[发明专利]用于薄膜太阳能电池的层系统

说明书

一种用于薄膜太阳能电池（100）的层系统（1），包括：吸收体层（4），其包含硫属化合物半导体；以及缓冲层（5），其布置在吸收体层（4）上，其中缓冲层（5）具有化学式A_xIn_yS_z的半导体材料，其中A是钾（K）和/或铯（Cs），其中0.015≤x/(x+y+z)≤0.25且0.30≤y/(y+z)≤0.45。

技术领域

本发明在太阳能电池和太阳能模块的制造的技术领域中，并且涉及用于薄膜太阳能电池的层系统以及生产这样的层系统的方法。

背景技术

用于太阳能电池和太阳能模块的薄膜系统在取决于衬底和在其上施加的材料的各种设计中的市场上是充分已知和可获得的。选择材料，使得入射的太阳能光谱最大程度地被利用。归因于物理属性和技术处理质量，具有无定形、微晶或多晶硅、碲化镉（CdTe）、砷化镓（GaAs）、铜铟（镓）硫硒（Cu(In,Ga)(S,Se)₂）和铜锌锡硒硫（来自硫铜锡锌矿族的CZTS）的半导体以及有机半导体的薄膜系统特别适合于太阳能电池。五元半导体Cu(In,Ga)(S,Se)₂属于常常称为CIS（铜铟联硒化合物或铜铟二硫化物）或CIGS（铜铟镓联硒化合物、铜铟镓二硫化物或铜铟镓联硒硫化物）的黄铜矿半导体的族。在缩写CIGS中，S可以表示硒、硫或两种硫族元素的混合物。

基于Cu(In,Ga)(S,Se)₂的当前薄膜太阳能电池和太阳能模块要求在p导电Cu(In,Ga)(S,Se)₂、吸收体层与n导电前电极之间的缓冲层。前电极通常包括氧化锌（ZnO）。根据当前的知识，该缓冲层实现吸收体材料与前电极之间的电子适配。此外，其提供了对于在通过DC磁控管溅射对前电极的沉积的后续过程步骤中的溅射损坏的保护。另外，通过在p和n半导体之间构建高欧姆中间层，防止电流从电子地良好导电区泄漏到欠导电区中。

迄今为止，硫化镉（CdS）已经被最频繁地用作缓冲层。为了能够生产良好效率的电池，硫化镉在化学水浴过程（CDB过程）中被湿化学地沉积。不利之处在于，湿化学过程不太适合于通过真空过程表征的薄膜太阳能电池的当前生产的过程循环。CdS缓冲层的另一不利之处在于，其包括有毒重金属镉。这产生了较高的生产成本，因为在生成过程中必须采取增加的安全防范并且必须昂贵地处置废水。CdS缓冲层的另一不利之处在于以下事实：硫化镉是具有大约2.4 eV的电子带隙的半导体。因此，在已经具有几十纳米的CdS膜厚度的Cu(In,Ga)(S,Se)₂/CdS/ZnO太阳能电池中，入射光在大程度上被吸收。在缓冲层中吸收的光对于电产率是损失的，因为该层中生成的电荷载流子立刻复合并且存在充当在异质结的该区和缓冲材料中的复合中心的许多晶体缺陷。结果，太阳能电池的效率被降低，这对于薄膜太阳能电池是不利的。

因此，已经针对不同吸收体从Cu(In,Ga)(S,Se)₂半导体族测试了对硫化镉的各种替代，不同吸收体例如有：溅射的ZnMgO，通过CBD沉积的Zn(S,OH)，通过CBD沉积的In(O,OH)以及通过离子层沉积（ALD）、离子层气相沉积（ILGAR）、喷雾热解或者诸如热蒸发或溅射的物理汽相沉积（PVD）过程沉积的硫化铟。

然而，这些材料不适于商业使用，因为不能实现与利用CdS缓冲层相同的效率。太阳能电池的效率描述了入射功率与太阳能电池产生的电功率之比，并且对于小表面上的实验电池的CdS缓冲层差不多为大约20%以及对于大面积模块介于10%与15%之间。此外，替代缓冲层当它们暴露于光、热和/或水分时呈现出过度不稳定性、滞后效应或效率的降级。

具有基于硫化铟的缓冲层的层系统例如从WO2009141132A2是已知的。然而，在这些层系统的迄今为止的发展中，已经证明了具有硫化铟缓冲层的太阳能电池的效率比具有CdS缓冲层的太阳能电池的效率更低。

发明内容