混合CZTSSe 光伏器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及混合CZTSSe光伏器件。一种包括第一接触和混合吸收体层的光伏器件。所述混合吸收体层包括硫属化物层和与所述硫属化物层接触的半导体层。在所述吸收体层上形成缓冲层，以及在所述缓冲层上形成透明导电接触层。
【专利说明】混合CZTSSe光伏器件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏器件，具体来说，涉及使用了由诸如Cu-Zn-Sn-S/Se(CZTSSe)的 硫属化物以及其它高品质的太阳能半导体材料组成的混合吸收体层形成的方法和器件。
【背景技术】
[0002] &1-111-6&-5/56((：1655 6)技术提供了高性能太阳能电池，其具有20.3%极高功率 转换效率（PCE)。未存在已知的界面复合的问题，CIGSSe太阳能电池具有和带隙相关的非 常大的开路电压（Voc)。遗憾地是，对于诸如铟的稀有元素的依赖，限制了此技术的特大规 模使用。
[0003] Cu-Zn-Sn-S/Se (CZTSSe)是全包括了地球的丰富元素的新兴的薄膜太阳能电池技 术。尽管特别是使用基于肼的溶液处理的CZTSSe太阳能电池的发展已经取得进展，其PCE 仅能达到11. 1%。
[0004] 在CZTSSe太阳能电池中也存在若干主要限制。例如，可能会经历低Voc，这被猜 测为是源于高缓冲一吸收体界面复合、高体缺陷态、体中存在的带尾态和可能的在体中或 界面钉扎的费米能级。此外，CZTSSe还遭受低填充因子（FF)，该填充因子最可能是源于低 Voc和来自各种层或器件内势垒形成的更高的串联电阻。
【发明内容】
[0005] -种包括第一接触和混合吸收体层的光伏器件。所述混合吸收体层包括硫属化物 (chalcogenide)层和与所述硫属化物层接触的半导体层。在所述吸收体层上形成缓冲层， 在所述缓冲层上形成透明导电接触层。
[0006] 另一种光伏器件，所述器件包括衬底、在所述衬底上形成的第一接触和混合吸收 体层。所述混合吸收体层包括Cu-Zn-Sn-S/Se (CZTSSe)层和与所述CZTSSe层接触的至少 一个半导体层。在所述吸收体层上形成缓冲层，以及在所述缓冲层上形成透明导电接触层。 在所述透明导电接触层上形成金属接触；所述金属接触和所述透明导电接触层形成前光接 收表面。
[0007] -种用于制造光伏器件的方法，所述方法包括在衬底上沉积第一接触；在所述第 一接触上形成混合吸收体层，所述混合吸收体层包括Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)层和与所 述CZTSSe接触的另一半导体层；在所述吸收体层上形成缓冲层；在所述缓冲层上沉积透明 导电接触层；在所述透明导电接触上构图金属接触，所述金属接触和所述透明导电接触层 形成前光接收表面。
[0008] 从下文中对其说明性实施例的详细描述中，这些及其它特征和优点将变得显而易 见，所述详细描述要结合附图阅读。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 本公开将参考以下附图在优选实施例的以下描述中提供细节，在附图中：
[0010] 图1为根据本发明原理的定为I型的光伏器件的横截面图；
[0011] 图2为根据本发明原理的定为II型的光伏器件的横截面图；
[0012] 图3为根据本发明原理的定为III型的光伏器件的横截面图；
[0013] 图4A为用于基线CZTSSe器件的能带图和结构，该器件包括透明导电氧化物 (TC0)、CdS缓冲层和CZTSSe吸收体层（光来自TC0侧）
[0014] 图4B为基线材料器件的能带图和结构，该器件包括透明导电氧化物（TCO)、CdS缓 冲层和半导体吸收体层（X)(例如，CIGSSe);
[0015] 图4C为根据一个实施例的用于I型器件的能带图和结构，该器件包括混合 CZTSSe/半导体（X)吸收体层；
[0016] 图4D为根据另一个实施例的用于II型器件的能带图和结构，该器件包括混合X/ CZTSSe吸收体层；
[0017] 图4E为根据另一个实施例的用于III型器件的能带图和结构，该器件包括混合X/ CZTSSe/X吸收体层；以及
[0018] 图5为根据说明性实施例的用于形成带有混合吸收体层的光伏器件的方法的框 图/流程图。
【具体实施方式】
[0019] 根据本发明原理，提供了混合Cu2(Zn，Sn) (S，Se)4(CZTSSe)光伏器件，其结合了 CZTSSe的构成元素在地球中含量丰富以及另一高性能太阳能材料（为便于参考，始终标为 X)的商性能和商开路电压的优点。
[0020] 半导体X可包括，例如，CIGSSe或CdTe，然而也可以采用其它半导体材料。 Cu-In-Ga-S，Se (以下CIGSSe)太阳能电池产生很高的性能，其效率的世界纪录为20. 3%， 然而这些材料难以获得并且包括诸如铟的昂贵的稀有元素。
[0021] 混合CZTSSe器件可包括带有缓冲体（buffer) /CZTSSe/X配置的I型器件、带有缓 冲体/X/CZTSSe配置的II型器件以及带有缓冲体/X/CZTSSe/X配置的III型器件。与具有相 同总吸收体厚度的基线CZTSSe器件相比，所有类型的混合器件均提供更高的能量转换效 率。混合CZTSSe器件提供一种用于性能材料成本优化的新途径，该成本优化是用于薄膜硫 属化物太阳能电池的大规模部署。
[0022] 要明白，将关于具有衬底和光伏叠层的给定说明性构造来描述本发明；然而，其它 构造、结构、衬底、材料和工艺特征和步骤可以在本发明的范围内变化。
[0023] 还要明白，当诸如层、区域或衬底的元件称为在另一元件"上"或者"之上"时，它 可以是直接在该另一元件上，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为"直接"在 另一元件"上"或者"之上"时，不存在中间元件。还要明白，当元件被称为"连接"或者"耦 合"到另一元件时，它可以是直接连接或耦合到该另一元件，或者也可以存在中间元件。相 反，当元件被称为"直接连接"或者"直接耦合"到另一元件时，不存在中间元件。
[0024] 可为集成电路集成产生光伏器件的设计，或者光伏器件的设计可以与印刷电路板 上的部件相结合。电路/板可以在图形计算机编程语言中体现，并且被存储在计算机存储 介质（例如，盘、带、物理硬盘驱动器或诸如存储存取网络的虚拟硬盘驱动器）中。若设计 者未制造芯片或者用于制造芯片或光伏器件的光刻掩模，设计者可通过物理手段（例如， 通过提供存储有该设计的存储介质的副本）或电子地（例如，通过互联网）直接地或间 接地将所得到的设计传送到这类实体。然后，把所存储的设计转换成适当的形成（例如， ⑶SII)，用于制造光刻掩模，光刻掩模通常包括要形成在晶片上的所讨论的芯片设计的多 个副本。利用光刻掩模限定晶片（和/或其上的层）的要刻蚀的或者以其它方式处理的区 域。
[0025] 本申请中所描述的方法可用于制造光伏器件和/或具有光伏器件的集成电路芯 片。所得到的器件/芯片可以以原始芯片的形式（即，作为具有多个未封装的器件/芯片 的单个晶片）、作为裸管芯或者以封装的形式由制造者分配。在后者的情况下，器件/芯片 安装在单个芯片封装体（例如，具有固定到母板或其它更高级载体的引线的塑料载体）中 或者安装在多芯片封装体（例如，具有表面互连或掩埋互连、或者具有表面互连和掩埋互 连的陶瓷载体）中。在任何一种情况下，器件/芯片然后可以作为（a)诸如母板的中间产 品或（b)最终产品的一部分，与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成。该 最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，包括玩具、能量收集器、太阳能器件和其它 应用，该其它应用包括具有显示器、键盘或其它输入装置以及中央处理器的计算机产品或 装置。此处描述的光伏器件对于用来给电子装置、家庭、建筑物、车辆等提供电力的太阳能 电池或面板特别有用。
[0026] 也要明白，将关于所列出的诸如Cu-Zn-Sn-S (Se) (CZTSSe)的元素来描述材料化 合物。对于CIGSSe、CdS等同样适用。这些化合物可包括化合物内元素的不同比例，例如
【权利要求】
1. 一种光伏器件，所述器件包括： 第一接触； 混合吸收体层，包括： 硫属化物层；以及 与所述硫属化物接触的半导体层； 在所述吸收体层上形成的缓冲层；以及 在所述缓冲层上形成的透明导电接触层。
2. 根据权利要求1的器件，其中，所述硫属化物层包括Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)。
3. 根据权利要求2的器件，其中所述CZTSSe包括Cu2_xZn1+ySn (Si_zSez) 4+q，其中 l,0^y^ Ι,Ο^ζ^ 1,-1 l〇
4. 根据权利要求1的器件，其中，所述半导体层包括IV、III- V、II -VI和I -iii-vi2 族材料之一。
5. 根据权利要求1的器件，其中所述半导体层包括Cu-In-Ga-S，Se(CIGSSe)。
6. 根据权利要求5的器件，其中所述CIGSSe层包括CuInxGa(1_x)Se 2，其中X的值从1变 化到0。
7. 根据权利要求1的器件，其中，所述硫属化物层与所述缓冲层接触，且所述半导体层 与所述硫属化物层接触并与所述缓冲层相对。
8. 根据权利要求1的器件，其中，所述半导体层与所述缓冲层接触，且所述硫属化物层 与所述半导体层接触并与所述缓冲层相对。
9. 根据权利要求1的器件，还包括在所述透明导电接触层上形成的金属接触以及还包 括在其上形成有所述第一接触的衬底。
10. 根据权利要求1的器件，还包括第二半导体层，其中所述半导体层和所述第二半导 体层夹住所述硫属化物层。
11. 一种光伏器件，所述器件包括： 衬底； 在所述衬底上形成的第一接触； 混合吸收体层，包括： Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)层；以及 与所述CZTSSe层接触的至少一个半导体层；以及 在所述吸收体层上形成的缓冲层； 在所述缓冲层上形成的透明导电接触层；以及 在所述透明导电接触层上形成的金属接触，所述金属接触和所述透明导电接触层形成 前光接收表面。
12. 根据权利要求11的器件，其中，所述CZTSSe包括CUhZn^Sr^ShSeJh，其中 l,0^y^ Ι,Ο^ζ^ 1,-1 l〇
13. 根据权利要求11的器件，其中所述至少一个半导体层包括 Cu-In-Ga-S，Se(CIGSSe)或 CuInxGa(1_x)Se2，其中 X 的值从 1 变化到 0。
14. 根据权利要求11的器件，其中，所述CZTSSe层更接近所述光接收表面且在所述至 少一个半导体层的顶上。
15. 根据权利要求11的器件，其中，所述至少一个半导体层更接近所述光接收表面且 在所述CZTSSe层的顶上。
16. 根据权利要求11的器件，其中，所述至少一个半导体层包括两个半导体层，且所述 CZTSSe层夹在所述两个半导体层之间。
17. -种用于制造光伏器件的方法，所述方法包括： 在衬底上沉积第一接触； 在所述第一接触上形成混合吸收体层，所述混合吸收体层包括Cu-Zn-Sn-S(Se) (CZTSSe)层和与所述CZTSSe层接触的另一半导体层； 在所述吸收体层上形成缓冲层； 在所述缓冲层上沉积透明导电接触层；以及 在所述透明导电接触层上构图金属接触，所述金属接触和所述透明导电接触层形成前 光接收表面。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述半导体层包括Cu-In-Ga-S，Se (CIGSSe)。
19. 根据权利要求17的方法，其中在两个半导体层之间形成所述CZTSSe层。
20. 根据权利要求17的方法，还包括在所述混合吸收体层的形成期间，通过控制厚度 和带隙中的至少一个来优化性能。
【文档编号】H01L31/18GK104253172SQ201410277666
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】T·格克曼, O·古纳万, R·A·海特, 金志焕, D·B·米茨, M·T·温克勒 申请人:国际商业机器公司