[发明专利]具有梯度粒度和S:Se比例的光伏器件

说明书

发明领域

本发明涉及用于制造CIGS光伏(PV)器件的方法。

背景

世界对电力的需求现在超过了15TW，并且该需求的绝大多数是通过消耗油(5.3TW)、煤(4.2TW)和天然气(3.5TW)的形式的化石燃料满足的。目前，太阳能仅提供0.004TW，但是地球每天从太阳接收超过120,000TW的电力，这意味着通过用效率仅为10％的太阳能电池覆盖地球表面的0.125％就可以满足地球的电力需求。

对于普遍接受来说，光伏电池(“PV电池”，亦称作太阳能电池)通常需要以与化石燃料竞争的成本发电。为了降低这些成本，太阳能电池优选具有低材料成本和制造成本，连同增加的光电转化效率。

在作为在下一代太阳能电池中用作吸收剂的潜在候选物而研究的各种材料中，黄铜矿系材料(Cu(In&/或Ga)(Se&、任选的S)2，在本文中统称为“CIGS”)已经显示出巨大前景并且已经吸引了相当大的兴趣。CuInS₂(1.5eV)和CuInSe₂(1.1eV)的带隙与太阳光谱良好地匹配，因此基于这些材料的光伏器件可以是高效的。

当前CIGS薄膜太阳能电池的制造方法包括昂贵的蒸镀技术，阻碍了它们的大规模市场采用。随着对更清洁的能源的需求增加，当务之急是寻找新形式的低成本太阳能。为了满足该需求并且解决目前在太阳能电池的生产中使用的气相沉积的高能量和高成本，已经开发了一系列新型的含有铜、铟、镓和硒(CIS、CGS和CIGS)的不同组成的纳米粒子，其可以用于制造具有良好效率的低成本太阳能电池。

对于那些常规技术来说更低成本的方案是通过下列方式形成薄膜：使用溶液相沉积技术将CIGS材料的粒子沉积至基板上，并且之后将所述粒子熔化或熔合至薄膜中，以使粒子聚结形成大型砂目化薄膜。为了使用CIGS型粒子(即，CIGS或类似的材料)形成薄半导体膜，CIGS型粒子优选具有允许它们形成大型砂目化薄膜的某些性能。粒子优选是小的。较小的粒子通常封装得更紧密，这促进了粒子在熔化时的聚结(coalescence)。此外，窄的尺寸分布是重要的。粒子的熔点与粒径有关，并且窄的尺寸分布促进均匀的熔化温度，得到均匀、高质量(均匀分布、良好的电性能)的膜。

对于在CIGS半导体层的基于溶液的合成中使用来说，CIGS系纳米粒子是有前景的候选物。这种纳米粒子通常尺寸为数纳米的量级并且可以以高单分散度制造。

这些CIGS纳米粒子可以以所需的元素比例或化学计量从“头”开始合成以满足特定的需求。可以使用大范围的充分理解的打印技术或辊对辊工艺(roll-to-rollprocesses)将纳米粒子印制至基板上。在一些情况下，需要用有机配体(在本文中被称为封端剂)将半导体纳米粒子的表面改性，以使它们与用于将粒子沉积在基板上的溶剂或墨水相容。一旦印刷，即将纳米粒子加热以移除有机封端剂，这破坏了与纳米粒子相关的量子限制并且使得p型半导体膜拥有所需的晶体结构。

然而，存在改进用于使用CIGS系纳米粒子形成用于PV用途的吸收剂层的方法和材料的空间。例如，背面复合(backsiderecombination)降低了短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)。此外，薄PV膜可以展现出低分流电阻，引起Voc的抑制。尽管在CIGS层的情况下大多数光子吸收在前1um中发生，当前的膜需要厚的吸收剂层(＞2um)和过量的材料以克服这些不足。因此需要提高使用CIGS系纳米粒子制造的PV膜的性能的方法。

概述

本公开提供了克服以上讨论的一种或多种不足的CIGS系吸收剂层。在本文中所公开的是置于基板如钼基板上的CIGS系光子吸收层。所述光子吸收层由具有经验式AB_1-xB’_xC_2-yC’_y的半导体材料制成，其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B’独立地为Al、In或Ga；C和C’独立地为S或Se，并且其中0≤x≤1；且0≤y≤2。光子吸收层包括至少一个富硫区和至少一个贫硫区。通常，吸收剂层的最靠近基板的区域富含硫，而其他区域也可以富含硫。例如，S∶Se比例可以作为沿着吸收剂层的深度的函数而增加，在最远离基板的表面处具有最小的S∶Se并且在靠近基板处具有最大的S∶Se。备选地，S∶Se比例可以在最远离基板的表面处大，在吸收剂层的中间最小并且在靠近基板处也是大的。

此外，在远离基板的表面附近的半导体材料的颗粒大于在靠近基板的表面附近的颗粒。通常，远离基板的颗粒为靠近基板的颗粒的尺寸的至少十倍。