[发明专利]用于具有钠铟硫化物缓冲层的薄层太阳能电池的层系统

说明书

技术领域

本发明处于制造薄层太阳能电池的技术领域，并且涉及用于薄层太阳能电池的层系统和用于制造这样的层系统的方法。

背景技术

用于直接地将太阳光转换为电能的太阳能电池的光伏层系统是充分地已知的。术语“薄层太阳能电池”涉及具有仅几微米的厚度的层系统，所述层系统需要（载体）衬底用于足够的机械强度。已知的衬底包括无机玻璃、塑料（聚合物）或者金属、尤其金属合金，并且可以根据各自的层厚度和特殊的材料特性被构成为刚性板或者可弯曲的薄膜。

用于薄层太阳能电池的层系统在不同的实施中根据衬底和所施加的材料在市场上存在。所述材料被选择，使得入射的太阳光谱最大限度地被充分利用。由于物理特性和技术可操纵性，具有非晶、微晶或者多晶硅、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、铜铟（镓）硒化-硫化物(Cu(In,Ga)(S,Se）₂)、铜锌锡硫硒化物（来自锌黄锡矿族的CZTS）以及有机半导体的层系统是特别适合于薄层太阳能电池的。戊烯（pentenär）半导体Cu(In,Ga)(S,Se)₂)属于黄铜矿半导体的族，所述黄铜矿半导体经常被称作CIS（铜铟二硒或者铜铟硫化物（Kupferindiumdiselendid oder-sulfid））或者CIGS（铜铟镓二硒、铜铟镓二硫或者铜铟镓二硫硒化合物（Kupferindiumgalliumdisulfoselenid））。S可以在缩写CIGS中代表硒、硫或者两种硫族元素的混合物。

基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的当前的薄层太阳能电池和太阳能模块需要在p导电的Cu(In,Ga)(S,Se)₂吸收层和n导电的前电极之间的缓冲层。所述前电极通常包含氧化锌(ZnO)。根据目前的知识，所述缓冲层能够实现在吸收材料和前电极之间的电子匹配。所述缓冲层此外在通过DC磁控管溅射沉积前电极的以下工艺步骤中提供防溅射损坏的保护。附加地，所述缓冲层通过在p半导体和n半导体之间构建高欧姆的中间层防止从以电子方式良好导电的区域到差导电的区域中的电流流出。

至今最经常地将硫化镉（CdS）使用用作缓冲层。为了可以产生电池的良好的效率，硫化镉至今在化学浴工艺（CBD工艺）中以湿化学的方式被沉积。然而以下缺点与之相关联：湿化学工艺不良好地适合Cu(In,Ga)(S,Se)₂薄层太阳能电池的当前生产的工艺流程。

CdS缓冲层的另一缺点在于，所述CdS缓冲层包含有毒的重金属镉。由此产生较高的生产成本，因为在生产工艺中，例如在对废水进行废料处理时，必须采取提高的安全预防措施。产品的废料处理（Entsorgung）对于客户可能引起较高的成本，因为制造者按照地方的法规可能被强制对产品进行再循环、废料清除或者回收。

因此对由硫化镉构成的缓冲剂的不同的替代方案针对来自Cu(In,Ga)(S,Se)₂半导体的家族的不同的吸收体被测试，例如溅射的ZnMgO、通过CBD沉积的Zn(S,OH)、通过CBD沉积的In(O,OH)和通过原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）、离子层气体沉积（Ion Layer Gas Deposition, ILGAR）、喷雾热解或者物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）方法、诸如热蒸发或者溅射沉积的硫化铟。

然而所述材料尚不适合作为用于基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的太阳能电池的缓冲剂用于商业上使用，因为所述材料达不到与在CdS缓冲层情况下的效率相同的效率。所述效率描述射入功率与太阳能电池的所产生的电功率的比例，并且对于用于小的面上的实验室电池的CdS缓冲层为直至大约20%以及对于大面积的模块为10%与15%之间。此外如果可替代的缓冲层遭受光、热和/或湿气，那么所述可替代的缓冲层示出太大的不稳定性、滞后效应或者效率的降级。

CdS缓冲层的另一缺点由以下引起：即硫化镉是具有大约2.4eV的直接电子能带间隙的直接半导体。因此在Cu(In,Ga)(S,Se)₂/CdS/ZnO太阳能电池中，已经在几十nm的CdS层厚度的情况下，入射的光在很大的规模上被吸收。在缓冲层中被吸收的光对于电生产率而言丢失，因为所产生的载流子在该层中立即再次重组，并且在异质结的该区域中以及在缓冲材料中存在很多作为重组中心起作用的晶体缺陷。因此，太阳能电池的效率变得更小，这对于薄层太阳能电池是不利的。