Sulfurizácia a selenizácia elektrolyticky nanesených vrstiev CIGS tepelným žíhaním

Je ešte 14 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Súčasný vynález sa týka oblasti nanášanie tenkých vrstiev filmov polovodičov na fotovoltické účely.Tenké vrstvy diselenidu a/alebo disulñdu medi, india a gália a diselenidu a/alebo disulñdu medi a india (označované ako CIGS a CIS) sa nanášajú na substrát pri výrobe fotovoltických buniek. Takéto zlúčeniny, ktoré sa môžu vyjadriť všeobecným vzorcom CuGa,In 1-,Se 2.,S, (kde x je v rozsahu 0 a 1 a y je v rozsahu 0 a 2), označované ako CIGSSe, sa považujú za veľmi slubné a mohli by predstavovať nasledujúcu generáciu solárnych panelov s tenkými povlakmi. Polovodivé materiály na báze CIGSSe majú široký priamy bandgap, ktorý sa môže nastaviť v rozsahu 1,0 a 2,5 eV, čo umožňuje optimálnu absorpciu slnečného žiarenia v oblasti rozsahu tohto žiarenia. Rekordná účinnosť premeny 19,5 sa v súčasnej dobe dosiahla na paneloch s malou plochou. Zlúčeniny typu ClGSSe sa tiež označujú ako ĺ-ĺ-Vlz zlúčeniny s odkazom na chemickú povahu ich zložiek, v ktorých- prvok Cu predstavuje prvok zo stĺpca I (stĺpec 1 B v Tabulke periodickej sústavy prvkov)- prvok In a/alebo prvok Ga predstavuje prvok zo stĺpca lll (stlpec 3 B v Tabulke periodickej sústavy prvkov) a- prvok Se a/alebo prvok S predstavuje prvok zo stĺpca lV (stĺpec 6 B v Tabulke periodickej sústavy prvkov)Takže sú prítomné približne dva atómy zo stĺpca Vl periodickej sústavy na jeden atóm zo stĺpca l a jeden atóm zo stĺpca lll pri vzniku zlúčeniny typu ĺ-I-Vĺz CIGS.Filmy CIGS, ktoré sa využívajú na fotovoltickú premenu, musia mať p-typ polovodičovej povahy a dobré vlastnosti, čo sa týka transportu náboja. Tieto vlastnosti, ktoré sa týkajú transportu náboja,sú priaznivo ovplyvňované dobrou kryštalickou štruktúrou. To znamená, že zlúčeniny typu CIGS musia byť aspoň čiastočne kryštalické na to, aby mali fotovoltické vlastnosti, dostatočné na ich použitie na výrobu solárnych panelov. Kryštalické zlúčeniny CIGS majú kryštalograñckú štruktúru,ktorá zodpovedá chalkopyritovému systému alebo sfaleritovému systému v závislosti od teploty pri nanášanl. Spôsob na výrobu takýchto polovodičov je známy z medzinárodnej prihlášky vynálezu W 0 03/094246.Chalkopyritové materiály, ako sú napriklad materiály typu Cu(ln,GA)(S,Se)z, majú šírku bandgap, ktorá sa meni v rozsahu 1,0 ev pre CulnSe 2 a 2,4 eV pre CuGaS 2. Solárne panely, ktoré majú najvyššiu účinnosť a komercializované moduly, sa pripravujú z absorpčných materiálov v pomere Ga/(Galn) v rozsahu 25 až 30 , čo zodpovedá bandgap 1,12 eV. Použitie solárnych panelov, založených na absorpčných materiáloch s vyššou hodnotou bandgap, má dve výhodypredovšetkým tieto materiály sa približujú k optimálnej hodnote 1,5 eV pre absorpciu solárneho spektra a po druhé, v prípade aplikácie modulu sú straty v dôsledku odporu znížené v prípade vysokého napätia a nízkeho prúdu.V prípade, že sa vychádza z absorpčných materiálov typu CulnSeg, môže sa šírka bandgap zväčšiť tak, že atómy india alalebo selénu sa nahradia atómami gália a/alebo siry. V súčasnej dobe sa rekordné panely, ktoré majú účinnosť 18 , ziskali tak, že približne 30 atómov india sa nahradilo atómami gália.Bandgap sa môže tiež zväčšiť v prípade materiálu Culnseg tak, že sa niektoré atómy selénu nahradia atómami siry. Tento postup sa bude dalej oznaćovať ako spôsob sulfurizácie Culnseg.Už sa oplsala sulfurizácia kovových alebo binárnych prekurzorov. V publikácií V. Alberts a F. D. Dejene, Journal of Physics D Appl. Phys. 35, 2 021 - 2 025, (2002) sa napríklad sulfurizácia uskutočňuje pod tlakom elementárnej siry pri vysokých teplotách pod teplotou mäknutia skla (600 °C). Podľa publikácie K. Siemer, J. Klaer, l. Luck. J. Bruns, R Klenk a D. Braünig, Solar Energy Materíals and Solar Cells, 67, 159 - 166, (2001) sa používa rýchly tepelný postup (RTP) na žihanie prekurzorov Cu-ln pri teplote 600 °C po dobu troch minút (celková doba žihania), pričom teplota sa zvyšuje rýchlosťou približne 10 °C za sekundu. Substrát sa uloží do kremennej komory a elementárna síra sa uloží vedla substrátu. Potom sa pred žíhaním v komore vytvorí vákuum. Tlak v priebehu žihanie je potom saturačný tlak siry.Existujú aj iné sulfurizačne postupy na vytváranie tenkých filmov polovodičov, ktoré majú optimálny bandgap, napríklad ide o postup opísaný v dokumente U.S. Patent č. 5 730 852. Film,vytvorený z prekurzora, má zloženie Cu,.In,Ga,Se (kde x, y a z sú v rozsahu 0 a 2 a n je v rozsahu 0 a 3), pri použití spôsobu s prúdovými pulzmi. Po tomto kroku nasleduje krok, v ktorom sa nanáša ñlm prvkov Cu Se alebo In Se vákuovým odparovaním. Konečný krok, pri ktorom sa uskutočňuje žihanie, umožňuje zlepšenie homogenity a kvality takto pripraveného filmu.Avšak tieto spôsoby bud zahrnujú použitie toxických látok a do značnej miery obmedzujú použité podmienky spôsobu (použitie atmosféry HZS alebo HzSe), alebo neumožňujú jemne riadiť šírku bandgap. Tieto spôsoby tiež vyžadujú krok, v ktorom sa používa vákuum.Okrem toho v prípade, že sa prvok zo skupiny Vl použije vo svojej tuhej forme (napriklad sa použije síra alebo selén v práškovej forme v bezprostrednej blízkosti prekurzora CIGS), môžu vznikať problémy s heterogenitou tohto prvku.Dokumenty US 5578 503, W 0 03/094246 A 1, W 0 01/37324 A 1, FR 2849 450 A 1, FR 2 849 532 a publikácia Solar cells based on Culnsez and related compounds material and device properties and processing, Nadenau a kol., v Progress in Photovoltaics Research and-3 applications, Zv. 3, č. 6, 1995, str. 363 - 382, XP 000545817, opisujú spôsob výroby vrstiev I-I-Vlg z prekurzorových vrstiev.Tento vynález umožňuje predlst nevýhodám, ktoré sa spájajú so známymi sulfurizačnými postupmi.Na tento účel tento vynález navrhuje spôsob na výrobu tenkých filmov poiovodičových zliatin vyššie oplsaného typu l-I-Vlg, ktoré obsahujú síru, na fotovoltické použitie podľa nároku 1.Difúzia siry do tenkých filmov CIGS teda umožňuje dosiahnuť požadované hodnoty bandgap, a to najmä zmenami v hrúbke filmu, ktorý obsahuje síru.Pod pojmom v podstate amorľný v kroku a) sa chápe skutočnosť, že morfológia prekurzorového tilmu CIGS je tvorená nanokryštálmi, ktoré sú spolu spojené amorfnou fázou. Požlhacom kroku tieto nanokryštály rastú, zväčšujú svoju veľkosť a môžu dosiahnuť až veľkosť niekoľkých mikrometrov.Podľa jedného z výhodných uskutočnení sa uskutočňuje rýchle žlhanie. Typicky môže isťo žlhanie použitím vysokovýkonnej lampy, pričom sa energia na tilmy prenáša v priebehu krátkeho časového obdobia (menej než niekoľko desiatok sekúnd).Tenký film, ktorý obsahuje aspoň slru, a pripadne dalšie filmy s obsahom selénu sa nanášajú pomocou chemického kúpeľa (CBD).Takže predložený vynález umožňuje vyriešiť problémy súvisiace so známymi sulfurizačnými alebo selenizačnými metódami. Takže tu sa nepoužíva žiadna HZS alebo H 2 Se atmosféra, ani síra alebo selén v práškovej forme, umiestnené v blízkosti substrátu.Ďalšie vlastnosti a výhody súčasného vynáiezu budú zrejmejšie zo štúdia nasledujúceho opisuprihlášky vynálezu. Opis je iba ilustrativny atreba ho brať do úvahy v súvislosti s priloženými výkresmi, ktoré sa oplšu nižšie.- Na Obr. 1 je znázomený prierez tenkým filmom CIGS, na ktorý sa nanesie film, ktorý obsahuje aspoň slru pri použití spôsobu podľa vynálezu.- Na Obr. 2 je schematicky znázomené zariadenie na elektrochemické nanášanie tenkého filmu CIGS.- Na Obr. 3 je schematicky znázomené vytvorenie štruktúry vo forme prekurzora v nanomerítku pred žihaním.- Na Obr. 4 je znázomené zariadenie na rýchle žlhanie osvetlením tenkého filmu,naneseného elektrolyticky.- Na obr. 5 je schematicky znázornená štruktúra tenkého filmu na paneli, určenom na fotovoltické účely.- Obr. 6.1 znázorňuje fomiou príkladu časový profil hustoty prúdu. prenášanej na ñlm počas svetelného pulzu.- Obr. 6.2 ilustruje fomiou príkladu v prípade CIGS páry dĺžky trvania (os úsećiek) a priemernú hustotu prúdu pri osvetlení (os ordinát), ktoré umožňujú, aby sa film aspoň čiastočne kryštalizoval bezjeho degradácie.- Na Obr. 7 je znázornená hrúbka síry, ktorá sa naniesla chemickým kúpelom, meraná XRF (ñuorescencia X-lúčov) ako funkcia doby nanesenia a úrovne okyslenia roztokov tiosulfátu.- Na Obr. 8 sú znázomené variácie krokov sulfurizácie filmov po ich žlhani ako funkcia hrúbky nanesenej slry.Na Obr. 9 je znázomený príklad nanesenia síry na substrát, sklo/Mo/CIGS o veľkosti 30 x 30 cm v horizontálnom reaktore.- Na Obr. 10.1 je znázornená účinná hrúbka síry, meravá fluoresoenciou X-lúčov v prípade substrátu sklo/Mo/C|GS o veľkosti 30 x 30 cm.- Na Obr. 10.2 sú znázornená variácie v stupni sulfurizácie filmu po jeho žlhanl v pripade substrátu sklo/Mo/CIGS o velkosti 30 x 30 cmz .Krok a) opisovaného postupu podľa tohto vynálezu spočíva v naneseni heteroštruktúry,zahrnujúcej tenký film v podstate amorfného prekurzora l-Ill-Vlg, ako je to na Obr. 1 až 3, a tenkého ñlmu, ktorý obsahuje aspoň slru, ako je znázomené na Obr. 7. Najprv sa opíše nanášanie tenkého prekuizorového filmu.Na Obr. 1 je znázornený prierez tenkého filmu ClGS. na ktorý sa nanesie film, ktorý obsahuje aspoň síru, pri použitl spôsobu podla tohto vynálezu. Film 10 s obsahom síry je nanesený na povrch prekuizorového filmu 20 ClGS. Tento základný film sa nanesie elektrolýzou na substrát 40,napríklad na sklenený substrát, opatrený povlakom vodivého filmu 30, napríklad molybdénového filmu, tak, aby došlo k elektrolýze a k naneseniu prekurzora 20 CIGS.Nanášanie prekurzorového ñlmu sa môže uskutočniť spôsobmi, ktoré sú odborníkom v oblasti techniky známe. Napríklad sa CIGS prekurzor môže nanášat použitím sieťotlače. Uvedený film sa môže nanáša aj spôsobom, ktorý sa opisuje v medzinárodnej prihláška WO 03/094246, tak, ako sa dalej použije.Tenké vrstvy (filmy) CIGS prekurzora sa ziskali pri teplote miestnosti a za bežného tlaku galvanickým nanesenlm CM filmu na sklenený substrát S, vopred opatrený povlakom molybdénu Mo (Obr. 5). Výhodne sa substrát S najprv opatri povlakom ďalšieho elektronicky vodivého filmu,napríklad kovového filmu alebo filmu vo forme oxidu (nie je znázornená). Tento vodivý film môže

MPK / Značky

MPK: H01L 31/18, H01L 31/0749, H01L 31/032

Značky: tepelným, sulfurizácia, žíhaním, elektrolytický, vrstiev, selenizácia, nanesených

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/22-e13798-sulfurizacia-a-selenizacia-elektrolyticky-nanesenych-vrstiev-cigs-tepelnym-zihanim.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Sulfurizácia a selenizácia elektrolyticky nanesených vrstiev CIGS tepelným žíhaním</a>

Podobne patenty