering, elettrodeposizione o cannone elettronico. Tuttavia, considerando che In e Ga hanno punti di fusione piuttosto bassi (In fonde a 156,6°C mentre il Ga fonde a 29,8°C), la preparazione dei precursori, che consiste nel mescolamento omogeneo degli strati, è piuttosto complicata e richiede tempi lunghi di annealing (ricottura). In alternativa viene usato un processo di riscaldamento veloce (Rapid Thermal annealing, RTP) che riesce a portare il substrato alla giusta temperatura di processo (500-550°C) in pochi minuti, alla quale gli strati sono esposti ad un gas contenente H2Se o H2S per la selenizzazione o sulfurazione (Y. Chiba et al., 35<th>IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Honolulu, Hawaii, USA, June 20-25, 2010, pp. An alternative method consists of the selenization and / or sulfurization of layers of elements deposited one on top of the other. These layers are generally deposited by sputtering, electroplating or electron gun. However, considering that In and Ga have rather low melting points (In melts at 156.6 ° C while Ga melts at 29.8 ° C), the preparation of the precursors, which consists in the homogeneous mixing of the layers, is rather complicated. and requires long annealing times. Alternatively, a fast heating process (Rapid Thermal annealing, RTP) is used which manages to bring the substrate to the right process temperature (500-550 ° C) in a few minutes, to which the layers are exposed to a gas containing H2Se or H2S for selenization or sulfuration (Y. Chiba et al., 35 <th> IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Honolulu, Hawaii, USA, June 20-25, 2010, pp.

164-168). In questo caso sono stati usati H2Se e H2S al posto di Se o S poiché presentano una maggiore reattività che sembra essere necessaria nel caso in cui la selenizzazione o la sulfurizzazione vengano fatte mediante un processo di riscaldamento veloce. Tuttavia bisogna considerare che tanto H2Se che H2S sono gas molto velenosi e che quindi non dovrebbero essere utilizzati in una produzione industriale, se non usando precauzioni e procedure di utilizzo molto stringenti, che andrebbero comunque ad aumentare il costo di produzione del modulo finito. 164-168). In this case H2Se and H2S have been used instead of Se or S since they exhibit a higher reactivity which seems to be necessary in case selenization or sulfurization is done by a fast heating process. However, it must be considered that both H2Se and H2S are very poisonous gases and therefore should not be used in industrial production, if not using very stringent precautions and procedures for use, which would in any case increase the production cost of the finished module.

Resta pertanto tuttora sentita l’esigenza di disporre di un processo per la produzione di celle solari a film sottili con strato assorbitore di Cu(ln,Ga)Se2che sia scalabile a livello industriale, non richieda l’uso né di un gas velenoso come l’H2Se né di elementi basso-fondenti. Therefore, the need is still felt to have a process for the production of thin-film solar cells with a Cu (ln, Ga) absorber layer. 'H2Se nor of low-melting elements.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di disporre di un processo di produzione di celle solari che superi gli svantaggi messi in evidenza sopra per i processi della tecnica nota. The object of the present invention is therefore to have a solar cell production process that overcomes the disadvantages highlighted above for the processes of the known art.

Questo scopo ed altri ancora, che risulteranno chiari dalla descrizione dettagliata che segue, sono stati raggiunti dalla Richiedente che ha sorprendentemente trovato un nuovo processo scalabile a livello industriale, in cui la deposizione di In e Ga è effettuata mediante sputtering di InSe, GaSe o loro composti misti, la selenizzazione può essere condotta usando Se invece di H2Se. Tale processo si è dimostrato in grado di fornire precursori selenizzati Cu(ln,Ga)Se2che, usati come assorbitori su substrati in vetro soda-lime e seguiti da strati di CdS, ZnO e ITO, hanno consentito alla Richiedente di realizzare celle solari con un’efficienza intorno al 17%. Inoltre, effettuando la deposizione di ogni strato con tecniche di sputtering ed utilizzando oltre allo sputtering solo la selenizzazione, il processo è altamente riproducibile e facilmente scalabile anche su larghe aree per una produzione di livello industriale. This object and others, which will become clear from the detailed description that follows, have been achieved by the Applicant who has surprisingly found a new process that is scalable at industrial level, in which the deposition of In and Ga is carried out by sputtering InSe, GaSe or them. mixed compounds, selenization can be carried out using Se instead of H2Se. This process has been shown to be able to provide Cu (ln, Ga) Se2 selenized precursors which, used as absorbers on soda-lime glass substrates and followed by layers of CdS, ZnO and ITO, have allowed the Applicant to realize solar cells with a efficiency around 17%. Furthermore, by carrying out the deposition of each layer with sputtering techniques and using only selenization in addition to sputtering, the process is highly reproducible and easily scalable even over large areas for industrial-level production.

Rappresentano dunque oggetto della presente invenzione un processo per la produzione di celle solari a film sottili in cui lo strato assorbitore della luce è costituito da Cu(ln,Ga)Se2, e l’uso di target di InSe, GaSe o loro composti misti, per la preparazione di uno strato assorbitore di Cu(ln,Ga)Se2per celle solari a film sottili, le cui caratteristiche essenziali sono definite nelle rivendicazioni indipendenti qui annesse. Therefore, the object of the present invention is a process for the production of thin-film solar cells in which the light-absorbing layer is constituted by Cu (ln, Ga) Se2, and the use of targets of InSe, GaSe or their mixed compounds, for the preparation of a Cu (ln, Ga) Se2 absorber layer for thin-film solar cells, the essential characteristics of which are defined in the independent claims annexed hereto.

Ulteriori importanti caratteristiche sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti. La presente invenzione è illustrata dettagliatamente nella descrizione che segue fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, anche con l’ausilio dei seguenti disegni annessi in cui: Further important features are contained in the dependent claims. The present invention is illustrated in detail in the following description made by way of non-limiting example, also with the aid of the following annexed drawings in which:

la Figura 1 illustra in modo schematico la sequenza di deposizione sul substrato dei composti che costituiscono lo strato assorbitore da Mo a Cu, secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione; Figure 1 schematically illustrates the sequence of deposition on the substrate of the compounds that make up the absorber layer from Mo to Cu, according to a first embodiment of the invention;

la Figura 2 mostra lo spettro XRD (angolo radente, 10°) dello strato assorbitore ottenuto, in cui sono messe in evidenza le orientazioni di CulnSe2, InSe e GaSe, mentre per semplicità di lettura sono state omesse le orientazioni relative ai picchi di Mo; Figure 2 shows the XRD spectrum (grazing angle, 10 °) of the absorber layer obtained, in which the orientations of CulnSe2, InSe and GaSe are highlighted, while for simplicity of reading the orientations relative to the Mo peaks have been omitted;

la Figura 3 mostra una fotografia al microscopio elettronico a scansione del film di Figura 1 dopo selenizzazione; Figure 3 shows a scanning electron microscope photograph of the film of Figure 1 after selenization;

la Figura 4 mostra un’analisi fatta ai raggi X sul film di Figura 3; la Figura 5 è una illustrazione schematica della sequenza di strati in una cella solare ottenuta deponendo sul film di Figura 1 strati di CdS, ZnO e ITO; Figure 4 shows an X-ray analysis on the film of Figure 3; Figure 5 is a schematic illustration of the sequence of layers in a solar cell obtained by depositing on the film of Figure 1 layers of CdS, ZnO and ITO;

la Figura 6 illustra in modo schematico la sequenza di deposizione sul substrato dei composti che costituiscono lo strato assorbitore, secondo una seconda forma di realizzazione dell’invenzione in cui uno strato finale di GaSe è aggiunto al film di Figura 1; Figure 6 schematically illustrates the deposition sequence on the substrate of the compounds that make up the absorber layer, according to a second embodiment of the invention in which a final layer of GaSe is added to the film of Figure 1;

- la Figura 7 mostra la curva caratteristica corrente-tensione i-V per una cella solare Cu(ln,Ga)Se2/CdS ottenuta usando come strato assorbitore il film di Figura 6. - Figure 7 shows the current-voltage characteristic curve i-V for a Cu (ln, Ga) Se2 / CdS solar cell obtained using the film of Figure 6 as the absorber layer.

Il processo dell’Invenzione riguarda la fabbricazione di celle solari del tipo Cu(ln,Ga)Se2/CdS, basata sulla preparazione dello strato assorbitore di Cu(ln,Ga)Se2mediante sputtering usando target di selenuri di Indio e Gallio al posto di In e Ga rispettivamente, seguita da selenizzazione con Se al posto di H2Se. In particolare, il processo prevede la deposizione mediante sputtering, in un sistema da vuoto, di Mo, InSe, GaSe (o di un loro composto misto come sotto meglio specificato) e Cu, e successiva selenizzazione con Se. La deposizione dei suddetti prodotti è effettuata in sequenza su un adatto substrato su cui viene prima depositato il Mo, poi gli altri prodotti in successione, nella sequenza sopra indicata. Mo e Cu sono preferibilmente deposti mediante sputtering magnetron DC pulsato, mentre i selenuri di In e Ga mediante sputtering magnetron a radiofrequenza. The process of the invention concerns the manufacture of solar cells of the Cu (ln, Ga) Se2 / CdS type, based on the preparation of the Cu (ln, Ga) Se2 absorber layer by sputtering using Indium and Gallium selenide targets instead of In and Ga respectively, followed by selenization with Se instead of H2Se. In particular, the process involves the deposition by sputtering, in a vacuum system, of Mo, InSe, GaSe (or a mixed compound thereof as better specified below) and Cu, and subsequent selenization with Se. The deposition of the aforesaid products is carried out in sequence on a suitable substrate on which the Mo is deposited first, then the other products in succession, in the sequence indicated above. Mo and Cu are preferably deposited by pulsed DC magnetron sputtering, while the In and Ga selenides are deposited by radiofrequency magnetron sputtering.

Come substrato può essere utilizzato un substrato di vetro soda-lime, ad esempio di dimensioni di 1 pollice quadrato di area e 4 mm di spessore. Tali dimensioni sono esemplificative e non influenzano il presente processo di produzione delle celle solari. In alternativa, il presente processo è stato applicato anche direttamente su ceramica, in particolare su substrati in ceramica di superficie di 1 pollice quadrato, prodotti appositamente da Panaria SpA. Substrati ceramici quali quelli usualmente utilizzati per gli edifici possono essere usati come substrati per gli scopi della presente invenzione, per realizzare moduli fotovoltaici direttamente sulla copertura ceramica degli edifici, aventi prestazioni del tutto analoghe a quelle degli stessi moduli realizzati con i tradizionali supporti in vetro soda-lime. La superficie del substrato ceramico è tipicamente preparata mediante deposizione di uno smalto vetroso con caratteristiche chimico-fisiche analoghe a quelle dei substrati in vetro soda-lime. A soda-lime glass substrate can be used as the substrate, for example 1 square inch in area and 4 mm thick. These dimensions are exemplary and do not affect the present solar cell manufacturing process. Alternatively, the present process has also been applied directly on ceramic, in particular on ceramic substrates with a surface of 1 square inch, specially produced by Panaria SpA. Ceramic substrates such as those usually used for buildings can be used as substrates for the purposes of the present invention, to realize photovoltaic modules directly on the ceramic roofing of buildings, having performances completely similar to those of the same modules made with traditional soda-lime glass supports. The surface of the ceramic substrate is typically prepared by depositing a vitreous enamel with chemical-physical characteristics similar to those of soda-lime glass substrates.

Su tale substrato viene deposto Mo a temperatura ambiente in un flusso di Argon, preferibilmente in doppio strato, un primo strato piuttosto sottile, di spessore compreso tra 20 e 60 nm, preferibilmente pari a 30 nm, ed un secondo strato di spessore compreso tra 300 e 1000 nm, preferibilmente pari a 500 nm. Per la deposizione del primo strato il flusso di Ar è compreso tra 30 e 60 sccm (centimetro cubo standard per minuto), a cui corrisponde una pressione compresa tra 5x10<'3>e 10<'2>mbar, e preferibilmente è pari a 45 sccm che corrisponde ad una pressione di 7,5x10<'3>mbar. Per la deposizione del secondo strato il flusso di Ar viene poi diminuito fino ad essere compreso nell’intervallo compreso tra 5 e 20 sccm (corrispondente ad una pressione nell’intervallo tra 0,8 x 10<'3>e 3,3 x10<'3>mbar, e preferibilmente è portato a 15 sccm a cui corrisponde una pressione di 2,5 x 10<'3>mbar. La deposizione di Mo in doppio strato come sopra descritto è una condizione preferita del presente processo, poiché consente di rimuovere lo stress che il Mo presenta quando viene depositato in particolare su vetro, e consente di avere di conseguenza una buona adesione del film di Mo. Mo is deposited on this substrate at room temperature in an Argon flow, preferably in a double layer, a rather thin first layer, with a thickness between 20 and 60 nm, preferably equal to 30 nm, and a second layer with a thickness between 300 nm. and 1000 nm, preferably equal to 500 nm. For the deposition of the first layer, the flow of Ar is between 30 and 60 sccm (standard cubic centimeter per minute), which corresponds to a pressure between 5x10 <'3> and 10 <' 2> mbar, and preferably is equal to 45 sccm which corresponds to a pressure of 7.5x10 <'3> mbar. For the deposition of the second layer, the flow of Ar is then decreased until it is included in the interval between 5 and 20 sccm (corresponding to a pressure in the interval between 0.8 x 10 <'3> and 3.3 x10 < '3> mbar, and preferably it is brought to 15 sccm which corresponds to a pressure of 2.5 x 10 <' 3> mbar. The deposition of Mo in double layer as described above is a preferred condition of the present process, since it allows to remove the stress that the Mo presents when it is deposited in particular on glass, and consequently allows to have a good adhesion of the Mo film.

Mentre il doppio strato di Mo viene depositato a temperatura ambiente, i successivi selenuri di In e Ga, InSe e GaSe o un loro composto misto InxG1- - con 0 < x < 1, sono preferibilmente deposti ad una temperatura compresa nell’intervallo tra 370 e 450°C, e più preferibilmente a circa 400°C, evitando così che i relativi strati si accrescano con un eccesso di Se. Quali target di InSe e GaSe possono essere usati i prodotti commercializzati dalla Sematrade Technologies and Solutions, che presentano un’alta densità dell’ordine del 99%. Per la deposizione di InSe si può usare una potenza di sputtering compresa tra 100 e 200 W, preferibilmente pari a 150 W, a cui corrisponde una velocità di deposizione compresa tra 8 e 24 À/s, e rispettivamente pari a circa 15 À/s; mentre per la deposizione di GaSe la potenza utilizzata può essere nell’intervallo tra 80 e 150 W, e preferibilmente è pari a 100, a cui corrisponde una velocità di deposizione compresa tra 6,5 e 15 À/s e rispettivamente pari a 9 À/s. Si ottiene in questo modo uno spessore dello strato di InSe compreso tra 1 e 2 μm , e preferibilmente pari a circa 1,5 μm m entre per quello di GaSe lo spessore ottenuto è compreso tra 0,2 e 1 μm , ed è pari a circa 0,5 μm . While the Mo bilayer is deposited at room temperature, the subsequent selenides of In and Ga, InSe and GaSe or a mixed compound thereof InxG1- - with 0 <x <1, are preferably deposited at a temperature ranging from 370 and 450 ° C, and more preferably at about 400 ° C, thus preventing the relative layers from growing with an excess of Se. The products marketed by Sematrade Technologies and Solutions, which have a high density of the order of 99%, can be used as InSe and GaSe targets. For the deposition of InSe, a sputtering power between 100 and 200 W can be used, preferably equal to 150 W, which corresponds to a deposition speed between 8 and 24 À / s, and respectively equal to about 15 À / s ; while for the deposition of GaSe the power used can be in the range between 80 and 150 W, and preferably it is equal to 100, which corresponds to a deposition rate between 6.5 and 15 À / s and respectively equal to 9 À / s. In this way, a thickness of the InSe layer between 1 and 2 μm is obtained, and preferably equal to about 1.5 μm while for that of GaSe the thickness obtained is between 0.2 and 1 μm, and is equal to about 0.5 μm.

Secondo una forma di realizzazione preferita del presente processo, anche la deposizione dello strato di Cu è effettuata a temperatura compresa tra 370 e 450°C, e più preferibilmente a 400°C, per ottenere uno strato di spessore compreso tra 0,1 e 0,6 According to a preferred embodiment of the present process, the deposition of the Cu layer is also carried out at a temperature between 370 and 450 ° C, and more preferably at 400 ° C, to obtain a layer with a thickness of between 0.1 and 0. , 6

μm , preferibilmente pari a circa 0,35 μm . μm, preferably equal to about 0.35 μm.

In Figura 1 è mostrata una illustrazione schematica della sequenza di deposizione degli strati, effettuata secondo una prima forma realizzativa del processo dell’invenzione, in cui 100 è il substrato, 101 a e 101 b sono i due strati di Mo, 102 è lo strato di InSe, 103 è GaSe e 104 è Cu. In una forma realizzativa alternativa a quella rappresentata in Figura 1, gli strati 102 e 103 potranno essere sostituiti da un unico strato di un selenuro misto di In e Ga come sopra definito, avente ad esempio spessore compreso tra 1,5 e 2,5 μm , e preferibilmente pari a 2 μm . Figure 1 shows a schematic illustration of the layer deposition sequence, carried out according to a first embodiment of the process of the invention, in which 100 is the substrate, 101 a and 101 b are the two Mo layers, 102 is the layer of InSe, 103 is GaSe and 104 is Cu. In an alternative embodiment to that shown in Figure 1, the layers 102 and 103 can be replaced by a single layer of a mixed In and Ga selenide as defined above, having for example a thickness of between 1.5 and 2.5 μm , and preferably equal to 2 μm.

Nelle condizioni sopra descritte per il presente processo, le deposizioni successive generano un mescolamento degli strati che precedono, senza necessità di ulteriore ricottura (o annealing). Da un’analisi ai raggi X effettuata dopo la deposizione dello strato di Cu, e riportata in Figura 2, si può vedere che a questo stadio si è già formato Cu(ln,Ga)Se2, con soli residui di InSe e GaSe. Under the conditions described above for the present process, the subsequent depositions generate a mixing of the preceding layers, without the need for further annealing. From an X-ray analysis carried out after the deposition of the Cu layer, and shown in Figure 2, it can be seen that at this stage Cu (ln, Ga) Se2 has already formed, with only residues of InSe and GaSe.

A questo punto il processo dell'invenzione prevede uno stadio di selenizzazione con Se, che può essere condotto in una camera da vuoto, dove viene evaporato Se puro da un crogiolo di grafite. Tale procedura di selenizzazione è molto veloce, potendo durare complessivamente da 5 a 15 minuti, ad esempio 7 minuti, di cui da 3 a 10 minuti, ad esempio 5 minuti, per portare la temperatura nell'intervallo 500-550°C, preferibilmente 530°C, e da 1 a 5 minuti, ad esempio 2 minuti, per mantenere il materiale a tale temperatura. In Figura 3 è mostrata la morfologia dello strato assorbitore Cu(ln,Ga)Se2una volta selenizzato, ottenuta mediante microscopia elettronica: il film ottenuto risulta ben cristallizzato e, come si può vedere in figura, sono visibili le strutture triangolari tipiche della fase calcopiritica del Cu(ln,Ga)Se2. At this point the process of the invention provides for a selenization stage with Se, which can be carried out in a vacuum chamber, where pure Se is evaporated from a graphite crucible. This selenization procedure is very fast, being able to last from 5 to 15 minutes overall, for example 7 minutes, of which from 3 to 10 minutes, for example 5 minutes, to bring the temperature in the range 500-550 ° C, preferably 530 ° C, and from 1 to 5 minutes, for example 2 minutes, to keep the material at that temperature. Figure 3 shows the morphology of the Cu (ln, Ga) Se2 absorber layer once selenized, obtained by electron microscopy: the film obtained is well crystallized and, as can be seen in the figure, the triangular structures typical of the chalcopyrite phase of the Cu (ln, Ga) Se2.

In Figura 4 è inoltre mostrata un’analisi fatta ai raggi X sul film di Figura 3, da cui si vede come le specie principali formatesi sono Culnoi7Gaoi3Se2e Culnoi4Gaoi6Se2. Tale strato assorbitore ha spessore compreso ad esempio tra 1 e 3 μm . Figure 4 also shows an X-ray analysis on the film of Figure 3, which shows how the main species formed are Culnoi7Gaoi3Se2 and Culnoi4Gaoi6Se2. This absorber layer has a thickness comprised for example between 1 and 3 μm.

Con lo strato assorbitore preparato e sottoposto a selenizzazione come sopra descritto, sono state fabbricate celle solari a film sottili di tipo Cu(ln,Ga)Se2/CdS secondo procedure note e comunemente usate nel settore, per l’applicazione in sequenza sullo strato assorbitore di strati di CdS, ZnO e ITO (Indium Tin Oxide, ossido di Indio-Stagno). With the absorber layer prepared and subjected to selenization as described above, thin-film solar cells of the Cu (ln, Ga) Se2 / CdS type were manufactured according to procedures known and commonly used in the sector, for the sequential application on the absorber layer. of CdS, ZnO and ITO (Indium Tin Oxide) layers.

Uno strato di CdS di spessore ad esempio compreso tra 50 e 120 nm, e preferibilmente pari a 80 nm, può essere deposto mediante sputtering magnetron a radiofrequenza ad una temperatura del substrato compresa tra 150 e 250°C, e preferibilmente pari a 200°C, in atmosfera di Ar con R23 (CHF3), aggiunto in misura dell’ 1-4% in volume rispetto all’Ar, e preferibilmente in misura del 3% (si possono anche utilizzare in alternativa altri idrofluorocarburi della famiglia del R23 come ad esempio R134a, ovvero C2H2F4). Grazie alla presenza dell’idrofluorocarburo, la presenza di ioni F<->nella scarica di sputtering fa crescere il CdS stechiometrico senza alcun eccesso né di Cd né di S, poiché vi è un bombardamento della superficie da parte degli ioni F<->durante la crescita del film; la quantità di idrofluorocarburo aggiunto deve essere tuttavia in quantità limitata, come sopra specificato, poiché una quantità eccessiva di idrofluorocarburo potrebbe inibire la crescita del CdS. A CdS layer with a thickness of for example between 50 and 120 nm, and preferably equal to 80 nm, can be deposited by means of radiofrequency magnetron sputtering at a substrate temperature between 150 and 250 ° C, and preferably equal to 200 ° C , in an atmosphere of Ar with R23 (CHF3), added to an extent of 1-4% by volume with respect to Ar, and preferably to an extent of 3% (it is also possible to use alternatively other hydrofluorocarbons of the R23 family such as for example R134a, or C2H2F4). Thanks to the presence of the hydrofluorocarbon, the presence of F <-> ions in the sputtering discharge causes the stoichiometric CdS to grow without any excess of either Cd or S, since there is a bombardment of the surface by the F <-> ions during the growth of the film; however, the amount of added hydrofluorocarbon must be limited, as specified above, since an excessive amount of hydrofluorocarbon could inhibit the growth of CdS.

Uno strato di ZnO intrinseco, di spessore ad esempio compreso tra 60 e 150 nm, e preferibilmente pari a 100 nm, viene quindi deposto mediante sputtering reattivo (magnetron-radiofrequenza) usando un target metallico di Zn puro in un’atmosfera di Ar+02[P02= 30-60% di PAr+02]· Infine, uno strato di ITO di spessore ad esempio compreso tra 300 e 700 nm, e preferibilmente pari a 500 nm, viene deposto mediante sputtering DC pulsato in un’atmosfera di Ar+02 [P02= 2-10% di PAr+02]· Per completare la cella, sopra lo strato di ITO viene formato un contatto a griglia mediante sputtering in continua. A layer of intrinsic ZnO, with a thickness for example between 60 and 150 nm, and preferably equal to 100 nm, is then deposited by reactive sputtering (magnetron-radiofrequency) using a metal target of pure Zn in an atmosphere of Ar + 02 [P02 = 30-60% of PAr + 02] Finally, an ITO layer with a thickness for example between 300 and 700 nm, and preferably equal to 500 nm, is deposited by pulsed DC sputtering in an atmosphere of Ar + 02 [P02 = 2-10% of PAr + 02] · To complete the cell, a grid contact is formed over the ITO layer by continuous sputtering.

Nella Figura 5 è mostrata una illustrazione schematica della sequenza di strati nella cella solare Cu(ln,Ga)Se2/CdS in cui 100 è il substrato, 101 a e 101 b sono i due strati di Mo, 105 è Cu(ln,Ga)Se2corrispondente agli strati da 102 a 104 in Figura 1 dopo selenizzazione, 106 è lo strato di CdS, 107 è lo strato di ZnO e 108 è lo strato di ITO. Sempre in Figura 5, con 109 è rappresentato il contatto inferiore creato con apposite strisce adesive di rame stagnato di tipo commerciale, e con 110 il contatto superiore a griglia accessibile dall’esterno utilizzando ad esempio le stesse strisce di rame stagnato impiegate per il contatto inferiore. Figure 5 shows a schematic illustration of the sequence of layers in the Cu (ln, Ga) Se2 / CdS solar cell where 100 is the substrate, 101 a and 101 b are the two Mo layers, 105 is Cu (ln, Ga) If2 corresponding to layers 102 to 104 in Figure 1 after selenization, 106 is the CdS layer, 107 is the ZnO layer and 108 is the ITO layer. Also in Figure 5, 109 represents the lower contact created with special adhesive strips of tinned copper of a commercial type, and with 110 the upper grid contact accessible from the outside using for example the same strips of tinned copper used for the lower contact .

Celle solari fabbricate con il presente processo usando lo strato assorbitore mostrato in Figura 1 presentano un’efficienza di conversione fotovoltaica intorno al 12% con un Voc, ossia un potenziale a circuito aperto, che non supera mai i 500 mV, con una densità di corrente di cortocircuito Jscintorno ai 40 mA/cm<2>ed un “fili factor”, o fattore di riempimento, di 0,62 - 0,64. Le caratteristiche delle celle solari sono state misurate usando un simulatore solare della Oriel Corporation sotto una luce di 100 mW/cm<2>in AM 1 ,5 ad una temperatura di 24°C. Solar cells manufactured with the present process using the absorber layer shown in Figure 1 have a photovoltaic conversion efficiency around 12% with a Voc, i.e. an open circuit potential, which never exceeds 500 mV, with a current density of short circuit Jsc around 40 mA / cm <2> and a “wire factor”, or filling factor, of 0.62 - 0.64. The characteristics of the solar cells were measured using a solar simulator from Oriel Corporation under a light of 100 mW / cm <2> in AM 1.5 at a temperature of 24 ° C.

Celle solari sono state fabbricate con il presente processo anche a partire da uno strato assorbitore come quello rappresentato in Figura 1, al quale però viene aggiunto anche uno strato di GaSe dopo la deposizione del Cu, come mostrato in Figura 6, sottoposto poi a selenizzazione. L’ulteriore strato di GaSe, di spessore ad esempio compreso tra 0,1 e 0,5 μm , è indicato in Figura 6 con 103bis. Le celle solari di tipo Cu(ln,Ga)Se2/CdS fabbricate a partire da questo tipo di strato assorbitore avente un profilo di concentrazione diverso, con una maggiore concentrazione di Ga in superficie, hanno mostrato caratteristiche ancora migliori delle precedenti: il Vocdi queste celle è intorno ai 600 mV ed il “fili factor” intorno a 0,72 mentre la densità di corrente di cortocircuito Jscè intorno a 37 mA/cm<2>. L’efficienza è pari a circa il 16-17%. La curva caratteristica corrente-tensione ottenuta per una di queste celle con un’area di 0,5 cm<2>, è mostrata nella Figura 7; i parametri fotovoltaici rilevati in questo caso sono: Voc= 576,1 mV, “fili factor” = 0,74, Jsc38,13 mA/cm<2>, efficienza η = 16,2%. Anche l’efficienza misurata su altre zone del substrato ha fornito analoghi valori, indicando così una buona uniformità di prestazioni della cella su tutta l’area del substrato. Solar cells have been manufactured with the present process also starting from an absorber layer like the one shown in Figure 1, to which a layer of GaSe is added after the deposition of Cu, as shown in Figure 6, which is then subjected to selenization. The further layer of GaSe, for example with a thickness of between 0.1 and 0.5 μm, is indicated in Figure 6 with 103bis. The Cu (ln, Ga) Se2 / CdS solar cells manufactured starting from this type of absorber layer having a different concentration profile, with a higher concentration of Ga on the surface, showed even better characteristics than the previous ones: the Vocdi these cells is around 600 mV and the "wire factor" around 0.72 while the short-circuit current density Jsc is around 37 mA / cm <2>. The efficiency is approximately 16-17%. The current-voltage characteristic curve obtained for one of these cells with an area of 0.5 cm <2>, is shown in Figure 7; the photovoltaic parameters detected in this case are: Voc = 576.1 mV, “wires factor” = 0.74, Jsc38.13 mA / cm <2>, efficiency η = 16.2%. The efficiency measured on other areas of the substrate also provided similar values, thus indicating a good uniformity of cell performance over the entire area of the substrate.

Un gran numero di celle solari, circa 60 campioni, sono state preparate con il presente processo descritto sopra e tutte hanno mostrato un’efficienza di conversione tra il 13% ed il 17% con un picco di riproducibilità tra il 16% e il 17%, indicando quindi una buona riproducibilità del processo. A large number of solar cells, about 60 samples, were prepared with the present process described above and all showed a conversion efficiency between 13% and 17% with a reproducibility peak between 16% and 17%. , thus indicating a good reproducibility of the process.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a una sua forma di realizzazione preferita. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described up to now with reference to a preferred embodiment thereof. It is to be understood that there may be other embodiments that refer to the same inventive core, all falling within the scope of the claims set out below.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Un processo per la produzione di celle solari a film sottili comprendenti uno strato assorbitore costituito da Cu(ln,Ga)Se2, caratterizzato dal fatto che detto strato assorbitore è preparato mediante deposizione per sputtering di InSe e GaSe, o di un loro composto misto InxG1- con 0 < x < 1, su un substrato ricoperto di Mo, seguita da deposizione per sputtering di Cu e selenizzazione con Se. CLAIMS 1. A process for the production of thin-film solar cells comprising an absorber layer consisting of Cu (ln, Ga) Se2, characterized in that said absorber layer is prepared by sputtering deposition of InSe and GaSe, or of a compound thereof mixed InxG1- with 0 <x <1, on a substrate coated with Mo, followed by deposition by sputtering of Cu and selenization with Se. 2. Il processo secondo la rivendicazione 1, in cui detto substrato è realizzato in ceramica per edifici. The process according to claim 1, wherein said substrate is made of building ceramic. 3. Il processo secondo la rivendicazione 1, in cui detta deposizione per sputtering di InSe, GaSe, o di un loro composto misto, e di Cu, è condotta a temperatura compresa tra 370 e 450°C. 3. The process according to claim 1, wherein said deposition by sputtering of InSe, GaSe, or of a mixed compound thereof, and of Cu, is carried out at a temperature comprised between 370 and 450 ° C. 4. Il processo secondo la rivendicazione 3, in cui detta deposizione per sputtering di InSe, GaSe, o di un loro composto misto, e di Cu, è condotta a temperatura di circa 400°C. 4. The process according to claim 3, wherein said deposition by sputtering of InSe, GaSe, or of a mixed compound thereof, and of Cu, is carried out at a temperature of about 400 ° C. 5. Il processo secondo la rivendicazione 1, in cui detta selenizzazione è condotta esponendo gli strati deposti per sputtering ad un vapore di Se puro per 5-15 minuti ad una temperatura di 500-550°C in una camera da vuoto. 5. The process according to claim 1, wherein said selenization is carried out by exposing the layers deposited by sputtering to a pure Se vapor for 5-15 minutes at a temperature of 500-550 ° C in a vacuum chamber. 6. Il processo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre la deposizione per sputtering di un ulteriore strato di GaSe prima della selenizzazione. The process according to claim 1, further comprising the sputtering deposition of a further GaSe layer prior to selenization. 7. Il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la deposizione per sputtering di uno strato di CdS su detto strato assorbitore. The process according to any one of the preceding claims, further comprising the deposition by sputtering of a CdS layer on said absorber layer. 8. Il processo secondo la rivendicazione 7, in cui su detto strato di CdS viene inoltre effettuata la deposizione per sputtering di uno strato di ZnO e di uno strato di ITO. The process according to claim 7, in which the deposition by sputtering of a layer of ZnO and of a layer of ITO is also carried out on said CdS layer. 9. Uso di InSe, GaSe o di un loro composto misto InxG1- con 0 < x < 1, come target per la preparazione mediante deposizione per sputtering di uno strato assorbitore di Cu(ln,Ga)Se2per celle solari a film sottili.9. Use of InSe, GaSe or a mixed compound thereof InxG1- with 0 <x <1, as a target for the preparation by sputtering deposition of an absorber layer of Cu (ln, Ga) Se2 for thin film solar cells.
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