TW201203576A - Single junction CIGS/CIS solar module - Google Patents

Single junction CIGS/CIS solar module Download PDF

Info

Publication number
TW201203576A
TW201203576A TW100113743A TW100113743A TW201203576A TW 201203576 A TW201203576 A TW 201203576A TW 100113743 A TW100113743 A TW 100113743A TW 100113743 A TW100113743 A TW 100113743A TW 201203576 A TW201203576 A TW 201203576A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
electrode
thin film
photovoltaic module
layer
substrate
Prior art date
Application number
TW100113743A
Other languages
English (en)
Inventor
Robert D Wieting
Rajiv G Pethe
Kannan Ramanathan
May Shao
Ashish Tandon
Original Assignee
Stion Corp
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
Application filed by Stion Corp filed Critical Stion Corp
Publication of TW201203576A publication Critical patent/TW201203576A/zh

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01L21/02367Substrates
    • H01L21/0237Materials
    • H01L21/02422Non-crystalline insulating materials, e.g. glass, polymers
    • 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
    • H01L21/02436Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439Materials
    • H01L21/02488Insulating materials
    • 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
    • H01L21/02612Formation 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022466Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022466Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022483Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of zinc oxide [ZnO]
    • 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
    • H01L31/04Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/072Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0749Semiconductor 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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
    • 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
    • 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
    • Y02E10/547Monocrystalline silicon PV cells
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

201203576 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本申請要求普通轉讓的由Robert D. W i et i ng於201 0年 4 月 21 日提交的題為 “HIGH EFFICIENCY CIGS/CIS SOLAR MODULE”的美國臨時申請號61/326, 31 5的優先 權,並由此出於所有目的將其以整體通過引用併入本文 中。 [0002] 本發明總體上涉及一種薄膜光伏模組(薄膜光伏元件, thin-film photovoltaic module)以及製造其的方 法。更具體地,本發明提供了一種用於製造高效薄膜光 伏模組的結構和方法。本發明提供了大尺寸且具有電路 光伏效率(circuit photovoltaic efficiency)為 12-15%以上的單結銅銦鎵二硒化物(CIGS)電池的高效 薄膜光伏面板。 【先前技術】 [0003] 從一開始,人類就已經應對挑戰來尋找利用能量的方式 。能量來自于以諸如石化產品、水力發電、核能、風能 、生物質、太陽能的形式,以及更原始的形式,諸如木 材和煤。在過去的一個世紀中,現代文明已依賴于作為 重要能量來源的石化能量。石化能量包括天然氣和石油 ,包括更輕的形式,如用於家庭取暖並用作用於烹飪的 燃料的丁烧和丙院。石油包括汽油、柴油和喷氣燃料, 通常用於運輸目的。不幸地,石化燃料的供應基於在行 星地球上可獲得的量是有限的且基本上是固定的。另外 ,隨著更多的人以增長的量使用石油產品,它快速地變 100113743 表單編號A0101 第4頁/共40頁 1003179624-0 201203576 [0004] [0005]
❹ [0006] 為稀缺資源,這將最終隨著時間而變得枯竭。 更近地,已經期望環境上清潔且可再生的能量源。清潔 能量源的一個實例是水電力(水力發電)。水電力來源 於通過水的流動驅動的發電機。清潔且可再生的能量源 還包括風能、波能、以及生物質能。清潔能源還有的其 他類型包括太陽能。 •太陽能技術通常將來自太陽的電磁輻射轉化成其他有用 形式的能量。這些其他形式的能量包括熱能和電力。對 於電力應用,經常使用太陽能電池。儘管太陽能在環境 上是清潔的並且已在某種程度上是成功的,但是,在將 其廣泛應用於全世界之前,還有待解決一些問題。例如 ,一種類型的太陽能電池利用來源於半導體材料錠的晶 體材料。這些晶體材料能夠用來製造包括將電磁輻射轉 化成電力的光伏和光電二極體裝置的光電裝置(optoelectronic device) 。 然而 ,晶體材料 經常成 本高並 且難以大規模製造。另外,由這樣的晶體材料製造的裝 置經常具有較低的能量轉換效率。其他類型的太陽能電 池利用“薄膜”技術來形成待用於將電磁輻射轉化成電 力的光敏材料的薄膜。膜可靠性經常較差並且在傳統的 環境應用中不能長時間使用。經常,薄膜難以彼此機械 地結合。 【發明内容】 根據本發明的實施方式,提供了用於形成高效薄膜光伏 模組的結構和方法。更具體地,本發明提供了尺寸為165 x6 5 cm以上的高效薄膜光伏面板以及電路光伏效率為 100113743 表單編號A0101 第5頁/共40頁 1003179624-0 201203576 12-15%以上的CiGS單結電池。 [0007] [0008] 100113743 本發明提供了-種高效薄膜光伏肋效薄膜光伏 模組形成在具有長度為約2英尺以上以及寬度為約5英尺 以上的表面的基板上1光伏模組包括彼此電連接且横 跨寬度-個接-個地平行于長度設置的多個條狀光伏電 池母個電池包括覆蓋該表面的隔離材料(阻擋材料, barrier material )和覆蓋該隔離材料的第一電極。 每個電池進一步包括形成為覆蓋該第—電極的吸收劑( 吸收劑材料’ absorber) ’該吸收劑包含特徵在於能帶 隙為約1 eV至1」eV的銅鎵銦二砸化物化合物材料。另 外,每個電池包括覆蓋吸收劑的緩衝材料和雙層氧化鋅 (ZnO)材料,該雙層氧化鋅材料包括覆蓋該緩衝材料的 高電阻率透明層和覆蓋該高電阻率透明層的低電阻率透 明層。結合高電阻率透明層的緩衝材料形成了用於收集 通過光伏吸_轉㈣光電子的光伏視窗㈣,而低電 阻率透明層形成第二電極。所述光伏模组進—步包括^ 長度在基板的每個邊緣區域附近在第一電極上八 的第一電引線和第二電引線。 乃;成 在:個可替換的實施方式中,本發明提供了_種用於製 造街效薄膜光伏模組的方法。該方法包括提供約2英尺a 央尺以上的基板。在基板上形成隔離材料並且在其上彤 成導電材料。另外,該方法包括以基本上相等的間j 過導電材料劃線(劃片’ scribe)以形成多個條狀電也 。每個條狀電池中的導電材料形成第—電極。 所述方法包括形成覆蓋第-電極的前體材料。該 表單編號A0101 第6頁/共40頁 項體材 1003179624-0 [0009] 201203576 Ο [0010] Ο 料至少包括含鈉材料、鋼鎵 前體材料在至少具有研物質::::、以及鋼材料。該 處理,以形成特徵在於具有瓜物貝的氣態環境中進行 型電特性和約〇.9的〜至1.】#能帶隙的 法進一步包括形成覆^ J + Ga)比的吸收劑材料 。該方 有η-型特性的緩衝材型特性的吸收劑材料的具 括圖案化吸收劑材料和^成即結。此外,該方法包 鄰條狀電池進行連接。☆ _料以將每個條狀電池與相 材料,接著形成透日轉$衝材料上形成高電阻率透明 化透明導電材料、緩衝材料二此外,該方法包括圖案 用於每個條狀電池的第二電極。及吸收劑材料,以形成 種方法用於製造基於具有_.以上 模::的玻璃基板的薄膜光伏模組。相對于傳統薄膜 、、、的優點包括低成本、簡 間化的薄膜工藝、利用具有最 面板尺寸的CIGS單結光伏電池的高效率以及優 2用於最大化光子接收的細條電池模式。簡化的薄膜 工藝包括直接在大尺寸鱗玻璃基板±製備驗性材料, 包括隔離材料、金屬電極材料、以及—種或多種前體材 料。另外,簡化的薄膜工藝包括用於製備高效銅銦鎵二 硒化物(CIGS)光伏吸收劑的兩步工藝,包括首先形成 則體複合臈,接著實施該前體複合膜的熱反應性硒化和 瓜化處理。一種具體實施方式包括具有特徵在於能隙為 〇 eV至1. 1 eV的CIGS光伏吸收劑的單結電池。這 允許CIGS電池用作底部裝置,該底部裝置機械地連接於 雙面頂部裝置以形成具有與石夕相當的組合光伏電路效率 100113743 表單蝙號A0101 第7頁/共40頁 1003179624-0 201203576 的層壓模,,但具有顯著更低的成本。其他優點包括使 用比,、他軸光伏材料毒性相對更低的環境友好材料以 及高溫耐受性透明導電材料用於適應改進的吸收劑熱工 藝並在之後保持合理的光學透明度。 【實施方式】 [0011] [0012] '、了種用於形成南效薄膜光伏模組的電池結構和方 法。本發明能夠實現—種高效CIGS/CIS基薄膜光伏電池 ’由該薄膜光伏電池可以以12_15%以上的電路效率製造 ^有陶5⑽上形狀因數的工業尺寸面板。通過關於 薄膜吸收劑組成化學計量和齡結構㈣的1作,單結 CIGS/CIS光伏吸收劑具有特徵在於能帶隙在丨〇至1 γ ^中的優化光電性能。這使得電池能夠被用作底部裝置 ’該底部裝置能夠與頂部雙面裝置連接以形成具有增強 模組效率的多結模組。本發明的實施方式可以用來^括 其他類型的半導體薄膜或多層,包含硫化鐵、硫化錦 Γ化辞等,以及金屬氧化物如氧化鋅、氧化鐵、氧化銅 圃了根據本發明-個實施方式的單結⑽薄 伏電池結構的示意^如所示的,本發明提供了用於妒 成薄膜光伏裝置的基板100。在—個具體實施方式中,基 板100具有I65x65cra的工業形狀因數並且由選自_破 璃、丙稀酸玻璃 '糖玻璃、專業corningTM破璃、石英 和塑膠的材料製成。絲板具有製制於在其上形成薄 膜材料的表面區域101。如所示的,隔離材料覆蓋表 面區域m。尤其是對於使用_玻璃材料的基板隔離 100113743 表單編號A0101 第8頁/共40頁 1003179624-0 201203576 料1〇3防止該鈉鈣玻璃令的鈉離子不可控制地擴散到在 "、藝中形成的光伏材料區鈉約玻璃通常包含高 1 0 ' Wt%氧化鈉或約15wt%鈉的鹼性離子。根據該實施方 隔離材料1〇3能夠是利用諸如濺射、電子束蒸發、化 =軋相沉積(包括等離子體增強工藝)等技術沉積的選 的=化矽、氧化鋁、氮化鈦、氮化矽氧化钽和氧化鍅 w電材料。在一個具體實施方式中,薄隔離材料103的 尺為約2〇〇埃以上。在另—個具體實施方式中,隔離材 Ο [0013] ;:3的厚度為約5 0 0埃以上。當然,可以使用可替換的 3材料,例如包括氧化物或氮化物材料的兩種材料雙 層。 在―個實施方式中,背電極形成為覆蓋隔離材料103。背 電極月t*夠纟包括金屬《金屬合金的導電材料製成。在一 個實例中’使用翻或砸化銦。根據—個具體實施方式, 如圖1中所不,背電極為包括第一鉬層1〇6和第二鉬層 的雙層結構。第-|9層1()6經由在壓力設置為在約毫 托範圍内的室中實料健麟卫藝形成為覆蓋隔離材 並且具有埃的厚度。在另一個實施方 气令帛自層利用内部拉伸應變形成。還取決於錢射 功率和基板溫度’不同於所述低壓條件,第_姆106能 夠在3_Pa至1G_Pa範圍的拉伸應力下形成 。在膜的 該4刀中的拉伸應力的—個優點是當實施則機械劃 線或錯射燒ϋ技術的圖案化卫藝來刻畫用於形成電池線 邊界的溝槽時’幫助轉膜完整性。隨著純部分地去 除’钥的剩餘(主要)部分能夠保留牢固地附著於基板 100113743 表單編號Α0101 第9頁/共40頁 1003179624-0 201203576 [0014] [0015] [0016] 100113743 ,用作用於特定電池的電極。其他材料,包括透明導體 氧化物(tco)如氧化銦錫(通常稱為IT0)、氟摻雜的 錫氧化物(FTO)等能夠用於背電極。 參照圖1,在第一鉬層106上形成第二鉬層1〇8。第二鉬層 108特徵在於利用在10毫托至2〇毫托之間的室壓力實施的 另一濺射沉積工藝中形成的壓縮性内部應變,以具有在 約2000埃至7000埃的厚度範圍。取決於壓力、濺射功率 和溫度,在零(neutral)至-2〇〇MPa應力範圍的壓縮性 應力下形成第二鉬層108。在一個優選的實施方式中,在 第二鉬層108内的壓縮性應力有利於在圖案化工藝過程中 形成的在電池線邊界周圍的第一鉬層1〇6内的膜破裂或淺 邊緣空隙的自修復。 在一個可替換的實施方式中,雙層電極工藝能夠利用以 下條件實施。用於形成第一鉬層! 〇6的工藝能夠在約1_5 毫托的低壓和約1-4 kW的較低錢射功率下完成。然後, 用於形成第二鉬層108的後續工藝與約12_18 kW的高濺 射功率組合利用約10-20毫托的高壓力。每個層的厚度能 夠類似於上述的厚度。 月&夠利用用於處理的其他選項。例如,室的壓力對於兩 種濺射工藝能夠保持恒定。但濺射功率對於第一鉬層1〇6 能夠設置為卜4 kW,而對於第二鉬層1〇8增加至約12_18 kW高。當然,能夠存在其他變型 '更改 '和替換。例如 ,第一層能夠在低功率和高壓力下沉積,而第二層在高 功率但低壓力下沉積。雙層膜結構的應力性質被更改, 但第一層仍然處於拉伸下而第二層處於壓縮下。可替換 表單編號A0101 第10頁/共40頁 1003179624-0 201203576 地’第一鉬層106能夠由另一種材料如鈦代替。鈦層的厚 度可以為約300埃。此外,鈦下層可以可選地在第一鉬層 形成之前加入。 [0017] 參照圖1,光伏吸收劑材料110形成為覆蓋第二鉬層丨。 在本發明的—個實施方式中’光伏吸收劑材料為基於 兩步工藝形成的銅銦鎵二硒化物(CIGS)化合物材料, Ο 該兩步工藝包括物理氣相沉積薄膜前體材料,接著兩階 段反應性熱處理該薄膜前體材料。在另一個實施方气中 ’經由兩步工藝形成的CIGS化合物材料包括具有約〇. 9的 優選Cu/(In+Ga)組成比的具有尺寸為約〇. 75微米的 CuInGaSe2或CuInGa(SSe)2的良好結晶化黃銅礦結構的 多個顆粒。物理上,CIGS吸收劑具有約1—2微米的厚度。 電學上’其特徵在於p-型半導體電性能和在低於leV至約 1. leV範圍内的能帶隙。在本發明的一個具體實施中, ο CIGS材料表現出至少部分地在從紅色至紅外範圍的光譜 部分範圍内的太陽光光譜的優異光伏吸收並將吸收的光 子以高效率轉化成電子。該高效率部分地起因于經由兩 步工藝的約0.75微米的優化顆粒尺寸,其有利於光吸收 以產生大量光電子並支持將光電子快速遞送至發射體。 在一個實施方式中,鎵物質可以在製備薄膜前體材料期 間被除去使得所得到的光伏吸收劑主要包含銅銦二碼化 物材料,即CIS吸收劑材料。在另一個具體實施方式中, 調整能帶隙值以使CIGS/C IS光伏吸收劑材料對於用作多 結電池的底部裝置是最佳的。 [0018] 在光伏吸收劑材料110具有P-型特性之後,形成η-型摻雜 100113743 表單編號Α0101 第11頁/共40頁 1003179624-0 201203576 發射體材料以具有用於從光吸收產生電的完整口 — ^结。然 後,將η-型緩衝材料12〇沉積為覆蓋吸收劑η〇。緩衝材 料120優選是具有適度^型摻雜、比CIGS吸收劑材料更 寬的能帶隙、以及以微米或納米晶體結構的細顆粒的化 學沉積的硫化鎘(CdS)層。緩衝材料12〇 CdS層通過將 帶有之前形成的所有薄膜並且具有CIGS吸收劑表面的整 個玻璃基板浸潰到提供有水溶液的加熱浴中,利用化學 浴沉積而形成,其中該水溶液至少包括鎘物質、氨物質 和有機硫物質。 [0019] [0020] 在一個具體實施方式中’鎘物質能夠來源於各種鎘鹽如 乙酸鎘、碘化鎘、硫酸鎘 '硝酸鎘、氣化鎘、溴化鎘等 。利用鑛的一個目的是利用與CIGS吸收劑材料相關的cd 的強η-型供體特性。在化學浴工藝期間,在nGS吸收劑 表面附近具有約0.1微米深度的區域獲得Cd物質(與硫物 質結合)以變為緩衝層,由p_型或本征特性改變為n —型 特性。該η-型特性緩衝材料12〇至少部分地用作用於單結 薄膜光伏電池的光伏窗口材料。關於用於製造薄膜光伏 材料的緩衝材料處理的更詳細描述能夠在普通轉讓給
Stion Corporation, San Jose, CA 、由Robert D.
Wieting於2009年9月29日提交的題為“Large Scale Chemical Bath System and Method for Cadmium Sulfide Processing of Thin Film Photovoltaic Materials”的美國專利申請號12/569, 490中找到,其 被出於所有目的作為參考文獻而完全併入。 再次參照圖1,透明導電材料130形成為覆蓋緩衝材料12〇 100113743 表單編號A0101 第12頁/共40頁 1003179624-0 201203576 以主要用作用於薄膜光伏電池的電極。典型地,透明導 Ο
[0021] Q 電材料130是透明導電氧化物(TCO),如In203:sn ( ITO)、Zn0:Al(AZ0)、Sn〇2:F(TFO),但也可以是 對於太陽光光譜是光學透明的且具有低於約10歐姆/cm2 薄層電阻的其他材料。在一個具體實施方式中,透明導 電材料130是雙層氧化鋅層,包括高電阻下層131和低電 阻上層132。氧化辞ZnO層利用包括二乙基鋅材料和含氧 物質的反應物氣體物質的混合物使用金屬有機化學氣相 沉積(M0CVD)技術而形成。在一個具體實施方式中,含 氧物質可以是水蒸氣,其中水與二乙基鋅的比率大於約1 至4。在另一個具體實施方式中,來源於乙硼烷氣體/蒸 氣的含硼物質還可以以所選擇流速加入到反應物混合物 中。 M0CVD工藝在具有受控環境壓力和適當構造的基板支援夹 具以及工作氣體供應系統的封閉室中實施。供應的反應 物氣態物質的化學反應在升高溫度下在基板附近發生, 以引起覆蓋緩衝材料的硼摻雜氧化鋅材料的沉積。通過 調節乙硼烷物質的流速,能夠調節如形成的ZnO層中的硼 摻雜水準,使得高電阻下層131能夠首先形成為覆蓋緩衝 材料120之後,取決於具體系統,能夠將乙蝴烧物質的 流速從基本上零增大到高值,以便形成低電阻上層132。 在一個實施方式中,經受硼重摻雜的低電阻上層132優選 特徵在於大於約90%的光透過率以及約2. 5毫歐-cm以下 的低電阻率》在實施中’低電阻上層直接用作用於光伏 電池的電極層。具有低的婦雜或沒有雜雜和從每平 100113743 表單編號A0101 第13頁/共40頁 1003179624-0 201203576 方1歐姆至每平方1毫歐範圍高電阻的高電阻下層13ι,通 過在η-型CdS層與低電阻上層132之間形成良好歐姆接觸 而成為視窗材料12 0的局部部分。高電阻下層1 31仍然具 有良好的光學透明度性能’至少具有大於約80 %的光透過 率。換句話說’南電阻下層131是用作在pn結電池的窗口 層與上覆透明導電(t極)層之間的緩衝物的-高電阻透 明(HRT)層。HRT層用作保護層,該保護層能夠基本上 降低由於在電極層與光伏材料之間的介面處形成的潛在 小孔或須晶的電短路或載體複合。高效單結薄膜光伏電 池依賴于利用兩步工藝形成光伏吸收劑材料。尤其是, 兩步工藝開始於在相對低的溫度(T<200 °C)下薄膜前體 的物理氣相沉積(濺射或蒸發技術)。 [0022] 圖2是示出了根據本發明實施方式的通過濺射工藝覆蓋電 極形成的前體複合材料的簡化圖。如在用於形成銅基前 體材料的實例中所示的’ 一個接一個地形成至少三個前 體材料的層。首先,將含鈉材料231沉積在玻璃基板2〇〇 上的背電極220上。在背電極220與玻璃基板200的表面 之間,插入隔離材料210。含鈉材料231主要用作用於在 整個薄膜前體材料(在後面形成)中混合或擴散的納物 質的來源,以有助於銅基光伏吸收劑的形成。 [0023] 在一個實例中,使用具有包括鈉、銅、鎵等的幾種元素 物質的特別破定的組成和純度的含鈉靶裝置,將濺射技 術應用於沉積含鈉材料231。能夠在引入包括氬氣和/或 氮氣的工作氣體之前被預抽吸下降至在幾毫牦範圍内的 壓力的室中實施溅射工藝◊在一個具體實施方式中,濺 100113743 表單編號A0101 第14頁/共40頁 1003179624-0 201203576 射工藝經由具有1.5 kW以上的功率的DC磁控管來引發。 例如,施加1. 75 kW功率用於從含鈉靶裝置沉積第一前體 ,其中約200 seem的氬氣流速用於控制整個沉積工藝中 的沉積速度。相應地,與沉積速度相關的鈉表面密度確 定在0. 03至0. 09微摩爾/cm2的範圍内。在一個實施中, 通過以上濺射工藝形成的含鈉前體材料具有約60 nm的膜 厚度。 [0024] Ο ❹ [0025] 如圖2中所示,包含銅鎵合金材料232的第二層前體材料 形成為覆蓋含鈉材料231。此外,銅鎵合金的沉積能夠利 用可替換Cu-Ga合金扭裝置在相同室或室的不同隔間中在 相對低的溫度(T<200 °C)下通過濺射完成。在一種實施 中,在工藝中使用的Cu-Ga合金靶裝置包含99. 9%純的銅 鎵合金,特別是銅鎵組成比優選基本上等於先前使用的 含鈉靶裝置中的銅鎵組成比。對於匹配靶組成的一個優 點有助於在含鈉前體材料(包含銅和鎵)上順利地生長 第二層前體材料,並且基本上不會誘導可以引起膜破裂 或其他缺陷的介面晶格應力。DC磁控管濺射技術使用施 加至Cu-Ga合金乾裝置的約4±1 kW的功率和設置在約170 seem下的氬氣流速實施,以控制用於形成Cu-Ga合金材 料232的沉積速度。在一個實例中,沉積了厚度為丨2〇 nm的Cu-Ga合金材料。 包括銦物質的第三層前體材料在Cu-Ga合金材料形成之後 形成。如圖2中所示’銦材料233在Cu-Ga合金材料232上 方,利用DC磁控管錢射技術沉積。該沉積能夠利用 99. 99%純的銦靶裝置在室的不同隔間中實施。在一個實 100113743 表單編號A0101 第15頁/共40頁 1003179624-0 201203576 例中,將沉積期間的Ar流速設置為約loo sccm&且用於 濺射的DC功率為約9.2 kW。銦沉積速度決定了對於相應 形成的銦材料233為約1. 84微摩爾/cm2的摩爾密度。在 個實例中’>儿積厚度為約290 nm的铜層。在形成前兩 層前體材料之後,必須實施銦材料沉積以確保包括含鈉 材料231、Cu-Ga合金材料232和銦材料233的整個薄膜前 體材料的預定化學計量達到期望的範圍並被良好控制。 例如,化學計量能夠通過在以上濺射工藝甲形成的整個 薄臈前體材料之中稱為銅物質相對於組合銦物質加上鎵 物質的組成比的CIG比進行表徵。在一個實例中,◦ I ◦比 在0.85至0. 95的範圍内。根據一些實施方式,在〇. 9附 近的CIG比疋用於引起產生高效太陽能轉化的銅基光伏吸 收劑材料形成的優選組成比。用於形成光伏吸收劑材料 的兩步工藝包括高溫退火通過低溫沉積形成的薄膜前體 材料。 [0026] 圖3是示出了被處理用於製造根據本發明一個實施方式的 光伏吸收劑材料的薄膜前體材料的圖示。如所示的,包 括薄膜前體材料(231、232、233 )的玻璃基板2〇〇設置 在經受熱處理300的環境中《在一個具體實施方式中,對 於包括鈉物質、銅物質、鎵物質和銦物質的銅基薄膜前 體材料,熱處理300是在加熱的氣體環境中的反應退火工 藝以引起該薄膜前體材料與一種或多種反應物氣體發生 反應。 尤其是,高溫反應退火工藝能夠在構造成包括與惰性氣 體混》合的反應物氣體並基於預定溫度曲線加熱的爐腔中 100113743 表單編號A0101 第16頁/共4〇頁 1003179624-0 [0027] 201203576 貫施。在用於處理銅基薄膜前體材料的一種實施中,反 應物氣體包括硒物質和硫物質。例如,供應硒化氫氣體 加上氮氣至少用於一個退火階段,.而供應硫化氫氣體加 上氮氣用於另一個退火階段。在一個實施方式中,爐腔 包括一個或多個加熱器以供應熱能以加熱室並使其中帶 有裝載的薄膜前體材料的破璃基板的溫度升高。這些加 熱器空間地設置在爐腔周圍並且能夠獨立地進行操作以 確保玻璃基板基本均勻的溫度。在一個具體實施方式中 ’裝載具有1 65x65 cm的形狀因數的多個大玻璃基板用 於反應性退火工藝,以製造高效光伏模組。在一個實例 中,預定溫度曲線包括第—溫度升溫階段以將溫度從室 溫快速升高至第-駐留階段,其中薄膜前體材料在第一 工皿度範圍内被退火。在第__駐留階段,將砸氣體物 質作為主要反應物填充在室㈣。然後遵循駭的溫度 曲線,第二升溫階段進—步將溫度快速升高至第二駐留 階段,其帽《體材料在更“藝溫度_下被另外 退火。在該階段’將硫物f作為主要反應物進行填充同 時至少部分地除去砸物質。這兩種退^藝基本上引起 銅基薄膜前體材料(23卜232、233 )向其中納物質擴 散並且砸/硫物質整體加人的複合材料轉化。之後能夠 冷卻爐腔並且以具有期望_尺寸的特定晶體結構形成 的複合材料㈣作為高效光伏體㈣具有期望光電性 能的材料。 _ ®4是示出了光伏吸收劑材料的形成的圖示。如所示的, 玻璃基板200具有上覆隔離層(阻㈣)2iq並且背電極 100113743 表單編號A0101 第17頁/共40頁 1003179624-0 201203576 220形成為覆蓋隔離層21〇。在高溫反應性退火工藝之後 ’從薄臈前體材料(231、232、233 )轉化的光伏吸收 劑材料230,形成為覆蓋背電極22〇。在一個實施方式中 ,光伏吸收劑材料包括銅,、鎵和則㈣,並且形成 -個接-個的多個結晶顆粒。特別是,每個顆粒包含銅 鋼鎵二碼化物(CuInGaSe2)或銅姻鎵二硫化物(d W2)或它們的混合形式。這些材料稱 為CI⑽膜光伏吸收劑。在—些實施方式中可以從工 藝中除去鎵物質使得產生GIS⑽光伏吸收劑。 [0029] 疋根據本發明—個實施方式的HGS賴光伏吸收劑和 上部電極層的齡結構的補像。如在剖視圖中 所示出的’使CIGS吸收劑形成有穿過吸收劑膜的厚度的 基本上以垂直柱狀形式延伸的良好生長的緊密顆粒。平 ^顆粒尺寸為約〇. 75微米,儘管由於在裂開處引入的假 不奋易從剖面圖像辨認。在—個具體實施方式中, 席=適田選擇含㈣射姊後續的濺射沉積條件以及反 ^熱處理條件,在薄臈前體材料中加人納物質基本上 的:二及收劑的最終顆粒結構。並且,吸收劑 級的二—個關鍵作用以改善薄膜太陽能電池模 。#換效率。當然’存在許多替換、變型和更改 [0030] 100113743 叫0疋不出了對於根 伏模組的記錄效率的:—個實施方式的樣品⑽光 ,樣品太陽能電特性曲線圖。在該實例中 化物⑽吸收劑材料 05ev能帶隙的銅銦鎵二砸 y材枓形成。在該圖中,將通過樣品太陽 表單編號A0] 01 第18頁/共4〇頁 10031; 201203576 [0031] [0032] Ο [0033]❸ [0034] 能電池產生的光電子電流相對於偏壓進行繪圖。而且將 電池功率(計算的)相對於電壓進行繪圖。基於該資料 和標準公式,能夠估算電池轉換效率”: Jsc.Voc-FF ~lin(AM1.5) 其中,JSC是電池的短路電流密度,voc是施加的開路偏 壓,FF是所謂的填充因數,其定義為最大功率點除以開 路電壓(VOC)和短路電流JSC的比值。對於這種裝置的 填充因數為0. 66。在標準測試條件[即,規定25。c的溫 度和利用氣體物質(air mass) 15 (AM 15)光譜的 1 000 W/m2輻照度的STC]下輸入光輻照度(pin,w/m2 )和太陽能電池的表面積(m2)。短路電流密度JSC推斷 為約33. 9 mA/cm2,而開路電壓測得為約〇. 55V。這對 於樣品裝置產生了約12. 3%的效率。 高效單結CIGS薄膜光伏電池能夠用於形成多結太陽能電 池模組的部件。尤其是,單結電池包括具有约! eV至!.卫 eV帶隙能量的CIGS基吸收劑。該單結電池適合作為能夠 連接至具有更寬頻隙的吸收劑的頂部裝置的底部裝置, 從而形成二結串聯電池。 圖7是示出了根據本發明一個實施方式的作為與頂部雙面 裝置連接的底部裝置的CIGS光伏電池用於形成串聯模組 的可選應用的簡化圖。如所示的,具有多結串聯電池結 構的模組300至少包括連接至底部裝置32〇的頂部裝置 310〇在一個實例中,頂部裝置31〇是包括pn結的雙面電 100113743 表單編號A0101 第19頁/共40頁 1003179624-0 201203576 池,其中吸收劑材料具有約1. 6至1. 9 eV以上的期望能 帶隙。雙面電池的結能夠通過具有類似能帶隙、合適光 透過率和良好導電性的透明導電氧化物(TC0)電極夾住 。這個結的帶隙優選允許太陽光光譜的“藍”帶301的光 吸收轉化成第一部分的光電子電流,同時允許太陽光光 譜的“紅”帶303穿過。然後,太陽光光譜的濾過的紅帶 303大多數能夠穿過透明上部電極到達底部裝置320的 CIGS吸收劑處,儘管對於這個光譜的一些百分比的光強 度已損失。如前所述的,CIGS吸收劑具有約0. 7至1. 1 eV的期望能帶隙。因此,該CIGS吸收劑能夠至少部分地 捕獲紅帶光303並轉化成第二部分的光電子電流。頂部裝 置310和底部裝置320中的每一個具有用於輸出光電子電 流的兩個電端子。取決於應用,該串聯模組能夠被構造 成4端子模組、3端子模組、或2端子模組,用於增大整體 轉換效率。當然,存在許多變型、替換和更改。隨著薄 膜沉積工藝、熱處理工藝、以及層壓工藝的持續改進, CIGS/CIS薄膜太陽能電池模組的光伏轉換效率能夠進一 步增大至14%或15%以上。 [0035] 在一個可替換的實施方式中,用於製造高效光伏模組的 方法包括層壓串聯模組,該串聯模組包含在底部裝置上 方連接的頂部裝置。圖8是示出了根據本發明一個實施方 式的層壓樣品CIGS光伏模組的俯視圖的示意圖。如所示 的,該層壓模組具有形狀因數為165 cmx65 cm的矩形形 狀。穿過頂蓋玻片,能夠看見多個條狀電池線圖案。層 .壓是在玻璃基板上形成並圖案化的多個薄膜光伏電池的 100113743 表單編號A0101 第20頁/共40頁 1003179624-0 201203576 完全單塊集成。因此,不需要傳統1x1電池的架線( stringing)、固定、加網、電池分選以及組裝或測試 的工藝。電池線圖案化在一系列薄膜工藝期間以一個或 多個對應步驟利用機械劃線或鐳射燒蝕技術實施。在形 成背電極層之後、或在形成CIGS吸收劑材料之後、以及 在形成上部電極層之後實施圖案化。這消除了在模組組 裝期間在傳統類型Si基模組中使用的許多互連或焊點。
[0036] 100113743 面板的尺寸和其他包裝細節對於應用具體PV項目能夠容 易地進行定制。例如,能夠採用相同的形狀因數和模組 層壓以形成具有與CIGS單結底部裝置連接的頂部裝置的 串聯光伏模組。在一個具體實施方式中,頂部-底部連接 材料能夠是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(聚乙烯醋酸乙烯酯 ,ethylene vinyl acetate),通常稱為EVA,聚醋 酸乙烯酯,通常稱為PVA等。連接能夠是電串聯使得能夠 提供更高電池電壓水準。或者連接能夠是電並聯使得通 過底部裝置轉化的第一電流加入到通過頂部裝置轉化的 第二電流中。所有這些優點有助於在大量生產薄膜光伏 模組中實現顯著改善的模組可靠性和顯著更窄的性能分 佈。 在一個具體實施方式中,本發明還提供了一種用於製造 高效薄膜光伏模組的方法。該方法包括提供具有約2英尺 以上長度乘約5英尺以上寬度的尺寸的基板。基板通常使 用玻璃如鈉鈣玻璃、丙浠酸玻璃、糖玻璃、專業 CorningTM玻璃、石英,以及甚至是塑膠等。165 cmx 65 cm的形狀因數是太陽能電池模組工業中可獲得的最大 表單編號A0101 第21頁/共40頁 1003179624-0 201203576 的之一。在一個或多個表面清潔工藝之後,該方法包括 形成覆蓋基板的表面區域的隔離材料。隔離材料可以是 利用物理氣相沉積、蒸發、或化學氣相沉積而沉積的氧 化矽的薄層。然後,該方法包括形成覆蓋隔離材料的導 電材料。導電材料能夠是金屬、金屬合金、導電氧化物 等,用於形成待形成的光伏模組的背電極。在一個實例 中,導電材料是利用濺射技術沉積的鉬。 [0037] 至此,所有薄膜材料能夠形成為覆蓋基板的所有表面區 域。然後,能夠穿過導電材料實施薄膜圖案化工藝。圖9 是根據本發明一個實施方式的具有多個圖案化條狀電池 的單結CIGS薄膜光伏模組的剖視圖和對應俯視圖的簡化 圖。提供玻璃基板900用於製造單結薄膜光伏模組。在基 板900的整個表面上形成導電材料910並實施圖案化工藝 以穿過導電材料910進行劃線,從而形成具有基本上相等 間距的多個線性溝槽912。這些溝槽912形成多個條狀區 域的邊界。例如,如圖9中所示,每個條狀區域導致形成 一個光伏電池。在一個具體實施方式中,利用一個機械 劃線器或多個劃線器劃過表面而形成電池溝槽,每隔 6. 1mm—個線性溝槽,並向下至稍大於導電材料910厚度 的深度,但不穿過在導電材料910下面形成的隔離材料( 未清楚地示出)。基本地,多個劃出的線性溝槽將基板 上的薄膜分成多個區域並且每個區域成為用於形成光伏 電池的基礎,且每個區域中保留的導電材料變為每個電 池的第一電極。 [0038] 另外,用於製造高效薄膜光伏模組的方法包括形成覆蓋 100113743 表單編號A0101 第22頁/共40頁 1003179624-0 201203576
—電池的第-電極的前體⑽。前體材料包括一個接 一個沉積的材料’包括含納材料、銅鎵合金材料、以及 銦材料。該方法進-步包括基於預定温度姐在至少包 含栖物質和硫物質的氣態環境中處理該前體材料。處理 工藝是用於將前體材料轉化成吸收劑材料的反應性熱退 火工藝。尤其是,包含鈉、銅、鎵和銦物質的前體材料 在處理期間與㈣質和/或硫物質進行反應,導致形成銅 銦鎵二栖化物化合物材料,其基本上具有多個柱狀黃銅 礦結晶顆粒的結構。該脑鎵二魏物化合物材料特徵 在於能帶隙為約i eV至u eV的p,電特性,這基本上 疋用於吸收至少-部分太陽光光譜的期望的光伏吸收劑 。整個吸收劑材料具有在前體沉積和反應性熱處理兩者 期間通過化學計量控制獲得的約u的優選Cu/(In+Ga) 組成比,這至少部分地蚊了輯_顆粒結構、電性 能、和光學性能。當然,可畴在許多變型、替換 及更改。 、 Ο闺此外,財法包卿錢蓋吸收騎料的_材料。緩 衝材料包含能帶隙比吸收劑材料更寬的n__性 基本上’覆蓋卜型吸收劑材料如-型緩衝 /成PU,其中的緩衝材料作為能鈞收 材:收的光子產生的電子的發齡在:個實例中 :::是::::浴沉積技術形成―•料 ,未清楚地-Φ 吸收劑材料薄得多。在圖9中 收績〇表1=樣^衝㈣並細結基本上通過玫 後,可以實施另—個圓案化 100113743 表單編號ΑΟίοι 第23瓦/共4〇 頁 1003179624-0 201203576 工藝以穿過緩衝材料和吸收劑材料進行劃線。第二多個 線性溝槽923分別在從第-多個線性溝槽912移動一個小 距離的位置處形成。該小距離基本上小於電池寬度。參 照圖9 ’每個第二溝槽923除去—部分的吸收劑人緩衡材料 ’從而允許填人導電材料用於—個電池與的電 連接。 [0040] 100113743 μW包括沉積覆蓋緩衝材料和第二多個線性 =槽的透明導電材脚。在—個實施方式中,沉積透明 …材料包括形成覆蓋緩衝材料的高電阻率透明材料以 :成具有ρ-型電特性的光伏窗口材料。在—種實施中, 二:電材料是推雜一些η_型雜質物質的氧化辞材料。 、實&方式巾’獄VD技術用於在緩衝材料上方 個或多個氧化鋅層。在該工藝過針,以受控流 :換:T燒氣體以精雜到氧化鋅層令。通過降低 。個/準第—氧化鋅層能夠是高電阻率透明材料。 二二地用作形成在光伏結材料(吸收劑和緩衝材 。—還且=電極材料之_良好歐姆接觸的物理隔離層 «層二、型之ΤΓ以用作包括緩衝材料的光伏 後氧化鋅材料能夠在相同MOCVD工蔽 下仁在顯者“__水準的肢下進 ^ :致形成具有顯著更低電阻率的透明導電材料:!二 此夠實施另-個圖案化工藝以穿過包括低和高電阻率透 明導電材料而刻劃有第三多個線性溝槽1001 、—溝槽10〇1從第二溝槽923進-步移動一個小 距離並且R樣基本上小於每個電池的側向尺寸。在通過 表單編號A0101 第24頁/共4〇頁 1003179624-0 201203576 線性溝槽1 001分開的每個電池區域内的透明導電材料的 剩餘部分成為該電池的第二電極或上部電極。每個電池 通過之前形成的在對應的第一溝槽912和第二溝槽923中 的連接材料彼此電連接,或者電串聯或並聯。 [0041] Ο 最後,如圖9中所示,將焊接材料1011或1021設置于覆 蓋在平行於條狀電池的每個邊緣區域附近的基板的導電 材料的暴露部分上方。相應地,在焊接工藝中將導電匯 流條或帶1010或1 020分別設置在焊接材料上方。導電匯 流條1010或1 020形成整個光伏模組的各個正極或負極電 引線。當然,存在許多變型、替換、和更改。例如,用 於製造薄膜光伏模組的方法可以進一步包括另外的電路 修整和模組包裝,包括經由連接材料連接至第二電極在 第二電極上方設置蓋玻片,其中連接材料選自乙烯-醋酸 乙稀酯共聚物(EVA)和聚醋酸乙稀S旨(PVA)。在另一 個實例中,所述方法可以包括對具有1 65cm以上長度、 65cm以上寬度的大尺寸基板(及蓋玻片)裝面板框架, ο 以及其他模组水準處理。在一個或多個實例中,根據本 發明的一個或多個實施方式形成的薄膜光伏模組通過以 優於15%以上的轉換效率將太陽光轉化成電而在發電中表 現出優異的性能。另一種可替換的工藝可以包括將剛形 成的單結光伏模組與構造成雙面模組的另一個模組連接 ,從而形成多結模組。 雖然上面已經根據具體實施方式進行了說明,但是可以 存在其他更改、替換、以及變型。應當理解,本文中描 述的實施例和實施方式僅出於說明的目的,並且本領域 100113743 表單編號A0101 第25頁/共40頁 1003179624-0 [0042] 201203576 技術人員會想到根據其的各種更改或變化,並且根據其 的各種更改或變化包括在本申請的精神和範圍以及所附 權利要求的範圍内。 【圖式簡單說明】 [0043] 圖1是示出了單結CIGS薄膜光伏電池結構的圖示; [0044] 圖2是示出了覆蓋背電極形成的薄膜前體材料的圖示; [0045] 圖3是示出了被處理用於製造光伏吸收劑材料的薄膜前體 材料的圖不, [0046] 圖4是示出了光伏吸收劑材料的形成的圖示; [0047] 圖5是CIGS薄膜光伏吸收劑和上部電極ZnO層的顆粒結構 的SEM圖像; [004δ] 圖6是示出了樣品CIGS光伏模組的效率的IV特性曲線圖; [0049] 圖7是示出了根據本發明一個實施方式的作為與頂部雙面 裝置連接的底部裝置的CIGS光伏電池用於形成串聯模組 的可選應用的簡化圖; [0050] 圖8是示出了層壓樣品CIGS光伏模組的俯視圖的示意圖; [0051] 圖9是單結CIGS薄膜光伏模組的電池結構的剖視圖和對應 俯視圖的簡化圖。 【主要元件符號說明】 [0052] 100 基板 [0053] 1 0 1表面區域 [0054] 1 0 3隔離材料 100113743 表單編號A0101 第26頁/共40頁 1003179624-0 201203576
[0055] 106 第一鉬層 [0056] 108 第二鉬層 [0057] 110 V 光伏吸收劑材料 [0058] 120 缓衝材料 [0059] 130 透明導電材料 [0060] 131 高電阻下層 [0061] 132 低電阻上層 [0062] 200 玻璃基板 [0063] 210 隔離材料 - [0064] 220 背電極 [0065] 230 光伏吸收劑材料 [0066] 231 含納材料 [0067] 232 銅鎵合金材料 [0068] 233 銦材料 [0069] 300 受熱處理 [0070] 301 光譜藍帶 [0071] 303 光譜紅帶 [0072] 310 頂部裝置 [0073] 320 底部裝置 100113743 表單編號A0101 第27頁/共40頁 1003179624-0 201203576 [0074] 900玻璃基板 [0075] 91 0導電材料 [0076] 912 溝槽 [0077] [0078] [0079] [0080] [0081] [0082] [0083] 9 2 0吸收劑 923第二溝槽 1001線性溝槽 1010導電匯流條或帶 1011焊接材料 1 020導電匯流條或帶 1021焊接材料 100113743 表單編號A0101 第28頁/共40頁 1003179624-0

Claims (1)

  1. 201203576 七、申請專利範圍: 1 . 一種高效薄膜光伏模組,包括:A)基板,具有其中長度 為約2英尺以上和寬度為約5英尺以上的表面;B)多個條 狀光伏電池’彼此電連接並且橫跨所述寬度一個接一個地 平行于所述長度物理設置,每個電池包括:bl )覆蓋所述 表面的隔離材料;b2)覆蓋所述隔離材料的第一電極; b3)形成為覆蓋所述第一電極的吸收劑,所述吸收劑包含 特徵在於能帶隙為約1 eV至1.1 eV的銅鎵銦二砸化物化 0 合物材料;b4)覆蓋所述吸收劑的緩衝材料;和b5) 雙層氧化鋅(ZnO )材料,包括覆蓋所述緩衝材料的高電 阻率透明層和覆蓋所述高電阻率透明層的低電阻率透明層 ,其中結合所述高電阻率透明層的所述緩衝材料包含用於 收集通過所述光伏吸收劑轉化的光電子的光伏視窗材料, 並且所述低電阻率透明層形成第二電極;以及c)沿所述 長度在所述基板的每個邊緣區域附近在所述第一電極上分 別形成的第一電引線和第二電引線。 〇 2 .依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組,其中,所述 基板包含選自鈉鈣玻璃、丙烯酸玻螭、糖玻璃、專業 CorningTM玻璃、石英、和塑膠的材料^ 3. 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組,其中,所述 _材料包含選自氧切、氧她、氮钱、氮切、氧 化组和氧化錄的介電材料。 4. 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組,其中,所述 光伏吸收劑通過在至少包括帅硫物質的氣態環境中利用 熱晒化和硫化工藝來處理前體而形成,所述前體包括含納 100113743 表單編號A0101 第29頁/共40頁 1003179624-0 201203576 ίο 11 100113743 材料、銅鎵合金材料和銦材料。 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組’其中 光伏吸收劑包括具有約0.75 的平均 、,所述 碩校尺寸'約0C 的Cu/(In + Ga)組成比、以及n_型半導 構。 特14的黃鋼礦結 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組, 第—電極包含選自鋁、金、銀、鉬、硒化鉬 和透明導電氡化物的導電材料。 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組, 緩衝材料包含硫化鎘(CdS)層。 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模 ρ ' 4·' 光伏視窗材料包括利用金屬有機化學氣相沉積工蓺妒成 具有約〇.2微米的特徵尺寸和p —型半導體特性的棱錐Z 構。 ’ 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組, 访一 ^、中,所: 一電極包括利用金屬有機化學氣相沉積工藝形成的 1 電阻率、具有約〇 2微米特徵尺寸的棱錐, 結構的表面特性、以及對於從63〇 , = nm範圍内 波長至少90%的光透過率。 依申請專利範ϋ第1項所述的薄膜光伏模組 所述緩衝材料的所述高電阻率透明層包括卩丨起在戶、、“ 視®材料與所述第二電極之間形成歐姆接觸的⑽至= m Ω · cm的電阻率。 依申請專利範圍第!項所述的薄膜絲模組,其中 多個條狀光伏電池中的每一個包括側向尺寸為約6, 和長度基本上等於所述基板的長度的光伏轉化區 表單編號_1 第30頁/共40頁 其中,所述 它們的組舍 其中 所述
    其中
    1003179624-0 201203576 12 ·依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組其中,所述 第一電引線和所述第二電引線中的每一個包括焊接在覆蓋 所述第一電極連接的銦銀合金接觸部上的鋼匯流條。 13 14 15 依申請專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組,進—步包括 經由選自乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和聚醋酸乙烯 8曰(PVA)的連接材料而連接至所述第二電極的蓋玻片。 依申4專利範圍第1項所述的薄膜光伏模組,進一步包括 從12%至1 5%以上範圍内的NREL校準的光伏轉換效率。 0 一種用於製造高效薄膜光伏模組妁方法,所述方法包括· 提供具有約2英尺以上長度乘約5英尺以上寬度的尺寸的基 板;形成覆蓋所述基板的隔離材料;形成覆蓋所述隔離材 料的導電材料;以基本上相等的間隔穿過所述導電材料進 行劃線以形成多個條狀電池,在每個條狀電池内留下 述導電材料構成第-電極;形成覆蓋所述第—電極的前體 材料,所述前體材料包括含納材料、銅鎵合金材料和鋼材 料;基於預定溫度曲線,在至少包含轉質和硫物質的氣 Q 態、環境中處理所述前體材料,以形成特徵在於具有約丨 eV至1. 1 eV能帶隙的p-型電特性和約〇9的(^/(“^ 比的吸收劑材料;形成覆蓋具有所述p_型特性的所:及: 劑材料的具有η-型特性的緩衝材料,以形成卯結; 化所述吸收劑材料和所述緩衝材料,用於將每個條^二 與相鄰條狀電池進行連接;形成覆蓋所述緩衝材料的高電 阻率透明材料;形成覆蓋所述高電阻率透明材料的、= 電材料;以及圖案化所述透明導電材料、所述緩衝=導 及所述吸收劑材料,以形成用於每個條狀電池的第二電 極 100113743 表單煸號Α0101 第31頁/共40頁 1003179624-0 201203576 16 .依申請專利範圍第15項所述的方法,進一步包括在所述基 板的一個邊緣附近附著至少一個導電帶,以與作為所述薄 膜光伏模組的正極或負極的所述第一電極或所述第二電極 連接。 17 .依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述基板包含 選自鈉約玻璃、丙稀酸玻璃、糖玻璃、專業CorningTM玻 璃、石英、和塑膠的材料。 18.依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述隔離材料 包含選自氧化矽、氧化鋁、氮化鈦、氮化矽、氧化钽和氧 化鍅的介電材料。 19 .依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述形成第一 電極包括利用濺射技術沉積鉬,以分別在拉伸應變和壓縮 應變下形成覆蓋所述隔離材料的雙層結構。 20 .依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述形成覆蓋 所述第一電極的前體包括分別在包含與銅和鎵物質混合的 Na2Se03化合物的第一靶裝置、包含銅鎵合金的第二靶裝 置、以及包含基本上純的銦的第三靶裝置上方,利用濺射 技術實施薄膜沉積。 21 .依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述圖案化所 述第一電極以形成多個條狀電池包括將所述基板分成多個 光伏轉化區域,每個所述光伏轉化區域具有約6.1 mm的 側向尺寸和基本上等於所述基板的所述長度的長度。 22.依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述形成緩衝 材料包括利用化學浴沉積技術來沉積硫化鎘材料。 23 .依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述形成高電 阻率透明材料包括實施化學氣相沉積工藝以形成特徵在於 100113743 表單編號 A0101 第 32 頁/共 40 頁 1003179624-0 201203576 電阻率為102至104 ιηΩ .cm以及對於從630 nm至750 nm範圍内的波長透光度為至少約90%的摻雜有少量硼的氧 化鋅層。 24 . 依申請專利範圍第15項所述的方法,其中,所述形成透明 導電材料包括實施化學氣相沉積工藝以形成摻雜有大量硼 的氧化鋅層,其特徵在於,在整個所述層中的棱錐狀結構 具有幾個mD.cm的電阻率以及對於從630 nm至750 nm 範圍内的波長至少約90%的透光度。 Ο ❹ 100113743 表單編號A0101 第33頁/共40頁 1003179624-0
TW100113743A 2010-04-21 2011-04-20 Single junction CIGS/CIS solar module TW201203576A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US32631510P 2010-04-21 2010-04-21
US13/086,135 US20110259395A1 (en) 2010-04-21 2011-04-13 Single Junction CIGS/CIS Solar Module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201203576A true TW201203576A (en) 2012-01-16

Family

ID=44814739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100113743A TW201203576A (en) 2010-04-21 2011-04-20 Single junction CIGS/CIS solar module

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110259395A1 (zh)
CN (1) CN102412315A (zh)
DE (1) DE102011018268A1 (zh)
TW (1) TW201203576A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104205355A (zh) * 2012-01-19 2014-12-10 纳沃萨恩公司 光伏电池的保护涂层
TWI500171B (zh) * 2012-11-20 2015-09-11 Toshiba Kk 光電變換元件及太陽能電池
US9520530B2 (en) 2014-10-03 2016-12-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Solar cell having doped buffer layer and method of fabricating the solar cell

Families Citing this family (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9105776B2 (en) 2006-05-15 2015-08-11 Stion Corporation Method and structure for thin film photovoltaic materials using semiconductor materials
US8071179B2 (en) 2007-06-29 2011-12-06 Stion Corporation Methods for infusing one or more materials into nano-voids if nanoporous or nanostructured materials
US8759671B2 (en) 2007-09-28 2014-06-24 Stion Corporation Thin film metal oxide bearing semiconductor material for single junction solar cell devices
US8187434B1 (en) 2007-11-14 2012-05-29 Stion Corporation Method and system for large scale manufacture of thin film photovoltaic devices using single-chamber configuration
US8772078B1 (en) 2008-03-03 2014-07-08 Stion Corporation Method and system for laser separation for exclusion region of multi-junction photovoltaic materials
US8642138B2 (en) * 2008-06-11 2014-02-04 Stion Corporation Processing method for cleaning sulfur entities of contact regions
US8003432B2 (en) 2008-06-25 2011-08-23 Stion Corporation Consumable adhesive layer for thin film photovoltaic material
US9087943B2 (en) 2008-06-25 2015-07-21 Stion Corporation High efficiency photovoltaic cell and manufacturing method free of metal disulfide barrier material
US20100180927A1 (en) * 2008-08-27 2010-07-22 Stion Corporation Affixing method and solar decal device using a thin film photovoltaic and interconnect structures
US7855089B2 (en) 2008-09-10 2010-12-21 Stion Corporation Application specific solar cell and method for manufacture using thin film photovoltaic materials
US7863074B2 (en) 2008-09-30 2011-01-04 Stion Corporation Patterning electrode materials free from berm structures for thin film photovoltaic cells
US7947524B2 (en) 2008-09-30 2011-05-24 Stion Corporation Humidity control and method for thin film photovoltaic materials
US8425739B1 (en) 2008-09-30 2013-04-23 Stion Corporation In chamber sodium doping process and system for large scale cigs based thin film photovoltaic materials
US8383450B2 (en) 2008-09-30 2013-02-26 Stion Corporation Large scale chemical bath system and method for cadmium sulfide processing of thin film photovoltaic materials
US8741689B2 (en) 2008-10-01 2014-06-03 Stion Corporation Thermal pre-treatment process for soda lime glass substrate for thin film photovoltaic materials
US8168463B2 (en) 2008-10-17 2012-05-01 Stion Corporation Zinc oxide film method and structure for CIGS cell
US8507786B1 (en) 2009-06-27 2013-08-13 Stion Corporation Manufacturing method for patterning CIGS/CIS solar cells
US8398772B1 (en) 2009-08-18 2013-03-19 Stion Corporation Method and structure for processing thin film PV cells with improved temperature uniformity
US8809096B1 (en) 2009-10-22 2014-08-19 Stion Corporation Bell jar extraction tool method and apparatus for thin film photovoltaic materials
US8859880B2 (en) 2010-01-22 2014-10-14 Stion Corporation Method and structure for tiling industrial thin-film solar devices
US9096930B2 (en) 2010-03-29 2015-08-04 Stion Corporation Apparatus for manufacturing thin film photovoltaic devices
US8461061B2 (en) 2010-07-23 2013-06-11 Stion Corporation Quartz boat method and apparatus for thin film thermal treatment
KR20120012325A (ko) * 2010-07-30 2012-02-09 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
US8906732B2 (en) * 2010-10-01 2014-12-09 Stion Corporation Method and device for cadmium-free solar cells
US8628997B2 (en) 2010-10-01 2014-01-14 Stion Corporation Method and device for cadmium-free solar cells
US8728200B1 (en) 2011-01-14 2014-05-20 Stion Corporation Method and system for recycling processing gas for selenization of thin film photovoltaic materials
US8998606B2 (en) 2011-01-14 2015-04-07 Stion Corporation Apparatus and method utilizing forced convection for uniform thermal treatment of thin film devices
US8436445B2 (en) 2011-08-15 2013-05-07 Stion Corporation Method of manufacture of sodium doped CIGS/CIGSS absorber layers for high efficiency photovoltaic devices
KR101305880B1 (ko) * 2011-10-13 2013-09-09 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
JP5904361B2 (ja) * 2011-12-01 2016-04-13 ソーラーフロンティア株式会社 Cis系薄膜太陽電池、及びその製造方法
KR101338610B1 (ko) * 2011-12-19 2013-12-06 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
DE102012205375A1 (de) * 2012-04-02 2013-10-02 Robert Bosch Gmbh Mehrschicht-Rückelektrode für eine photovoltaische Dünnschichtsolarzelle, Verwen-dung der Mehrschicht-Rückelektrode für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen und -modulen, photovoltaische Dünnschichtsolarzellen und -module enthaltend die Mehrschicht-Rückelektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung photovoltaischer Dünnschichtsolarzellen und -module
DE102012205978A1 (de) * 2012-04-12 2013-10-17 Robert Bosch Gmbh Photovoltaische Dünnschichtsolarmodule sowie Verfahren zur Herstellung solcher Dünnschichtsolarmodule
US9246039B2 (en) 2012-10-12 2016-01-26 International Business Machines Corporation Solar cell with reduced absorber thickness and reduced back surface recombination
CN104813482B (zh) * 2012-11-09 2017-12-19 纳米技术有限公司 用于cigs光伏器件的钼基材
EP3000131B1 (fr) * 2013-05-23 2020-09-09 Garmin Switzerland GmbH Mono cellule photovoltaïque semi-transparente en couches minces
CN103325867A (zh) * 2013-06-18 2013-09-25 天津理工大学 一种基于复合衬底的铜铟镓硒薄膜及其制备方法
KR20150045309A (ko) * 2013-10-18 2015-04-28 엘지이노텍 주식회사 태양전지 모듈
KR102356696B1 (ko) * 2015-07-03 2022-01-26 삼성전자주식회사 유기 광전 소자 및 이미지 센서
AT518340B1 (de) * 2016-02-26 2020-04-15 Sfl Tech Gmbh Glasmodul, Gebäude mit zumindest einem Glasmodul sowie Verfahren zur Herstellung eines Glasmoduls
TWI590475B (zh) 2016-06-17 2017-07-01 財團法人工業技術研究院 堆疊型太陽能電池模組
US10741713B2 (en) 2016-11-17 2020-08-11 Ubiquitous Energy, Inc. Single cell photovoltaic module
CN106684184B (zh) * 2017-01-04 2018-04-10 浙江尚越新能源开发有限公司 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池窗口层及其制备方法
CN106685355A (zh) * 2017-02-10 2017-05-17 成都聚立汇信科技有限公司 一种光伏光热一体化装置
CN114171640B (zh) * 2021-11-25 2024-03-01 泰州锦能新能源有限公司 一种铜铟镓硒太阳能电池的制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4612411A (en) * 1985-06-04 1986-09-16 Atlantic Richfield Company Thin film solar cell with ZnO window layer
US20090111206A1 (en) * 1999-03-30 2009-04-30 Daniel Luch Collector grid, electrode structures and interrconnect structures for photovoltaic arrays and methods of manufacture
JP2001267611A (ja) * 2000-01-13 2001-09-28 Sharp Corp 薄膜太陽電池及びその製造方法
FR2820241B1 (fr) * 2001-01-31 2003-09-19 Saint Gobain Substrat transparent muni d'une electrode
JP2007012976A (ja) * 2005-07-01 2007-01-18 Honda Motor Co Ltd 太陽電池モジュール
US20070044832A1 (en) * 2005-08-25 2007-03-01 Fritzemeier Leslie G Photovoltaic template
JP4918247B2 (ja) * 2005-10-31 2012-04-18 昭和シェル石油株式会社 Cis系薄膜太陽電池モジュール及びその製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104205355A (zh) * 2012-01-19 2014-12-10 纳沃萨恩公司 光伏电池的保护涂层
TWI500171B (zh) * 2012-11-20 2015-09-11 Toshiba Kk 光電變換元件及太陽能電池
US9520530B2 (en) 2014-10-03 2016-12-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Solar cell having doped buffer layer and method of fabricating the solar cell
TWI611591B (zh) * 2014-10-03 2018-01-11 台灣積體電路製造股份有限公司 形成緩衝層之方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20110259395A1 (en) 2011-10-27
CN102412315A (zh) 2012-04-11
DE102011018268A1 (de) 2011-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201203576A (en) Single junction CIGS/CIS solar module
JP5379845B2 (ja) 薄膜太陽電池モジュール
JP6071690B2 (ja) 太陽電池
US20120204939A1 (en) Structure and Method for High Efficiency CIS/CIGS-based Tandem Photovoltaic Module
TW201001721A (en) Method for obtaining high performance thin film devices deposited on highly textured substrates
JP2011155237A (ja) 化合物薄膜太陽電池、化合物薄膜太陽電池の製造方法、および化合物薄膜太陽電池モジュール
JP2009503848A (ja) 組成傾斜光起電力デバイス及び製造方法並びに関連製品
WO2010107705A1 (en) Tandem photovoltaic cell and method using three glass substrate configuration
JP2000058887A (ja) 統一性の高いインタコネクトと二重層接点とを備えた薄膜光起電力モジュ―ルの製造
WO2009149204A1 (en) High efficiency photovoltaic cell and manufacturing method
WO2011075461A1 (en) Photovoltaic device back contact
Chu et al. Semi-transparent thin film solar cells by a solution process
CN104115283B (zh) 太阳能电池模块及其制造方法
JP5232362B2 (ja) 集積化薄膜光電変換装置の製造方法および、その製造方法で得られうる集積化薄膜光電変換装置。
US20120285508A1 (en) Four terminal multi-junction thin film photovoltaic device and method
KR101484620B1 (ko) 실리콘 태양전지
KR101474487B1 (ko) 박막형 태양전지 및 그 제조방법
WO2012058454A1 (en) Photovoltaic module substrate
KR101210110B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
Compaan The status of and challenges in CdTe thin-film solar-cell technology
JP4441298B2 (ja) 光電変換装置およびその製造方法
JP2014049652A (ja) 光起電力装置
KR101327010B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101281330B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
TWI443840B (zh) 四元化合物薄膜及其製作方法