没有金属二硫化物阻挡材料的高效率光伏电池和制造方法

专利名称：没有金属二硫化物阻挡材料的高效率光伏电池和制造方法
技术领域：
本发明的实施方式总体涉及光伏材料和制造方法。更具体地，本发明提供了一种 用于制造高效率薄膜光伏电池的方法和结构。仅通过举例，本发明的方法和材料包括由铜 铟二硫化物(铜铟二硫，二硫化铟铜)物质、铜锡硫化物、二硫化铁、或用于单结电池或多结 电池的其它材料制成的吸收剂材料。
背景技术：
从一开始，人类就已经应对挑战来寻找开发能量的方式。能量来自例如，石化产 品、水力发电、核能、风、生物质、太阳能的形式，以及更原始(基本)的形式，例如，木材和 煤。在过去的一个世纪中，现代文明已依赖于作为重要的能源的石化能量。石化能量包括 天然气和石油。天然气包括更轻的形式，例如，丁烷和丙烷，通常用于加热住宅并用作用于 烹饪的燃料。天然气还包括通常用于运输目的的汽油、柴油和喷气燃料。石化产品的更重 的形式也可以用来加热某些地方的住宅。不幸地，石化燃料的供应是有限的，并且基于在行 星-地球上可获得的量基本上是固定的。另外，由于更多的人以增长的量使用石油产品，所 以使其迅速地变成稀缺资源，其随着时间将最终变得被耗尽。最近，已经期望环境上清洁且可再生的能量源。清洁能量源的一个实例是水电力。 水电力来自由水坝例如在内华达州的胡佛水坝(Hoover Dam)产生的水流驱动的发电机。所 产生的电力用来对在加利福尼亚州洛杉矶市的大部分城市供电。清洁且可再生的能量源还 包括风能、波能、生物质能等。也就是说，风车将风能转化成更有用形式的能量，例如电能。 清洁能源的其它类型还包括太阳能。在整个本发明背景，更具体地在以下内容中可以发现 太阳能的具体细节。太阳能技术通常将来自太阳的电磁辐射转化成其它有用形式的能量。这些其它形 式的能量包括热能和电力。对于电力应用，经常使用太阳能电池。虽然太阳能在环境上是清 洁的并且已在某种程度上是成功的，但是，在将其广泛应用于全世界之前，仍留下许多限制 以待解决。作为一个实例，一种类型的太阳能电池使用来自半导体材料锭的晶体材料。这 些晶体材料可用来制造包括将电磁辐射转化成电力的光伏装置和光电二极管装置的光电 装置。然而，晶体材料经常是昂贵的并且难以大规模制造。另外，由这样的晶体材料制造的装置经常具有较低的能量转换效率。其它类型的太阳能电池使用“薄膜”技术来形成待用 于将电磁辐射转化成电力的光敏材料的薄膜。在使用薄膜技术制造太阳能电池时，存在类 似的限制。也就是说，效率经常较低。另外，薄膜的可靠性经常较差，并且在传统的环境应 用中不能长时间使用。通常，薄膜难以彼此机械地结合。在整个本说明书中更具体地在以 下内容中，可以发现这些传统技术的这些和其它限制。根据上述，可以看出，期望用于制造光伏材料和所得到的装置的改善的技术。

发明内容
根据本发明的实施方式，提供了一种用于形成用于光伏应用的薄膜半导体材料的 方法和结构。更具体地，本发明提供了一种用于形成用于制造高效率光伏电池的半导体材 料的方法和结构。仅通过举例，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物物质、铜锡硫化 物、二硫化铁、或用于单结电池或多结电池的其它材料制成的吸收剂材料。在一种具体实施方式
中，本发明提供了一种用于形成薄膜光伏装置的方法。该方 法包括，提供包括表面区域的透明基板，并形成覆盖该表面区域的第一电极层。在一种具体 实施方式中，该方法包括，形成覆盖第一电极层的阻挡层，以在第一电极层与铜层之间形成 界面区域。在一种具体实施方式
中，该方法还形成覆盖阻挡层的铜层，并形成覆盖铜层的铟 层，以形成多层结构。在一种具体实施方式
中，该方法包括，至少使该多层结构在包含含硫 物质的环境中经受热处理工艺。该方法包括，至少由多层结构的处理工艺形成铜铟二硫化 物材料。铜铟二硫化物材料包括在约1. 35 1至约1.60 1范围内的铜铟原子比。该方 法保持界面区域基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物 层。在一种具体实施方式
中，该方法还包括，形成覆盖铜铟二硫化物材料的窗口层。在一种 优选的实施方式中，所得的太阳能电池具有至少10%或更高，11%或更高，13%或更高，以 及高于15%的效率。当然，可以存在其它变型、修改和替代方式。在一种可替换的具体实施方式
中，本发明提供了一种用于形成薄膜光伏装置的可 替换方法。该方法包括，提供包括表面区域的透明基板，并形成覆盖该表面区域的第一电极 层。该方法还包括，通过至少溅射包括铟铜材料的靶，形成包括在约1.35 1至约1.60 1 范围内的Cu 的原子比的铜铟材料。该方法包括，使铜铟材料在包含含硫物质的环境 中经受热处理工艺，并至少由铜铟材料的热处理工艺来形成铜铟二硫化物材料。在一种具 体实施方式中，该方法包括，保持覆盖表面区域的第一电极层与铜铟二硫化物材料之间的 界面区域基本没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层(例如， 二硫化钼)。该方法还包括，形成覆盖铜铟二硫化物材料的窗口层。在一种具体实施方式
中，界面区域的特征在于，表面形态基本上防止具有约5nm至IOnm厚度的金属二硫化物层 的任何形成。在一种具体实施方式
中，该方法还包括，至少300°C和更高的低温热处理，以防 止二硫化钼层的任何形成。在另一具体实施方式
中，本发明提供了一种用于形成薄膜光伏装置的方法。该方 法包括，提供包括表面区域的基板，并形成覆盖该表面区域的第一电极层。另外，该方法包 括，形成覆盖第一电极层的阻挡层以形成界面区域，并形成覆盖阻挡层的铜层。该方法进一 步包括，形成覆盖铜层的铟层以形成多层结构。此外，该方法包括，至少使多层结构在包含 含硫物质的环境中经受热处理工艺。该方法进一步包括，至少由多层结构的处理工艺形成铜铟二硫化物材料，该铜铟二硫化物材料包括在1 μ m到2 μ m范围的厚度以及约1. 4 1 至约1.6 1的铜铟原子比。此外，该方法包括，保持第一电极层与铜铟二硫化物材料之间 的界面区域基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层，并 形成覆盖铜铟二硫化物材料的窗口层。在一种实施方式中，铜铟二硫化物材料形成光伏装 置的吸收剂层，其特征在于，在标准测试条件下具有约10%和更高的效率。在又一具体实施方式
中，本发明还提供了 一种薄膜光伏装置。该装置包括包含表 面区域的基板和覆盖该表面区域的第一电极层。该装置进一步包括，覆盖第一电极层以形 成界面区域的阻挡层。另外，该装置包括覆盖阻挡层的吸收剂层。吸收剂层包括铜铟二硫 化物材料，其特征在于具有在Iym到2μπι范围的厚度以及在约1.4 1至约1.6 1范 围的铜铟原子比，并且第一电极层与吸收剂层之间的界面区域基本上没有具有与铜铟二硫 化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。此外，该薄膜光伏装置包括覆盖吸收剂层 的窗口层以及约10%和更高的能量转换效率的特性。在又一种实施方式中，本发明提供了一种薄膜光伏装置。该装置包括包含表面区 域的透明基板和覆盖该表面区域的第一电极层。该装置进一步包括，覆盖第一电极层以形 成界面区域的阻挡层。另外，该薄膜光伏装置包括在第一电极层上的并至少由多层结构的 处理工艺转变的铜铟二硫化物材料，该多层结构包括覆盖第一电极层的铜层和覆盖铜层的 铟层。铜铟二硫化物材料的特征在于在约1. 35 1至约1.60 1范围内的铜铟原子比， 并且第一电极层与铜铟二硫化物材料之间的界面区域基本上没有具有与铜铟二硫化物材 料不同的半导体特性的金属二硫化物层。此外，该装置包括覆盖铜铟二硫化物材料的窗口 层。进一步地，本发明提供了一种可以以双面(两面)方式构造的薄膜光伏装置。可 将该双面装置构造成串联的电池、或其它多电池构造。在一种具体实施方式
中，本发明的装 置具有包括表面区域的透明基板和覆盖该表面区域的第一电极层。该装置在第一电极层上 还具有铜铟二硫化物材料。在一种优选的实施方式中，铜铟二硫化物材料的特征在于在约 1.35 1至约1.60 1范围内的铜铟原子比。该装置还具有覆盖铜铟二硫化物材料的窗口 层。在一种优选的实施方式中，该装置还具有约10%和更高的效率，并且还具有在约1. 4eV 至1. kV，并且优选1. 45eV至约1. 5eV范围的带隙。通过本发明可实现许多益处。例如，本发明使用商购的原材料来形成覆盖合适的 基板构件的含半导体材料的薄膜。可对该含半导体材料的薄膜进行进一步处理以形成期望 特性例如，原子化学计量、杂质浓度、载体浓度、掺杂等的半导体薄膜材料。在一种具体实施 方式中，所得的铜铟二硫化物材料的带隙是约1.55eV。另外，本发明的方法使用比其它薄 膜光伏材料具有相对更小毒性的环境友好的材料。在一种优选的实施方式中，本发明的方 法和所得的结构基本上没有具有与吸收剂层不同的半导体特性的二硫化钼层，以降低光伏 电池的效率。在一种具体实施方式
中，包括吸收剂(CuhS2)的本发明的装置的特征在于在 约1.45eV至1.5eV之间的带隙，但是也可以是其它的。在一种具体实施方式
中，对于已经 合金化的包括镓物质的01 吸收剂来说，带隙可以更高。在一种优选的实施方式中，本 发明的方法和装置是双面的，并且可将其构造成用于串联或其它多级电池布置。根据一种具体实施方式
，双面电池将用作上电池或顶部电池。取决于实施方式，可以实现一个或多个 益处。在整个本说明书中尤其是在以下内容中，将更详细地描述这些和其它益处。
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仅通过举例，本发明的方法和材料包括由铜铟二硫化物物质、铜锡硫化物、二硫化 铁、或用于单结电池或多结电池的其它材料制成的吸收剂材料。


图1至图8是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法 和结构的示意图。图9是由根据本发明的一种实施方式的基于铜铟二硫化物的薄膜光伏电池测量 的示例性太阳能电池I-V特征图，所述薄膜光伏电池的特征在于，电极层与吸收剂层之间 的界面区域基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。图10是由基于铜铟二硫化物的薄膜光伏电池测量的示例性太阳能电池I-V特征 图，所述薄膜光伏电池的特征在于，电极层与吸收剂层之间的界面区域被具有与铜铟二硫 化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层污染。
具体实施例方式根据本发明的实施方式，提供了一种用于形成用于光伏应用的半导体材料的方法 和结构。更具体地，本发明提供了一种用于制造薄膜光伏装置的方法。仅通过举例，该方法 已被用于为高效太阳能电池应用提供铜铟二硫化物薄膜材料。但是，应该认识到，本发明具 有更大范围的适用性，例如，本发明的实施方式可用来形成包括硫化铁、硫化镉、硒化锌等、 以及金属氧化物(例如氧化锌、氧化铁、氧化铜等)的其它半导体薄膜或多层。图1是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域技术人 员将认识到其它变型、修改和替换。如图1所示，提供基板110。在一种实施方式中，基板 110包括表面区域112，并且在处理阶段容纳(保持)在处理室(未示出)内。在另一实施 方式中，基板110是光学透明的固体材料。例如，基板110可以是玻璃、石英、熔融硅石、或 塑料、或金属、或箔、或半导体、或其它复合材料。取决于实施方式，基板可以是单种材料、多 种材料，其可以是分层的、复合的，或堆叠的，包括这些方式的组合等。当然，可以存在其它 变型、修改和替换。图2是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技术 人员将认识到其它变型、修改和替换。如图2所示，本发明提供了一种用于形成薄膜光伏装 置以形成电极层的工艺。特别地，将电极层120形成为覆盖基板110的表面区域112。例 如，根据一种具体实施方式
，电极层120可以使用溅射、蒸发(例如，电子束)、电镀、这些的 组合等由钼制成。电极层的厚度可以在IOOnm至2μπι等的范围内，其特征在于，根据一种具体实施方式
，电阻率为约lOOOhm/cm2至lOOhm/cm2或更小。在一种优选的实施方式中，电 极由钼或钨制成，但是可以是其它材料，例如铜、铬、铝、镍或钼。当然，可以存在其它变型、 修改和替换。图3是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏特装置的方法的 工艺示意图。该图仅是一个实施例，在本文中，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。 本领域的技术人员将认识到其它变型、修改和替换。如所示出的是形成覆盖在最后的处理中形成的电极层的铜层的工艺。特别地，将铜(Cu)层130形成为覆盖电极层120。例如，利 用溅射工艺来形成铜层。在一个实例中，可以使用直流磁控管溅射工艺在以下条件下将Cu 层130沉积在电极层120上。(使用氩气)将沉积压力控制为约6. 2mTorr0将气体流速设 置为约32sCCm。沉积温度可以正好处于室温，无需有意地加热基板。当然，由于沉积过程中 所产生的等离子体，可能会产生微小加热(辅助加热)。另外，可能需要约115W的直流电 源。根据一些实施方式，取决于使用不同材料的具体情况，在100W至150W范围内的直流功 率是合适的。对于330nm厚度的Cu层来说，全部沉积时间是约6分钟或更长。当然，根据 一种具体实施方式
，可以改变并修改沉积条件。例如，可以利用铜-镓(Cu-Ga)合金靶来执 行Cu的溅射工艺。因此，在最终的金属前体薄膜中Cu层130可以至少部分地包含期望的 和可调整量的( 物质。在一种优选的实施方式中，该方法包括，形成覆盖电极层的阻挡层125，以在电极 层与铜层之间形成界面区域。在一种具体实施方式
中，在后续的工艺步骤过程中，界面区域 保持为基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。取决于 实施方式，阻挡层具有合适的导电特性，并且可以是反射性的，以使电磁辐射反射回，或者 还可以是透明的等。在一种具体实施方式
中，阻挡层选自钼、钛、铬或银。当然，可以存在其 它变型、修改和替换。图4是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实施例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技 术人员将认识到其它变型、修改和替换。如所示出的，示出了提供覆盖铜层的铟(In)层的 工艺。特别地，将铟层140形成为覆盖铜层130。例如，利用溅射工艺将铟层沉积在铜层上。 在一个实例中，可以利用直流磁控管溅射工艺在类似的用于沉积Cu层的条件下沉积覆盖 Cu层130的h层140。在另一实例中，可以通过使用h-fei合金靶来实施沉积h层140 的溅射工艺，以形成覆盖Cu层130的h-fei层。通过选择h-fei合金靶中的适当浓度比率 和一些沉积条件，可将( 含量调节至期望的水平。该( 含量至少部分地有助于用于形成 太阳能电池的吸收剂层金属前体薄膜内最终的( 物质和Cu/αη+Ga)的比率。用于铟层的 沉积时间可能比用于Cu层的沉积时间短。例如，对于沉积约410nm厚度的h层来说，2分 45秒可能是足够的。在另一实例中，通过电镀工艺，或取决于具体实施方式
的其它工艺来提 供覆盖铜层的铟层。根据本发明的实施方式，图1至图4示出了通过形成薄膜光伏装置的方法的工艺 而提供的包括铜和铟的多层结构150在透明基板上的形成。在一种实施方式中，对铜层130 以及铟层140提供化学计量控制，以确保所形成的多层结构150是富含Cu的材料，其中具 有的Cu h的原子比大于1。例如，Cu 化的原子比可以在1.2 1至2. 0 1之间 的范围内，或者取决于具体实施方式
可以更大。在一种实施方式中，Cu 的原子比在 1.35 1到1.60 1之间。在另一实施方式中，Cu h的原子比在1.4 1到1. 60 1 之间。在又一实例中，Cu h的原子比选择成约1.5 1。在一种优选的实施方式中，在 所得的结构中引入富含铜的Cu In，其基本上消耗所有的铟物质。在一种具体实施方式
中，铟层140的形成工艺基本上不会导致之前形成的铜层130中的原子化学计量的变化。在 另一具体实施方式
中，之前进行铟层140的形成工艺，覆盖电极层120，而之后进行铜层130 的形成工艺，覆盖铟层140。
图5是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实施例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技 术人员将认识到其它变型、修改和替换。如所示出的，根据一种具体实施方式
，使在铜层130 上至少包括铟层140的所形成的多层结构150在包含含硫物质210的环境中、在适当的压 力下并在约400°C至约600°C的温度下经受热处理工艺200约3至15分钟，用于快速热处 理。在一个实例中，含硫物质处于液相中。作为一个实例，可以在溶液中提供硫，该溶液溶解 TN S、C&、(NH4)2S、硫代硫酸盐等。在另一实例中，含硫物质210是气相的硫化氢。在其 它实施方式中，可提供固相的硫。在固相中，可以加热元素硫(单质硫)并使元素硫沸腾， 元素硫汽化(蒸发)成气相，例如Sn。在一种具体实施方式
中，使气相与铟/铜层反应。在 其它实施方式中，可以使用硫物质的其它组合。当然，热处理工艺200包括一些预定的升温 和降温时期，具有一些预定温度变化速度。例如，热处理工艺是快速热退火工艺。通过一个 或多个入口阀(进入阀)以流速控制的方式将硫化氢气体提供到处理室中，在处理室中，通 过一个或多个泵控制硫化氢的气压。当然，可以存在其它变型、修改和替换。在一种具体实施方式
中，硫可以作为覆盖铟和铜层或铜和铟层的层来提供。在一 种具体实施方式
中，提供硫材料作为薄层或图案化层。取决于实施方式，硫可以以浆料、粉 末、固体材料、气体、糊剂、或其它合适的形式来提供。当然，可以存在其它变型、修改和替 换。参照图5，热处理工艺200引起在多层结构150中的铜铟材料与含硫物质210之间 的反应，从而形成铜铟二硫化物材料的层(或铜铟二硫化物薄膜)220。在一个实例中，通过 包含(结合)由含硫物质分离或分解的硫离子/原子，将铜铟二硫化物材料或铜铟二硫化 物薄膜220转变成铟原子和铜原子在其中彼此扩散的多层结构150。在一种实施方式中，热 处理工艺200将引起在所转变的铜铟二硫化物材料220上形成帽层。该帽层包含基本上为 硫化铜材料221但是基本上没有铟原子的厚度。硫化铜材料221包括基本上没有铟原子的 相同硫化铜材料的表面区域225。在一种具体实施方式
中，对于原始的包含Cu-In的多层结 构150来说，在富含Cu的条件下形成该帽层。取决于应用，基于具有覆盖铜层130的铟层 140的原始多层结构150，硫化铜材料221的厚度为约5nm至IOnm以及更大。当然，可以存 在其它变型、修改和替换。图6是示出了根据本发明的实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工艺示 意图。该图仅是一个实施例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技术人 员将认识到其它变型、修改和替换。如图6所示，对覆盖铜铟二硫化物薄膜220的硫化铜材 料221实施浸渍工艺(浸渍处理)300。特别地，根据一种具体实施方式
，通过使表面区域 225暴露于1至约10wt%的氰化钾的溶液310来实施浸渍工艺。氰化钾用作能够选择性地 去除硫化铜材料221的蚀刻剂。蚀刻工艺从暴露的表面区域225开始，并且向下至硫化铜 材料221的厚度，并且基本上在硫化铜材料221与铜铟二硫化物材料220之间的界面处停 止。结果，根据一种具体实施方式
，通过蚀刻工艺选择性地去除硫化铜帽层221，使得剩余的 铜铟二硫化物薄膜220的新表面区域2 暴露。在一种优选的实施方式中，在硫化铜与铜 铟二硫化物之间，蚀刻选择性为约1 100或更大。在其它实施方式中，可以使用其它选择 性蚀刻物质。在一种具体实施方式
中，蚀刻物质可以是过氧化氢。在其它实施方式中，可以 使用其它技术，包括电化学蚀刻、等离子体蚀刻、溅射蚀刻，或这些技术的任何组合。在一种具体实施方式
中，可以机械地去除、化学地去除、电去除、或这些中的任何组合来去除硫化 铜材料。在一种具体实施方式
中，由铜铟二硫化物制成的吸收剂层为约1至ΙΟμπι，但也可 以是其它的厚度。当然，可以存在其它变型、修改和替换。图7是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技术 人员将认识到其它变型、修改和替换。如图7所示，形成ρ型铜铟二硫化物膜320。在一些 实施方式中，之前形成的铜铟二硫化物材料220已具有ρ型半导体特性，并与ρ型铜铟二硫 化物膜320基本上相同。在另一实施方式中，使铜铟二硫化物材料220经受另外的掺杂工 艺，以调节其中的P型杂质密度用于优化高效薄膜光伏装置的I-V特性的目的。在一个实 例中，将铝物质混入铜铟二硫化物材料220中。在另一实例中，将铜铟二硫化物材料220与 铜铟铝二硫化物材料混合，以形成膜320。当然，可以存在其它变型、修改和替换。随后，形成覆盖ρ型铜铟二硫化物材料320的窗口层310。窗口层310可以选自 由硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(&1%)、氧化锌(ZnO)、锌镁氧化物(氧化镁锌) (ZnMgO)等组成的组中的材料，并且为了导电性可以掺有杂质，例如，η+型。窗口层310旨 在用作与光伏电池相关的PN结的另一部分。因此，在其形成过程中或形成之后，对窗口层 310进行重掺杂以形成η+型半导体层。在一个实例中，铟物质用作掺杂材料，以导致与窗口 层310相关的η+型特性的形成。在另一实例中，利用合适的条件来实施掺杂工艺。在一种具体实施方式
中，掺有铝的ZnO窗口层可以在约200nm至500nm的范围内。当然，可以存在 其它变型、修改和替换。图8是示出了根据本发明的一种实施方式的用于形成薄膜光伏装置的方法的工 艺示意图。该图仅是一个实例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技术 人员将认识到其它变型、修改和替换。如图8所示，至少部分地在窗口层310的顶部上增加 导电层330，以为光伏装置形成顶部电极层。在一种实施方式中，导电层330是透明的导电 氧化物TCO层。例如，TCO可以选自由h203:Sn(ITO)、SiOAl (AZO)、SnO2:F(TFO)组成的组， 并且可以是其它的材料。在另一实施方式中，在考虑使基于薄膜的光伏装置的效率最大化 的情况下，在一定的预定图案之后形成TCO层，用于为光伏装置有效地实施顶部电极层的 功能。在一种具体实施方式
中，TCO也可以用作窗口层，其基本上消除了单独的窗口层。当 然，可以存在其它变型、修改和替换。图9是由根据本发明的一种实施方式的基于铜铟二硫化物的薄膜光伏电池测量 的示例性太阳能电池I-V特征图，所述薄膜光伏电池的特征在于，电极层与吸收剂层之间 的界面区域基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。该 图仅是一个实施例，其不应不适当地限制本申请中的权利要求。本领域的技术人员将认识 到其它变型、修改和替换。如图9所示，将根据本发明的一种实施方式制造的高效铜铟二硫 化物薄膜光伏电池的电流密度对偏置电压作图。该曲线与y轴相交，具有约0. 0235A/cm2 的短路电流值，并与零电流线相交，具有约0. 69V的偏压。根据本发明的一种实施方式，相 应的光伏电池具有由铜铟二硫化物薄膜制成的吸收剂层。特别地，该吸收剂层的厚度为约 1.5μπι，并且Cu h的原子比为约1.5 1。在吸收剂层与底部电极层之间，在根据本发 明的实施方式的电池形成工艺过程中，使界面区域保持为基本上没有具有与铜铟二硫化物 材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。基于标准公式，可以估算电池转换效率η为
权利要求
1.一种用于形成薄膜光伏装置的方法，所述方法包括 提供包括表面区域的透明基板；形成覆盖所述表面区域的第一电极层； 形成覆盖所述第一电极层的阻挡层以形成界面区域； 形成覆盖所述阻挡层的铜层； 形成覆盖所述铜层的铟层以形成多层结构； 至少使所述多层结构在包含含硫物质的环境中经受热处理工艺； 至少由所述多层结构的处理工艺形成铜铟二硫化物材料，所述铜铟二硫化物材料包括 在约1.35 1至约1.60 1范围内的铜与铟原子比；保持所述界面区域基本上没有具有与所述铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金 属二硫化物层；形成覆盖所述铜铟二硫化物材料的窗口层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铜铟二硫化物材料包括具有硫化铜表面区 域的基本上为硫化铜材料的厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括去除所述硫化铜材料的厚度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述去除包括使用氰化钾的溶液来选择性地去 除所述硫化铜材料的厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述窗口层选自由硫化镉、硫化锌、硒化锌、氧化 锌、或锌镁氧化物组成的组。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括形成覆盖所述窗口层的一部分的透明导电 氧化物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成铜层通过溅射工艺或电镀工艺提供。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阻挡层选自钼、钛、铬、或银。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成铟层通过溅射工艺提供。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成铟层通过电镀工艺提供。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铜铟二硫化物具有P型半导体特性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述窗口层包括η+型半导体特性。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述窗口层中引入铟物质，以引起η+型 半导体特性的形成。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述铜铟二硫化物与铜铟铝二硫化物混合。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含硫化物物质包括以液相的硫化氢。
16.一种用于形成薄膜光伏装置的方法，所述方法包括 提供包括表面区域的透明基板；形成覆盖所述表面区域的第一电极层；通过至少溅射包括铟铜材料的靶来形成包括在约1.35 1至约1.60 1范围内的 Cu In的原子比的铜铟材料；使所述铜铟材料在包含含硫物质的环境中经受热处理工艺；至少由所述铜铟材料的热处理工艺来形成铜铟二硫化物材料；保持覆盖所述表面区域的所述第一电极层与所述铜铟二硫化物材料之间的界面区域基本上没有具有与所述铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层；以及 形成覆盖所述铜铟二硫化物材料的窗口层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述金属二硫化物层选自二硫化钼层。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述界面区域的特征在于基本上防止所述金 属二硫化物层的任何形成的表面形态；并且其中，所述金属二硫化物层的特征在于约5nm 至IOnm的厚度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述保持包括至少300°C和更高的热处理，以 防止所述金属二硫化物层的任何形成，所述金属二硫化物层是二硫化钼层。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述窗口层选自由硫化镉、硫化锌、硒化锌、氧 化锌、或锌镁氧化物组成的组。
21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括形成覆盖所述窗口层的一部分的透明导 电氧化物。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述铜铟二硫化物材料具有ρ型半导体特性。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述窗口层包括η+型半导体特性。
24.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述窗口层中引入铟物质，以引起η+ 型半导体特性的形成。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，所述含硫物质包括硫化氢。
26.一种用于形成薄膜光伏装置的方法，所述方法包括 提供包括表面区域的基板；形成覆盖所述表面区域的第一电极层； 形成覆盖所述第一电极层的阻挡层以形成界面区域； 形成覆盖所述阻挡层的铜层； 形成覆盖所述铜层的铟层以形成多层结构； 至少使所述多层结构在包含含硫物质的环境中经受热处理工艺； 至少由所述多层结构的处理工艺形成铜铟二硫化物材料，所述铜铟二硫化物材料包括 在Iym至2μπι范围内的厚度以及约1.4 1至约1. 6 1的铜与铟原子比；保持所述第一电极层与所述铜铟二硫化物材料之间的所述界面区域基本上没有具有 与所述铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层； 形成覆盖所述铜铟二硫化物材料的窗口层；以及由此所述铜铟二硫化物材料形成在标准测试条件下由约10%和更高的效率表征的光 伏装置的吸收剂层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述吸收剂层包括约1.5μπι的厚度。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述吸收剂层包括具有约1.5 1的铜与铟原 子比的铜铟二硫化物材料。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述光伏装置由包括约23.5mA/cm2的短路电 流密度和约0.69V的开路电压的电流密度与偏压(I-V)单调曲线表征。
30.一种薄膜光伏装置，包括 基板，包括表面区域；第一电极层，覆盖所述表面区域；阻挡层，覆盖所述第一电极层以形成界面区域；吸收剂层，覆盖所述阻挡层，所述吸收剂层包括由在Iym至2μπι范围内的厚度以及在 约1.4 1至约1.6 1范围内的铜与铟原子比表征的铜铟二硫化物材料，并且所述第一 电极层与所述吸收剂层之间的界面区域基本上没有具有与所述铜铟二硫化物材料不同的 半导体特性的金属二硫化物层；窗口层，覆盖所述吸收剂层；以及约10%和更高的能量转换效率的特性。
31.一种薄膜光伏装置，包括透明基板，包括表面区域；第一电极层，覆盖所述表面区域；阻挡层，覆盖所述第一电极层以形成界面区域；铜铟二硫化物材料，在所述第一电极层上并至少由多层结构的处理工艺转变，所述多 层结构包括覆盖所述第一电极层的铜层和覆盖所述铜层的铟层，所述铜铟二硫化物材料的 特征在于在约1.35 1至约1.60 1范围内的铜铟原子比，并且，所述第一电极层与所述 铜铟二硫化物材料之间的界面区域基本上没有具有与所述铜铟二硫化物材料不同的半导 体特性的金属二硫化物层；以及窗口层，覆盖所述铜铟二硫化物材料。
32.根据权利要求31所述的装置，其中，所述装置是双面的。
33.根据权利要求31所述的装置，进一步包括表征利用所述铜铟二硫化物材料的光 伏电池的在约1. 45eV至1. 5eV范围内的带隙能量以及约10%和更高的效率。
全文摘要
一种用于形成薄膜光伏装置的方法，包括，提供包括表面区域的透明基板，并形成覆盖表面区域的第一电极层。另外，该方法包括，通过至少溅射包括铟铜材料的靶以形成包括在约1.35∶1至约1.60∶1范围内的Cu∶In原子比的铜铟材料。该方法进一步包括，使铜铟材料在包含含硫物质的环境中经受热处理工艺。此外，该方法包括，至少由铜铟材料的热处理工艺形成铜铟二硫化物材料，并将铜铟二硫化物材料与电极之间的界面区域保持为基本上没有具有与铜铟二硫化物材料不同的半导体特性的金属二硫化物层。此外，该方法包括形成覆盖铜铟二硫化物材料的窗口层。
文档编号H01L21/00GK102067278SQ200980122302
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月9日 优先权日2008年6月25日
发明者霍华德·W·H·李 申请人:思阳公司