CN102453863B - 溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法 - Google Patents

溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102453863B
CN102453863B CN201110356243.5A CN201110356243A CN102453863B CN 102453863 B CN102453863 B CN 102453863B CN 201110356243 A CN201110356243 A CN 201110356243A CN 102453863 B CN102453863 B CN 102453863B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
cadmium
telluride
sputtering
cadmium sulfide
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.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110356243.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102453863A (zh
Inventor
R·D·戈斯曼
S·D·费尔德曼-皮博迪
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.)
Primestar Solar Inc
Original Assignee
Primestar Solar 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
Application filed by Primestar Solar Inc filed Critical Primestar Solar Inc
Publication of CN102453863A publication Critical patent/CN102453863A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102453863B publication Critical patent/CN102453863B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0623—Sulfides, selenides or tellurides
    • C23C14/0629—Sulfides, selenides or tellurides of zinc, cadmium or mercury
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0057—Reactive sputtering using reactive gases other than O2, H2O, N2, NH3 or CH4
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5846—Reactive treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/0248—Semiconductor 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
    • H01L31/036—Semiconductor 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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor 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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H01L31/03925—Semiconductor 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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate including AIIBVI compound materials, e.g. CdTe, CdS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/04—Semiconductor 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
    • H01L31/06—Semiconductor 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
    • H01L31/072—Semiconductor 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
    • H01L31/073—Semiconductor 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 comprising only AIIBVI compound semiconductors, e.g. CdS/CdTe solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法。大体上提供在衬底(12)上溅射硫化镉层(18)的方法。该硫化镉层(18)可以在溅射气氛中从靶(64)溅射在衬底(12)上，其中该靶(64)包括按重量约75％至约100％的镉，并且其中该溅射气氛包括含硫的源气体。该硫化镉层(18)可以在形成碲化镉薄膜光伏器件(10)的方法中使用。

Description

溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法
技术领域
本文公开的主旨大体上涉及硫化镉薄膜层和它们的沉积方法。更具体地，本文公开的主旨涉及用于在碲化镉薄膜光伏器件中使用的硫化镉层和它们的制造方法。
背景技术
基于作为光敏部件的与硫化镉(CdS)配对的碲化镉(CdTe)的薄膜光伏(PV)模块(也称为“太阳能电池板”)在行业内获得广泛认可和关注。CdTe是具有特别适合于将太阳能转换为电力的特性的半导体材料。例如，CdTe具有约1.45eV的能量带隙，其使它与过去在太阳能电池应用中使用的较低带隙的半导体材料(例如，对于硅，约1.1eV)相比能够从太阳能光谱转换更多的能量。同样，与较低带隙的材料相比，CdTe转换处于较低或漫射光状态的辐射能，从而与其他常规材料相比，在白天过程或多云状况下具有更长的有效转换时间。当CdTePV模块暴露于例如日光等光能时，n型层和p型层的结一般负责电势和电流的产生。具体地，碲化镉(CdTe)层和硫化镉(CdS)层形成p-n异质结，其中CdTe层充当p型层(即，正的电子接受层)并且CdS层充当n型层(即，负的电子供给层)。
硫化镉层是光伏器件中的“窗口层”，因为光能通过它进入碲化镉层。然而，从硫化镉靶溅射硫化镉层是昂贵的过程，并且一般低效地使用源材料。
存在需要采用更具成本效益的方式溅射硫化镉层并且产生大致上均一的硫化镉层的方法(特别是在碲化镉薄膜光伏器件的商业规模的制造过程中)。
发明内容
本发明的方面和优势将在下列说明中部分阐述，或可通过该说明明显可见，或可通过本发明的实践学习。
大体上提供在衬底上溅射硫化镉层的方法。该硫化镉层可以在溅射气氛中从靶溅射在衬底上，其中该靶包括按重量约75％至约100％的镉，并且其中该溅射气氛包括含硫的源气体。该硫化镉层可以在形成碲化镉薄膜光伏器件的方法中使用。
本发明的这些和其他特征、方面和优势将参照下列说明和附上的权利要求变得更好理解。包含在本说明书中并且构成其一部分的附图图示本发明的实施例并且与描述一起服务于解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域内技术人员的本发明的完全和使能公开(包括其最佳模式)在该说明书中阐述，其参照附图，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的示范性碲化镉薄膜光伏器件的剖视图的一般示意图；
图2示出根据本发明的一个实施例的示范性DC溅射腔的剖视图的一般示意图；
图3示出制造包括碲化镉薄膜光伏器件的光伏模块的示范性方法的流程图；
在本说明书和图中标号的重复使用意在代表相同或类似的特征或元件。
部件列表
10 光伏器件 12 玻璃
14 透明传导氧化物层 16 高阻透明缓冲层
18 硫化镉层 20 碲化镉层
22 背接触层 24 封装玻璃
30 示范性方法 32 步骤
34 步骤 36 步骤
38 步骤 40 步骤
42 步骤 44 步骤
46 步骤 48 步骤
60 腔 62 电源
64 阴极 66 顶支架
67 底支架 68 电线
69 电线 70 等离子体场
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在图中图示。每个示例以说明本发明的方式而非限制本发明的方式来提供。实际上，在本发明中可以做出各种修改和变化而不偏离本发明的范围或精神对于本领域内技术人员将是明显的。例如，图示或描述为一个实施例的一部分的特征可以与另一个实施例一起使用以产生再另外的实施例。从而，意在本发明涵盖这样的修改和变化，它们落在附上的权利要求和它们的等同物的范围内。
在本公开中，当层描述为在另一层或衬底“上”或“之上”时，要理解这些层可以直接互相接触或在这些层之间具有另一层或特征。从而，这些术语简单地描述这些层互相之间的相对位置并且不必定意味“在顶部”，因为在上面或下面的相对位置取决于器件对观察者的取向。另外，尽管本发明不限于任何特定的膜厚度，描述光伏器件的任何膜层的术语“薄”一般指膜层具有小于约10微米(“微米”或“μm”)的厚度。
要理解本文提到的范围和极限包括位于规定极限内的所有范围(即，子范围)。例如，从约100至约200的范围也包括从110至150、170至190、153至162和145.3至149.6的范围。此外，高达约7的极限也包括高达约5、高达3和高达约4.5的极限以及该极限内的范围，例如从约1至约5和从约3.2至约6.5等。
一般而言，公开用于在含硫的溅射气氛中从含镉的金属靶溅射硫化镉层到衬底上的方法，特别是那些包括在基于碲化镉的薄膜光伏器件中的硫化镉层。这些溅射方法可以采用成本有效的方式在该衬底上产生大致上均匀的硫化镉层。
用于溅射薄膜层的金属靶一般包括例如具有约75摩尔％至100摩尔％(例如约90摩尔％至100摩尔％等)镉含量等的镉。在一个实施例中，金属靶可以基本上由镉(即，大致上没有其他金属)组成。如本文使用的，术语“大致上没有”意思是不超过不显著痕量存在，并且包含完全没有(例如，0摩尔％直到0.0001摩尔％)。在一个实施例中，靶可以大致上没有硫。
溅射气氛一般包括向在衬底上形成的硫化镉层提供硫的含硫的源气体。该硫气源可以是含硫原子的任何适合的气体、例如硫气(S2)、硫化氢(H2S)、二硫化碳(CS2)、六氟化硫(SF6)、二氯化硫(SCl2)、二甲基硫醚(S(CH3)2)、链烷硫醇(alkanethiols)、硫醚或其混合物等。然而，在某些实施例中，溅射气氛可以大致上没有氟和/或氯，例如大致上没有卤化物等。这些卤化物可以通过腐蚀制造设备并且向沉积层中提供不期望的包含物而引发不良的制造问题。另外或备选地，溅射气氛可以大致上没有碳(其可以对沉积硫化镉层提供复杂情况)。
溅射气氛可以包括按体积约25％至100％(例如按体积约50％至100％等)的量的含硫的源气体。惰性气体(例如，氩)也可以包括在溅射气氛中。
溅射气氛还可以包括消耗从含硫源气体分解中产生的任何副产品材料的吸杂剂。该吸杂剂可以是氧气(O2)、氢气(H2)或其他适合的剂或其混合物。例如，该吸杂剂可以包括在溅射气氛中且具有按体积多达约25％(例如按体积约1％至约20％等)。同样，溅射气氛中氧的包含可以添加氧进入硫化镉层，这可以引起光学带隙偏移以包括更高的能量辐射(例如蓝和紫外辐射等)。从而，包含氧的硫化镉层可以允许更多的光进入碲化镉层用于转换成电流，导致更高效的光伏器件。例如，溅射气氛可以包含按体积约25％至约95％(例如，约50％至约85％)的量的含硫源气体和按体积约1％至25％(例如，约5％至约15％)的吸杂量的吸杂剂(氧气)。
溅射沉积一般牵涉从靶(其是材料源)喷出材料并且沉积喷出的材料到衬底上以形成膜。DC溅射一般牵涉施加直流到置于溅射腔内的衬底(即，阳极)附近的金属靶(即，阴极)以形成直流放电。该溅射腔可以具有反应气氛(例如，除氧、氮之外还包含硫)，其在金属靶和衬底之间形成等离子体场。其他惰性气体(例如，氩等)也可存在。对于磁控溅射，反应气氛的压强可以在约1毫托和约20毫托之间。对于二极管溅射，压强可以甚至更高(例如，从约25毫托至约100毫托)。当施加电压，金属原子从靶释放时，金属原子沉积到衬底的表面上。例如，当气氛包含氧时，从金属靶释放的金属原子可以在衬底上形成金属氧化物层。施加到源材料的电流可以根据源材料的大小、溅射腔的大小、衬底的表面积的量和其他变量而变化。在一些实施例中，施加的电流可以从约2安培至约20安培。相反地，RF溅射牵涉通过在靶(例如，陶瓷源材料)和衬底之间施加交流(AC)或射频(RF)信号激发电容放电。溅射腔可以具有惰性气氛(例如，氩气氛)，这对于磁控溅射可或可以不包含具有在约1毫托至约20毫托之间的压强的反应物种(例如，氧、氮等)。再次，对于二极管溅射，压强可以甚至更高(例如，从约25毫托至约100毫托)。
图2示出作为根据本发明的一个实施例的示范性DC溅射腔60的剖视图的一般示意图。DC电源62配置成控制并且供应DC电力给腔60。如示出的，该DC电源施加电压于阴极64以在阴极64和由腔壁形成的阳极之间形成电压电势，使得衬底处于阴极和阳极之间。玻璃衬底12分别经由电线68和69支撑在顶支架66和底支架67之间。一般，玻璃衬底12放置在溅射腔60内使得硫化镉层18在面对阴极64的表面上形成，并且如下文论述的，一般在TCO层14和RTB层16(未示出)上形成。
一旦激发溅射气氛，等离子体场70就形成，并且响应于在阴极64和充当阳极的腔壁之间的电压电势而被持续。电压电势引起等离子体场70内的等离子体离子朝阴极64加速，引起来自阴极64的原子朝玻璃衬底12上的表面喷射。如此，阴极64可以称为“靶”并且充当用于在面对阴极64的玻璃衬底12的表面上形成硫化镉层18的源材料。为了形成硫化镉层，阴极64可以是例如如上文论述的镉等的金属合金靶。因为溅射气氛包含含硫源气体，等离子体场70的硫微粒可以与喷出的靶原子(即，镉原子)反应以在衬底12上形成硫化镉层18。
尽管仅示出单个DC电源62，电压电势可以通过使用耦合在一起的多个电源实现。另外，示范性溅射腔60示出具有竖直取向，但可以利用任何其他配置。离开溅射腔60后，衬底12可以进入邻近的退火炉(未示出)以开始退火过程。
可以在利用硫化镉层的任何膜叠层的形成中利用目前提供的溅射硫化镉层的方法。例如，该硫化镉层可以在利用碲化镉层的任何碲化镉器件的形成期间使用，例如在美国公开号2009/0194165中公开的Murphy等人的题为“Ultra-highCurrentDensityCadmiumTelluridePhotovoltaicModules”的碲化镉薄膜光伏器件中等。
图1代表可以根据本文描述的方法形成的示范性碲化镉薄膜光伏器件10。图1的示范性器件10包括作为衬底采用的玻璃顶板12。在该实施例中，玻璃12可以称为“顶衬板(superstrate)”，因为它是后续层在其上形成的衬底，但当使用碲化镉薄膜光伏器件10时它面向上朝辐射源(例如，太阳)。玻璃顶板12可以是高透射玻璃(例如，高透射硼硅酸盐玻璃)、低铁浮法玻璃或其他高度透明的材料。该玻璃一般足够厚以便为后续膜层提供支撑(例如，从约0.5mm至约10mm厚)，并且大致上平坦以提供良好表面以用于形成后续膜层。在一个实施例中，玻璃12可以是含有少于按重量约0.015％铁(Fe)的低铁浮法玻璃，并且在感兴趣光谱中(例如，从约300nm至约900nm的波长)可具有约0.9或更大的透射率。在另一个实施例中，可利用硼硅酸盐玻璃以便更好地耐受高温处理。
透明传导氧化物(TCO)层14在图1的示范性器件10的玻璃12上示出。该TCO层14允许光最小吸收地通过同时还允许由器件10产生的电流从旁边传导到不透明金属导体(未示出)。例如，该TCO层14可以具有小于约每平方30欧姆的薄层电阻，例如从约每平方4欧姆至约每平方20欧姆(例如，从约每平方8欧姆至约每平方15欧姆)等。在某些实施例中，该TCO层14可以具有在约0.1μm和约1μm之间的厚度，例如从约0.1μm至约0.5μm，例如从约0.25μm至约0.35μm等。
高阻透明缓冲层(resistivetransparentbufferlayer)16(RTB层)示出为在示范性碲化镉薄膜光伏器件10上的TCO层14上。该RTB层16一般比TCO层14电阻更大并且可以帮助保护器件10在器件10的加工期间防止TCO层14和后续层之间的化学相互作用。例如，在某些实施例中，该RTB层16可以具有大于约每平方1000欧姆的薄层电阻，例如从约每平方10千欧姆至约每平方1000兆欧姆。该RTB层16还可以具有宽光学带隙(例如，大于约2.5eV，例如从约2.7eV至约3.0eV等)。
不希望被特别的理论束缚，认为RTB层16在TCO层14和硫化镉层18之间的存在可以通过降低界面缺陷(即，在硫化镉层18中的“针孔”)的可能性(该界面缺陷在TCO层14和碲化镉层20之间形成分流)而允许在器件10中包含相对薄的硫化镉层18。从而，认为RTB层16允许TCO层14和碲化镉层20之间具有改进的粘附力和/或相互作用，由此允许相对薄的硫化镉层18在其上形成而没有显著的不利影响，否则由于直接在TCO层14上形成的这样的相对薄的硫化镉层18会引起该不利影响。
RTB层16可以包含例如氧化锌(ZnO)和氧化锡(SnO2)的组合，其可以称为氧化锌锡层(“ZTO”)。在一个特别实施例中，RTB层16可以包含比氧化锌更多的氧化锡。例如，RTB层16可以具有这样的成分，其中ZnO/SnO2的化学计量比在约0.25和约3之间、例如按氧化锡比氧化锌的约一比二(1∶2)的化学计量比等。RTB层16可以通过溅射、化学气相沉积、喷雾热解或任何其他合适的沉积方法形成。在一个特别实施例中，RTB层16可以通过在TCO层14上溅射(例如，DC溅射或RF溅射)形成(如在下文关于硫化镉层18的沉积更详细地论述的)。例如，RTB层16可以使用DC溅射方法、通过在氧化气氛(例如，O2气体)的存在下施加DC电流到金属源材料(例如，元素锌、元素锡或其混合物)和溅射该金属源材料到TCO层14上来沉积。当该氧化气氛包括氧气(即，O2)时，气氛可以是大于约95％的纯氧，例如大于约99％等。
在某些实施例中，RTB层16可以具有在约0.075μm和约1μm之间的厚度，例如从约0.1μm至约0.5μm。在特别实施例中，RTB层16可以具有在约0.08μm和约0.2μm之间的厚度，例如从约0.1μm至约0.15μm。
硫化镉层18在图1的示范性器件10的RTB层16上示出。该硫化镉层18是n型层，其一般包括硫化镉(CdS)，但还可包括其他材料，例如硫化锌、硫化镉锌等，以及其混合物，以及掺杂剂和其他杂质。该硫化镉层18可以具有宽带隙(例如，从约2.25eV至约2.5eV，例如约2.4eV等)以便允许最多的辐射能量(例如，太阳能辐射)通过。如此，该硫化镉层18认为是在器件10上的透明层。
在一个特定实施例中，硫化镉层18可以通过如上文论述的在高阻透明缓冲层16上溅射(例如，直流(DC)溅射或射频(RF)溅射)而形成。
由于高阻透明缓冲层16的存在，硫化镉层18可以具有小于约0.1μm的厚度，例如在约10nm和约100nm之间，例如从约50nm至约80nm之间，其中在高阻透明缓冲层16和硫化镉层18之间具有极少针孔存在。另外，具有小于约0.1μm的厚度的硫化镉层18减小辐射能由硫化镉层18的任何吸收，有效地增加了到达在下面的碲化镉层20的辐射能的量。
碲化镉层20在图1的示范性碲化镉薄膜光伏器件10中的硫化镉层18上示出。该碲化镉层20是p型层，其一般包括碲化镉(CdTe)但也可包括其他材料。作为器件10的p型层，该碲化镉层20是光伏层，其与硫化镉层18(即，n型层)相互作用以通过吸收传递进入器件10的大部分辐射能(由于器件的高吸收系数)并且形成电子空穴对而从辐射能吸收中产生电流。例如，该碲化镉层20一般可以用碲化镉形成并且可以具有调整成吸收辐射能的带隙(例如，从约1.4eV至约1.5eV，例如约1.45eV)以当吸收辐射能时形成具有最高电势(电压)的最大数目的电子空穴对。电子可从p型侧(即，碲化镉层20)迁移跨过结到n型侧(即，硫化镉层18)，并且相反地，空穴可从n型侧传递到p型侧。从而，在硫化镉层18和碲化镉层20之间形成的p-n结形成二极管，其中电荷不平衡导致跨越p-n结的电场的形成。常规电流允许在仅一个方向上流动并且将光生电子空穴对分开。
碲化镉层20可以通过任何已知的工艺形成，例如气相输运沉积、化学气相沉积(CVD)、喷雾热解、电沉积、溅射、近空间升华(CSS)等。在一个特定实施例中，硫化镉层18通过溅射沉积并且碲化镉层20通过近空间升华沉积。在特定实施例中，碲化镉层20可以具有在约0.1μm和约10μm之间的厚度，例如从约1μm至约5μm。在一个特定实施例中，碲化镉层20可以具有在约2μm和约4μm之间的厚度，例如约3μm等。
一系列形成后的处理可以应用于碲化镉层20的暴露表面。这些处理可以调整碲化镉层20的功能性并且使它的表面为后续粘附到背接触层22做准备。例如，碲化镉层20可以在升高的温度(例如，从约350℃至约500℃，例如从约375℃至约424℃)退火足够的时间(例如，从约1至约10分钟)以形成特性p型碲化镉层。不希望被理论束缚，认为将碲化镉层20(和器件10)退火将正常轻p型掺杂或甚至n型掺杂的碲化镉层20转换成更强的具有相对低电阻率的p型碲化镉层20。另外，碲化镉层20在退火期间可以再结晶并且经历晶粒生长。
将碲化镉层20退火可以在氯化镉存在的情况下进行以便用氯离子掺杂碲化镉层20。例如，碲化镉层20可以用含氯化镉的水溶液清洗并且然后在升高的温度下退火。
在一个特定实施例中，在氯化镉存在的情况下，将碲化镉层20退火后，表面可以清洗以去除在表面上形成的任何氧化镉。该表面制备可以通过从表面去除氧化物(例如CdO、CdTeO3、CdTe2O5等)而在碲化镉层20上留下富Te表面。例如，表面可以用合适的溶剂(例如，也称为1，2二氨基乙烷或“DAE”的乙二胺)清洗以从表面去除任何氧化镉。
另外，铜可以添加到碲化镉层20。连同合适的蚀刻，添加铜到碲化镉层20可以在碲化镉层20上形成碲化铜表面以便获得在碲化镉层20(即，p型层)和背接触层之间的低电阻电接触。具体地，添加铜可以在碲化镉层20和背接触层22之间形成碲化亚铜(Cu2Te)的表面层。从而，碲化镉层20的富Te表面可以通过在碲化镉层20和背接触层22之间的更低的电阻率来增强由器件形成的电流的收集。
铜可以通过任何工艺施加于碲化镉层20的暴露表面。例如，可以在具有合适的溶剂(例如，甲醇、水或其类似物或其组合)的溶液中在碲化镉层20的表面上喷射或清洗铜，接着退火。在特定实施例中，铜可在采用氯化铜、碘化铜或醋酸铜的形式的溶液中供应。退火温度足够允许铜离子扩散进入碲化镉层20，例如从约125℃至约300℃(例如，从约150℃至约200℃)持续约5分钟至约30分钟，例如从约10至约25分钟。
背接触层22示出为在碲化镉层20上。该背接触层22一般充当背电接触，关于对侧，TCO层14充当前电接触。该背接触层22可以在碲化镉层20上形成，并且在一个实施例中与碲化镉层20直接接触。该背接触层24适当地用一个或多个高导电材料制成，例如元素镍、铬、铜、锡、铝、金、银、锝或其合金或混合物。另外，背接触层22可以是单层或可以是多层。在一个特定实施例中，背接触层22可以包括石墨，例如沉积在后跟一层或多层金属(例如上文描述的金属)的p层上的碳层。背接触层22(如果用一个或多个金属制成或包括一个或多个金属)通过例如溅射或金属蒸发等技术适当地施加。如果它用石墨或聚合物共混物或由碳糊制成，共混物或糊通过用于分散共混物或糊的任何合适的方法(例如丝网印刷、喷涂或通过“刮”刀)施加到半导体器件。在施加石墨共混物或碳糊后，器件可以被加热以将共混物或糊转换成导电背接触层。碳层(如果使用)在厚度上可以从约0.1μm至约10μm，例如从约1μm至5μm。背接触的金属层(如果用于背接触层22或作为背接触层22的一部分)在厚度上可以从约0.1μm至约1.5μm。
封装玻璃24也在图1的示范性碲化镉薄膜光伏器件10中示出。
其他部件(未示出)可以包括在示范性器件10中，例如母线、外部接线、激光蚀刻等。例如，当器件10形成光伏模块的光伏电池时，多个光伏电池可以串联连接以便达到期望的电压，例如通过电布线连接来串联连接。串联连接的电池的每端可以粘附到例如电线或母线等合适的导体，以将光伏产生的电流引导到用于连接到装置或其他系统(其使用所产生的电力)的便利的位置。用于获得这样的串联连接的便利的方法是激光刻划该器件以使器件分成通过互连连接的一系列电池。在一个特定实施例中，例如，激光可以用于刻划半导体器件的沉积层以将器件分成多个串联连接的电池。
图3示出根据本发明的一个实施例制造光伏器件的示范性方法30的流程图。根据该示范性方法30，在32，TCO层在玻璃衬底上形成。在34，高阻透明缓冲层在TCO层上形成。在36，硫化镉层在包含含硫源气体的溅射气氛中从含镉的金属靶溅射在高阻透明缓冲层上。在38，碲化镉层在该硫化镉层上形成。在40，该碲化镉层可以在氯化镉存在下退火，并且在42清洗该碲化镉层以去除在表面上形成的任何氧化物。在44，该碲化镉层可以用铜掺杂。在46，背接触层可以施加在该碲化镉层之上，并且在48封装玻璃可以施加在该背接触层之上。
本领域内技术人员应该认识到，其他加工和/或处理可以包括在方法30中。例如，方法还可包括激光刻划以在器件中形成电隔离的光伏电池。这些电隔离的光伏电池然后可以串联连接以形成光伏模块。同样，电线可以连接到该光伏模块的正和负端以提供引线来利用由该光伏模块产生的电流。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们包括不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种制造碲化镉薄膜光伏器件(10)的方法，所述方法包括：
在透明传导氧化物层(14)上沉积高阻透明缓冲层，其中所述透明传导氧化物层(14)是在衬底(12)上；
在所述高阻透明缓冲层(14)上溅射硫化镉层(18)；和
在所述硫化镉层(18)上沉积碲化镉层(20)，
其中，在溅射气氛中从靶(64)在衬底(12)上溅射硫化镉层(18)，其中所述靶(64)包括按重量75％至100％的镉，并且其中所述溅射气氛包括含硫的源气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述靶(64)基本上由镉组成。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述靶(64)大致上没有硫。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述溅射气氛包括按体积25％至100％、优选地按体积50％至100％的量的含硫的源气体。
5.如权利要求1或4所述的方法，其中所述含硫的源气体包括硫气、硫化氢、二硫化碳、六氟化硫、二氯化硫、二甲基硫醚、链烷硫醇、硫醚或其混合物。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述含硫的源气体是硫化氢。
7.如权利要求1或4所述的方法，其中所述溅射气氛大致上没有卤化物。
8.如权利要求1或4所述的方法，其中所述溅射气氛大致上没有碳。
9.如权利要求1或4所述的方法，其中所述溅射气氛进一步包括氧。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述溅射气氛包括按体积1％至25％氧量的氧气。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中所述溅射气氛包括吸杂剂。
12.如权利要求1或2所述的方法，其中所述溅射气氛具有10毫托至150毫托的溅射压强。
CN201110356243.5A 2010-10-27 2011-10-27 溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法 Expired - Fee Related CN102453863B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/913390 2010-10-27
US12/913,390 US7943415B1 (en) 2010-10-27 2010-10-27 Methods of sputtering cadmium sulfide layers for use in cadmium telluride based thin film photovoltaic devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102453863A CN102453863A (zh) 2012-05-16
CN102453863B true CN102453863B (zh) 2015-11-25

Family

ID=43981539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110356243.5A Expired - Fee Related CN102453863B (zh) 2010-10-27 2011-10-27 溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7943415B1 (zh)
CN (1) CN102453863B (zh)
DE (1) DE102011054795A1 (zh)
MY (1) MY163745A (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1396166B1 (it) * 2009-10-13 2012-11-16 Arendi S P A Metodo di attivazione di film sottili di cdte per applicazioni in celle solari a film sottili del tipo cdte/cds.
US20110265874A1 (en) * 2010-04-29 2011-11-03 Primestar Solar, Inc. Cadmium sulfide layers for use in cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of their manufacture
US8044477B1 (en) * 2010-09-30 2011-10-25 General Electric Company Photovoltaic device and method for making
US8247686B2 (en) * 2011-05-31 2012-08-21 Primestar Solar, Inc. Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making
US8188562B2 (en) * 2011-05-31 2012-05-29 Primestar Solar, Inc. Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making
US9397238B2 (en) * 2011-09-19 2016-07-19 First Solar, Inc. Method of etching a semiconductor layer of a photovoltaic device
US9147582B2 (en) 2011-12-19 2015-09-29 First Solar, Inc. Manufacturing methods for semiconductor devices
US9496446B2 (en) 2012-01-31 2016-11-15 First Solar, Inc. Photovoltaic devices and method of making
US9034686B2 (en) * 2012-06-29 2015-05-19 First Solar, Inc. Manufacturing methods for semiconductor devices
CN106159038B (zh) * 2015-05-15 2020-02-11 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 用于光伏结的硒化铜铟镓上的六方相外延硫化镉

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101467263A (zh) * 2006-04-18 2009-06-24 道康宁公司 碲化镉基光伏器件及其制造方法
CN101640234A (zh) * 2009-08-21 2010-02-03 四川阿波罗太阳能科技有限责任公司 用磁控溅射法生产CdS/CdTe太阳能电池的方法

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4465575A (en) * 1981-09-21 1984-08-14 Atlantic Richfield Company Method for forming photovoltaic cells employing multinary semiconductor films
US4950615A (en) 1989-02-06 1990-08-21 International Solar Electric Technology, Inc. Method and making group IIB metal - telluride films and solar cells
US5261968A (en) 1992-01-13 1993-11-16 Photon Energy, Inc. Photovoltaic cell and method
US5248349A (en) 1992-05-12 1993-09-28 Solar Cells, Inc. Process for making photovoltaic devices and resultant product
US5474939A (en) 1992-12-30 1995-12-12 Siemens Solar Industries International Method of making thin film heterojunction solar cell
US6169246B1 (en) 1998-09-08 2001-01-02 Midwest Research Institute Photovoltaic devices comprising zinc stannate buffer layer and method for making
US6137048A (en) 1996-11-07 2000-10-24 Midwest Research Institute Process for fabricating polycrystalline semiconductor thin-film solar cells, and cells produced thereby
US5922142A (en) 1996-11-07 1999-07-13 Midwest Research Institute Photovoltaic devices comprising cadmium stannate transparent conducting films and method for making
ATE374263T1 (de) 1999-03-29 2007-10-15 Antec Solar Energy Ag Vorrichtung und verfahren zur beschichtung von substraten durch aufdampfen mittels eines pvd- verfahrens
US6423565B1 (en) 2000-05-30 2002-07-23 Kurt L. Barth Apparatus and processes for the massproduction of photovotaic modules
US6548751B2 (en) 2000-12-12 2003-04-15 Solarflex Technologies, Inc. Thin film flexible solar cell
US20050009228A1 (en) * 2001-12-13 2005-01-13 Xuanzhi Wu Semiconductor device with higher oxygen (02) concentration within window layers and method for making
US7405831B2 (en) 2005-02-01 2008-07-29 Purdue Research Foundation Laser scanning interferometric surface metrology
US7522282B2 (en) 2006-11-30 2009-04-21 Purdue Research Foundation Molecular interferometric imaging process and apparatus
WO2008089495A2 (en) 2007-01-19 2008-07-24 Purdue Research Foundation System with extended range of molecular sensing through integrated multi-modal data acquisition
EP2034002B1 (en) 2007-09-04 2013-07-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Nanoncrystal-metal oxide composites and preparation method thereof
US20090194165A1 (en) 2008-01-31 2009-08-06 Primestar Solar, Inc. Ultra-high current density cadmium telluride photovoltaic modules
US8143512B2 (en) 2008-03-26 2012-03-27 Solexant Corp. Junctions in substrate solar cells
DE102008018928A1 (de) 2008-04-15 2009-10-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101467263A (zh) * 2006-04-18 2009-06-24 道康宁公司 碲化镉基光伏器件及其制造方法
CN101640234A (zh) * 2009-08-21 2010-02-03 四川阿波罗太阳能科技有限责任公司 用磁控溅射法生产CdS/CdTe太阳能电池的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Magnetron Reactive Sputtering Deposition of Cu2S/CdS Solar Cells;W. W. ANDERSON etal.;《Proceedings, 2nd European Community Photovoltaic Solar Energy Conference 》;19791231;第890-897页 *
Magnetron Reactive Sputtering Deposition of Cu2S/CdS Solar Cells;W. W. ANDERSON etal.;《Proceedings, 2nd European Community Photovoltaic Solar Energy Conference》;19791231;第890-897页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102453863A (zh) 2012-05-16
US7943415B1 (en) 2011-05-17
DE102011054795A1 (de) 2012-05-03
MY163745A (en) 2017-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102453863B (zh) 溅射基于碲化镉的薄膜光伏器件中使用的硫化镉层的方法
US8143515B2 (en) Cadmium telluride thin film photovoltaic devices and methods of manufacturing the same
US8252618B2 (en) Methods of manufacturing cadmium telluride thin film photovoltaic devices
CN102206801B (zh) 基于碲化镉的薄膜光伏器件所用的导电透明氧化物膜层的形成方法
US20120061235A1 (en) Mixed sputtering target of cadmium sulfide and cadmium telluride and methods of their use
EP2383363B1 (en) Cadmium sulfide layers for use in cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and method of their manufacture
EP2403000A2 (en) Metallic gridlines as front contacts of a cadmium telluride based thin film photovoltaic device
US8247686B2 (en) Multi-layer N-type stack for cadmium telluride based thin film photovoltaic devices and methods of making
CN102312194B (zh) 用于形成导电透明氧化物膜层的设备和方法
CN102237418B (zh) 基于碲化镉的薄膜光伏器件使用的硫化镉层及其制造方法
EP2371990B1 (en) Methods of forming a conductive transparent oxide film layer for use in a cadmium telluride based thin film photovoltaic device
CN102312190B (zh) 溅射用于基于碲化镉的光伏器件的rtb薄膜的方法
US8241930B2 (en) Methods of forming a window layer in a cadmium telluride based thin film photovoltaic device
CN102453864A (zh) 混合溅射靶及其在碲化镉基薄膜光伏装置中的使用
US20130133731A1 (en) Cadmium doped tin oxide buffer layer for thin film photovoltaic devices and their methods of manufacture
CN103681893A (zh) 光伏装置及其后触点形成方法
US20130134037A1 (en) Mixed targets for forming a cadmium doped tin oxide buffer layer in a thin film photovoltaic devices

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151125

Termination date: 20211027

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee