(57)【要約】  本発明は、光起電力素子を製造するための新規の方法及びこのような方法を実施するための装置に関する。本発明は、各製造プロセスを制御する複数の処理チャンバーを有する一体化された装置を通してワークピース基材を進行させるための移動システムを使用する。
2008520103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性後方層の堆積のための環境を提供することができるゾーン；
ｐ型半導体層の堆積のための環境を提供することができるゾーン；
ｎ型半導体層の堆積のための環境を提供することができるゾーン；及び
透明導電性前方層の堆積のための環境を提供することができるゾーン
に基材を連続的に提供するための手段を含む、光起電力素子の製造装置。
【請求項２】
前記基材を準備するための複数の反応器ゾーンに該基材を順に提供するための手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記基材を周囲環境から処理環境へ移行させるための環境を提供することができる第１の処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記基材が大気圧から以降の処理環境と一致した減圧された圧力へ部分的又は全体的に移行する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
バリヤー層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記バリヤー層が薄い導体又は非常に薄い絶縁材料を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
導電性バック接点層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記導電性バック接点層の堆積が金属層を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記金属層が、モリブデン、チタン、タンタル、及び他の許容できる金属又は合金からなる群より選択された導電性金属を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記金属層がモリブデンである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
アルカリ材料の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ、ＶＩ族の元素を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記半導体層が、前記Ｉ、ＩＩＩ、ＶＩ族の元素の１つ又は複数と合金化されたＣｕＧａＳｅ2、ＣｕＡｌＳｅ2又はＣｕＩｎＳｅ2を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記半導体層がＣｕＧａＳｅ2を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
追加の半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含み、該半導体層が前駆体のｐ型吸収体材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記前駆体材料がＩ、ＩＩＩ、ＶＩ族の元素を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記前駆体材料がＩ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記前駆体材料が、Ｉ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層の元素の１つ又は複数を含み、０．０＜ＩＩＩｂ／（ＩＩＩａ＋ＩＩＩｂ）＜０．４である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記前駆体材料が、Ｉ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層の合金の１つ又は複数を含み、０．０＜ＩＩＩｂ／（ＩＩＩａ＋ＩＩＩｂ）＜０．４である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記半導体層がＩｎ1-x：Ｇａx：Ｓｅ2を有するＣＩＧＳ吸収体層を含み、ｘが０．２〜０．３であり、厚さが約１μｍ〜約３μｍである、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ、Ｉｎ1-x、Ｇａx及びＳｅ2の層が基材上に逐次的に堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ、Ｉｎ1-x、Ｇａx及びＳｅ2の層が基材上に逐次的に堆積され、次いで熱処理によって合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ：Ｇａx層が別々に合成され、次いでＩｎ1-x層及びＳｅ2層と基材上に共堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ：Ｇａx層が別々に合成され、次いでＩｎ1-x層及びＳｅ2層と基材上に共堆積され、次いで熱処理によって合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ：Ｇａx：Ｉｎx-1層が別々に合成され、次いでＳｅ2層と基材上に共堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がＩ、ＩＩＩ及びＶＩ族の前駆体金属を供給することによって形成され、Ｃｕ：Ｇａx：Ｉｎx-1層が別々に合成され、次いでＳｅ2層と基材上に共堆積され、次いで熱処理によって合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
１つ又は複数の層の熱処理のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記処理が１０-6ｔｏｒｒから最大大気圧までの圧力範囲と３００℃〜７００℃の温度範囲において行われる、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
ｎ型半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記ｎ型半導体層が個別的である、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記個別層がＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−ＶＩ族元素の１つ又は複数を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記個別層の材料が（Ｉｎ、Ｇａ）y（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）及び（Ｚｎ、Ｃｄ）（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）からなる群より選択される材料の１つ又は複数を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記個別層の材料が（Ｉｎ、Ｇａ）2Ｓｅ3、（Ｉｎ、Ｇａ）2Ｓ3、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ及びＺｎＯからなる群より選択される材料の１つ又は複数を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
前記ｎ型半導体層がドーパント種の拡散によってｐ型吸収体層に形成される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３７】
前記ドーパント種が１つ又は複数のＩＩ又はＩＩＩ族元素からなる群より選択される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記ドーパント種がＺｎ又はＣｄを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
絶縁性透明半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４０】
前記絶縁性透明半導体層がＩＩ−ＶＩ又はＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族からの１つ又は複数の材料を含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記絶縁性透明半導体層がＺｎＯ又はＩＴＯの１つ又は複数の材料を含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
導電性透明半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４３】
前記導電性透明半導体層がＩＩ−ＶＩ又はＩＩ−ＩＶ−ＶＩ族からの１つ又は複数の材料を含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記導電性透明半導体層がＺｎＯ、Ｃｄ2ＳｎＯ4又はＩＴＯの１つ又は複数の材料を含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
処理環境から周囲環境へ基材を戻すための環境を提供することができる第１の処理ゾーンをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４６】
前記基材が大気圧から以降の処理環境と一致した減圧された圧力へ部分的又は全体的に移行する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
半導体層の堆積のための環境を提供することができる第４のゾーンにワークピースを連続的に提供する工程；
アルカリ材料の堆積のための環境を提供することができる第５のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；及び
ｐ型吸収体層の前駆体材料の堆積のための環境を提供することができる第６のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程
を含む、光起電力素子の製造方法。
【請求項４８】
連続的な複数の反応器ゾーンを備えた装置に基材を提供する工程をさらに含み、第１のゾーンが前記基材を準備してワークピースを製造するための充填又は分離ゾーンである、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
バリヤー層の堆積のための環境を提供することができる第２の反応器ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
バック接点層の堆積のための環境を提供することができる第３のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
先の層の１つ又は複数の熱処理のための環境を提供することができる第７のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５２】
接合バッファ層として作用するｎ型半導体層の堆積のための環境を提供することができる第８の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５３】
真性透明酸化物層の堆積のための環境を提供することができる第９の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５４】
導電性透明酸化物層の堆積のための環境を提供することができる第１０の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程をさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５５】
周囲環境から処理環境へ基材を移行するための環境を提供することができる処理ゾーンであって、該基材が大気圧から以降の処理環境と一致した減圧された圧力へ部分的又は全体的に移行する処理ゾーン；
導電性後方層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンであって、導電性バック接点層の堆積がモリブデンから構成される金属層を含む処理ゾーン；
薄い導体又は非常に薄い絶縁材料を含むバリヤー層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン；
Ｉ、ＩＩＩ、ＶＩ族の元素の１つ又は複数と合金化されたＣｕＧａＳｅ2、ＣｕＡｌＳｅ2又はＣｕＩｎＳｅ2を含む半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン；
Ｎａ−ＶＩＩ又はＮａ2−ＶＩＩであるアルカリ材料の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン；
Ｉ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層を含む別の半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン；
１つ又は複数の層を熱処理してｐ型吸収体層を形成するための環境を提供することができる処理ゾーンであって、該処理が１０-6ｔｏｒｒから最大大気圧までの圧力範囲と３００℃〜７００℃の温度範囲において行われる処理ゾーン；
（Ｉｎ、Ｇａ）y（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）又は（Ｚｎ、Ｃｄ）（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）の１つ又は複数を含むｎ型半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン；
透明導電性前方層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーンであって、絶縁性透明半導体層がＺｎＯ又はＩＴＯの１つ又は複数の材料を含む処理ゾーン；及び
ＺｎＯ、Ｃｄ2ＳｎＯ4又はＩＴＯの１つ又は複数の材料を含む導電性透明半導体層の堆積のための環境を提供することができる処理ゾーン
を含む、複数の反応器ゾーンに基材を順に提供するための手段を含む光起電力素子の製造装置。
【請求項５６】
移動手段に取り付けられた複数の基材ピースを連続的な複数の反応器ゾーンを備えた装置に提供する工程であって、第１のゾーンが前記基材を準備してワークピースを製造するための充填又は分離ゾーンである工程；
バリヤー層の堆積のための環境を提供することができる第２のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
バック接点層の堆積のための環境を提供することができる第３のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
半導体層の堆積のための環境を提供することができる第４のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
アルカリ材料の堆積のための環境を提供することができる第５のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；及び
銅インジウムジセレン化物系合金材料を含む前駆体のｐ型吸収体層材料の堆積のための環境を提供することができる第６のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
先の層の１つ又は複数の熱処理のための環境を提供することができる第７のゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
接合バッファ層として作用するｎ型化合物半導体の堆積のための環境を提供することができる第８の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；
真性透明酸化物層の堆積のための環境を提供することができる第９の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程；及び
導電性透明酸化物層の堆積のための環境を提供することができる第１０の処理ゾーンに前記ワークピースを連続的に提供する工程
を含む、光起電力素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される本発明は、一般的には光起電力技術の分野に関し、より具体的には連続プロセスを用いた薄膜太陽電池の製造及び当該プロセスによって製造された薄膜太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力（ＰＶ）の電池、モジュール及び電力系は、世界の拡大する電力の需要に対し、クリーンで信頼性が高く再生可能なエネルギーを提供する。残念ながら、製品コストは、電力需要のために重要な市場が石炭や石油などの公害性で再生可能でない供給源に向かっている開発途上国において重要な市場を広げるほど十分には下げられていない。人口が増え、一人当たりのエネルギー消費が高くなるにつれて、世界は、エネルギーの需要と供給が取り返しのつかないほどにずれた一致しない将来へ向かって進んでいる。
【０００３】
ＰＶ電池は、再生可能でないエネルギー源に対する代替物を提供する。比較的高効率のＰＶ電池は実験室において製造することができる。しかしながら、商業化にとって重要な再現性と効率性を両立しつつ、これを商業的な規模のプロセスに拡大することは困難であることがわかっている。効率性を欠く薄膜製造プロセスは、ＰＶ電池が市場においてエネルギー源を有効に代替しないことの一因となっている。
【０００４】
現在、電池は、各製品ピースを反応工程の間で移動させる多工程のバッチプロセスを用いて製造されており、このような移動はかさばり、また、チャンバーにおける反応を循環させる必要がある。典型的なプロセスは、電池における種々の層の形成のためにそれぞれ具体的に設計された一連の個々のバッチ処理チャンバーから構成される。このプロセスの１つの欠点は、基材が真空から大気に移動され、そして何度も真空に戻されるということである。代替システムは、各チャンバーに関してロール・トゥ・ロールの連続プロセスで結合された一連の個々のバッチ処理チャンバーを使用する。このプロセスの主な欠点は、系が不連続であり、真空を中断する必要があるということである。
【０００５】
上で概説したアプローチでは、１つ又は複数の欠陥により、プレート全体（単一の素子）が使い物にならなくなる場合があり、製品単位でゼロ収量になる場合がある。これら及び他の問題のために、薄膜技術が世界市場で１０％未満のマーケットシェアに追いやられている。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、逐次的にバリヤー層、バック接点層、１つ又は複数の半導体層、ｎ型接合バッファ層、真性透明酸化物層、透明導電性酸化物層、及び上部金属グリッドをパレット上に形成することができる一連の反応チャンバーを通ってパレットに取り付けられた基材を提供することにより製造された光電池を提供する。
【０００７】
本発明の他の実施態様では、薄膜太陽電池は、連続製造プロセスによって形成される。この実施態様では、軟質かつ連続の基材が、反応器の入口と出口の間の連続経路に沿って配置された複数の処理ゾーンを有する反応器を通って処理される。反応器内の各処理ゾーンは、所定の処理環境によって画定され、素子形成の１つの段層のために設けられる。各ゾーンは、１つ又は複数の堆積手順と関連して処理条件をさらに含むことができる。
【０００８】
光起電力素子を連続的に形成するための方法がさらに開示される。この実施態様では、連続的な基材が複数の処理ゾーンを有する反応器を規定の速度で通過し、各ゾーンは素子製造の１つの製造工程段階のために設けられる。これらの製造工程は、（１）基材の準備のための充填又は分離ゾーン、（２）バリヤー層を堆積するための環境、（３）バック接点層を堆積するための環境、（４）半導体層を堆積するための環境、（５）アルカリ材料を堆積するための環境、（６）別の１つ又は複数の半導体層を堆積するための環境、（７）先の層の１つ又は複数を熱処理するための環境、（８）接合バッファ層として作用するｎ型半導体層を堆積するための環境、（９）真性透明酸化物層を堆積するための環境、及び（１０）導電性透明酸化物層を堆積するための環境を含む。さらなる実施態様では、プロセスは、より少ない層を有する薄膜太陽電池を製作するためにより少ないゾーンを含むよう調整することができるか、又は追加の処理をさらに加えることもできる。
【０００９】
追加のゾーンを用いて堆積又は処理ゾーンを互いに分離し、化学的な二次汚染を防ぎかつ最適な回収を可能にすることができることも理解される。これらの分離ゾーンは、露出基材が真空シールにおいて次の製造工程のための最適な状態に達するのを可能にして二次汚染を防ぐために、ワークピースがそこに存在する期間に及ぶことができる。
【００１０】
具体的な光電池のデザインに応じて、反応器内の１つ又は複数のゾーンを調整することができる。例えば、適合する堆積環境を含む１つ又は複数のゾーンを組み合わせることができる。あるいはまた、ゾーンは、種々の堆積環境又はサブゾーンを可能にする堆積プロセスの組み合わせを含むことができる。
【００１１】
さらなる実施態様では、１つ又は複数の層を組み合わせて単一層にし、単一ゾーンにおいて堆積することもできる。例えば、半導体層とアルカリ材料を組み合わせてアルカリ含有混合相の半導体源層を形成することができる。
【００１２】
明確にするために、各図面は参照番号を含む。これらの参照番号は共通の命名法に従っている。参照番号は３又は４桁を有する。第１の１又は２桁は、第一に参照番号が用いられた図面番号を表している。例えば、図１で第一に用いられる参照番号は１ＸＸのような数字を有し、図５で第一に用いられる数字は５ＸＸのような数字を有する。第２の２つの数字は図中の具体的な要素を表している。図１の１つの要素は１０１であり、別の要素は１０２である。後の図で用いられる同様の参照番号は同じ要素を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、光起電力素子を製造するために新規の製造装置を用いる。特定の装置は、具体的な光起電力素子のデザインに依存しており、それは変更することができる。図１は、基材１０５、バリヤー層１１０、バック接点層１２０、半導体層１３０、アルカリ材料１４０、別の半導体層１５０、ｎ型接合バッファ層１６０、真性透明酸化物層１７０、及び透明導電性酸化物層１８０を含む光起電力素子又は薄膜太陽電池１００を示す。薄膜太陽電池は、より少ない層を含むことができ、依然として本発明に従って機能することができることは当業者であれば理解するであろう。例えば、素子はアルカリ材料を含まなくてもよい。
【００１４】
一体化した製造装置の２つの変形態様が提供される。それぞれのケースにおいて、一連の処理チャンバーが提供され、各チャンバーは個別の層の堆積又は層の処理を行うために個別の処理レジメを提供する。これら処理チャンバーのそれぞれでは、光起電力素子にされるワークピースを移動させるための手段によって、ワークピースが意図された光電池の積層体にされるまで、第１の意図されたチャンバーから連続的な複数のチャンバーを介して移動させることができる。
【００１５】
移動機構を備えたこの複数の反応又は処理チャンバーはまた、特に有効な反応体が特に所望のチャンバー中に保持され、下流プロセスを汚染しないことを確実にする１つ又は複数の分離チャンバーを含むこともできる。当然ながら、この分離システムは、比較的少量の材料が、層がｐ型半導体であるか又はｎ型半導体であるかを決定する光起電力素子の半導体層の形成において特に重要である。この移動手段は、ワークピースの位置が規定の位置で製造装置内に配置されるのを確実にする参照手段によって構成することができる。
【００１６】
本発明では、装置を通してワークピースを移動させるための２つのタイプの移動機構が考えられる。第１は、比較的軟質の基材が系を通過して回収される連続ロールシステムである。積層体を完成した後、基材をより小さいピースにカットすることができるか、又は光電池の積層体デザインがそれを許容する場合には、完成したロール上に回収することができる。
【００１７】
第２のアプローチは、複数のワークピース基材を、移動手段上に該基材を固定できるデバイスの上に提供することであり、この移動手段はまた、製造装置を通して該ピースを正確に進行させることができる手段を有する。
【００１８】
図１を参照すると、すべての層が、複数の機能材料、例えば、ガラス、金属、セラミック又はプラスチックのうちの１つを含むことができる基材１０５の上に堆積される。基材１０５上には、バリヤー層１１０が直接堆積される。バリヤー層１１０は、薄い導体又は非常に薄い絶縁材料を含み、基材から電池の残りの部分までの望ましくない元素又は化合物の外部拡散をブロックする役目を果たす。このバリヤー層１１０は、クロム、チタン、酸化ケイ素、窒化チタン、及び必要な導電性と耐久性を有する関連する材料を含むことができる。次の堆積層は、非反応性金属、例えば、モリブデンを含むバック接点層１２０である。次の層はバック接点層１２０の上に堆積され、吸収体層とバック接点層１２０との間の接着を改善するためのｐ型半導体層１３０である。ｐ型半導体層１３０は、Ｉ−ＩＩＩa,b−ＶＩイソタイプ半導体であることができるが、好ましい組成は、先の化合物のいずれかと合金されたＣｕ：Ｇａ：Ｓｅ、Ｃｕ：Ａｌ：Ｓｅ又はＣｕ：Ｉｎ：Ｓｅである。
【００１９】
この実施態様では、ｐ型吸収体層の形成は、幾つかの別々の層の相互拡散を伴う。最終的には、図１に見られるように、ｐ型半導体層１３０と１５０が複合して、太陽エネルギーの主要な吸収体として作用する単一の複合層１５５になる。この実施態様では、アルカリ材料１４０は、以降の層の成長の種をまく目的で、並びに吸収体層１５５のキャリヤー濃度及び粒子サイズを増加させ、それにより太陽電池の変換効率を向上させる目的で加えられる。
【００２０】
アルカリ材料１４０は一般的にナトリウムに基づいており、通常はＮａ−ＶＩＩ（ＶＩＩ＝Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）又はＮａ2−ＶＩ（ＶＩ＝Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）の形態で堆積される。堆積されると、アルカリ材料１４０は、Ｎａ−Ａ：Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ合金（Ａ＝ＶＩ又はＶＩＩ）の形態であることができ、半導体層１５０との元素交換を可能にする。
【００２１】
図１によって示されるように、アルカリ材料１４０は別個のものであり、半導体層１５０がその上に堆積される。しかしながら、アルカリ材料は別個のままではなく、むしろ１５５において示されるように最終的なｐ型吸収体層の形成の一部として半導体層１５０によって吸収される。堆積される場合、アルカリ材料は、蒸発、スパッタリング又は当業者に公知の他の堆積法によってｐ型半導体層１３０又は他の予め存在する層の上に堆積される。好ましい実施態様では、アルカリ材料１４０は、周囲温度において穏やかな減圧下、好ましくは１０-6〜１０-2ｔｏｒｒでスパッタリングされる。堆積されると、層は約４００℃〜６００℃の温度で熱処理される。
【００２２】
熱処理の後、光電池製造プロセスでは、引き続いてｎ型接合バッファ層１６０が堆積される。この層１６０は最終的に吸収体層１５５と相互作用し、必要なｐ−ｎ接合１６５を形成する。透明真性酸化物層１７０が堆積され、次にＣＩＧＳ吸収体とのヘテロ接合として作用する。最後に、導電性透明酸化物層１８０が電池の電極上部として作用するよう堆積される。この最後の層は、導電性であり、発生した電流を運ぶことができるグリッドキャリヤーに電流を運ぶことができる。
【００２３】
図２は、太陽電池を形成するための反応器２００を図式的に示している。基材２０５は、供給ロール２１５と巻き取りロール２６０により反応器を通って左から右に送られる。反応器２００は、２２０、２３０、２４０及び２５０として図２に示される１つ又は複数の処理ゾーンを含み、各処理ゾーンは、基材２０５上に材料を堆積するための環境を含む。これらのゾーンは、反応器２００内で機械的に又は動作可能に互いに連結されている。本明細書で用いられる場合には、環境という語は、基材２０５が特定のゾーンにある間に基材２０５上に材料層又は材料混合物を堆積又は反応させるための条件プロファイルを言うものである。
【００２４】
各ゾーンは、処理される太陽電池の層に従って構成される。例えば、ゾーンは、熱源及び１つ又は複数の供給源ターゲットを含むスパッタリング操作を実行するよう構成することができる。
【００２５】
好ましくは、細長い基材２０５は、制御可能な速度で種々の処理ゾーンを通過する。基材２０５は、０．５ｍ／分〜約２ｍ／分の並進速度を有することができることがさらに意図される。したがって、各ゾーン内のプロセスは、好ましくは、材料が特定の源材料に最も近づく滞留時間を考慮し、所望の移動速度を考慮して、所望の断面を形成するよう調整される。したがって、各プロセスの特徴、例えば、材料及びプロセスの選択、温度、圧力、又はスパッタリング供給速度などは、移動又は並進速度によって決定される積層体の滞留時間を考慮して構成材料が適切に供給されるのを確実にするよう選択することができる。
【００２６】
本発明によれば、基材２０５は、連続ロールの方式において又はプロセスを通して送り出しかつ移動させるための「額縁」タイプの取付台でパレット方式においてプロセスを通して移動させることができる。後者は図３に図示される。図３を参照すると、１つの基材又は基材の群３１０は、１つ又は複数のゾーン３３０及び３４０を通ってトラック３５０上を平行移動するパレット３２０に取り付けられる。他の実施態様においては、プロセスは、基材３１０と背中合わせの構成に配置された第２の基材又は基材の組をさらに含むことができる。
【００２７】
各種ゾーン内のバックグラウンド圧力は１０-6ｔｏｒｒ〜１０-3ｔｏｒｒであることが意図される。圧力の上記基底真空（１０-6ｔｏｒｒ）は、パージガス、例えば、アルゴン、窒素又は酸素の添加によって達成することができる。好ましくは、速度Ｒは一定であり、結果として基材２０５は入口２０１から出口２０２まで停止することなく反応器２００を通過する。したがって、太陽電池の積層体は、基材２０５が反応器２００内で停止する必要なく、基材２０５上に連続的に形成することができると当業者であれば理解するであろう。
【００２８】
図２の反応器は、隣接する処理ゾーンを分離するよう構成された真空分離サブゾーン又はスリットバルブをさらに含むことができる。真空分離サブゾーン又はスリットバルブは、異なる圧力環境間の基材の連続的な移動を促進するよう提供される。
【００２９】
図２に示される反応器２００は、複数のＮ処理ゾーン２２０、２３０、２４０及び２５０である。しかしながら、反応器がゾーン２２０、２３０、２４０、２５０．．．Ｎゾーンを含むことができることは当業者であれば理解するであろう。ロード／アンロードゾーン２１０／２１１は、反応器の残りの部分から分離することができかつ大気に開放することができるゾーンを含む。
【００３０】
本発明によれば、１０個の層を含む上記の太陽電池は、１０個のゾーンを含む反応器を用いて製造することができ、各ゾーンは特定の層の堆積のための環境を含む。しかしながら、種々の実施態様においては、種々のゾーンを組み合わせ、それにより反応器２００内に含まれるゾーンの合計数を減らすことができる。
【００３１】
図２は、各ゾーンが種々の実施態様において特定の層の堆積のための個別の環境を含むことができることを示している。複数のプロセス態様を一緒にするため破線によって示すとおり、２つのゾーン２２０、２３０を一緒にして１つのゾーン２７０にすることができる。太陽電池の所望の構造に応じて、反応器内に含まれる幾つかのゾーンにおいて任意の変形態様があり得る。この実施態様では、基材２０５は、ゾーン２２０、２３０、２４０及び２５０を通過して、それぞれプロセス操作２２１、２３１、２４１及び２５１が実行される。
【００３２】
好ましい実施態様では、プロセスは、基材２０５と背中合わせの基材２１５をさらに含むことができる。この実施態様では、基材２１５と２０５は、背中合わせの構成において縦方向に配向され、ゾーン２２０、２３０、２４０及び２５０を通過し、同一のプロセス操作２２２、２３２、２４２及び２５２が実行される。
【００３３】
図４は、供給ロール４２０と巻き取りロール４３０により反応器４００を通って左から右に送られる基材４１０を示している。この例では、反応器は、３つの処理ゾーン４４０、４５０及び４６０を含む。反応器４００では、ゾーン４４０は、熱源４４１及び１つ又は複数の供給源ターゲット４４２を含むスパッタリング操作を実行するよう構成される。同様に、ゾーン４６０は、ノズル４６１及びターゲット４６２を含むスパッタリング操作を実行するよう構成される。ゾーン４５０は、ノズル４５１及びターゲット４５２を含むスパッタリング操作を実行するよう構成される。ゾーン４５０は、熱蒸発プロセスを実行するよう構成される。
【００３４】
図４は、隣接する処理ゾーンを分離するよう構成された真空分離ゾーン４７０及び４８０を図式的に示している。真空分離ゾーンは、異なる圧力環境間の基材の連続的な移動を促進するよう提供される。具体的には、分離ゾーンはセレンを堆積するのに用いられるチャンバー間に有用である。
【００３５】
図４に示される反応器４００は、最も低い処理圧力よりも低い圧力を作り出すためのポンプ装置を含む。スパッタリングゾーンは１０-3ｔｏｒｒの圧力を有することができ、熱ゾーンは１０-6ｔｏｒｒの圧力を有することができる。この例では、分離ゾーンは、有効な低圧力バリヤーを提供するために１０-7ｔｏｒｒの圧力を有することができる。
【００３６】
より低圧の分離ゾーンは、ゾーン間の伝導流を最小限に抑えるよう構成され、したがって、隣接する処理ゾーンにおいて比較的安定した環境を提供する。材料が通って移動するオリフィスは、ワークピースの流れを依然として維持しながら分離チャンバーへのガス流を最小限に抑えるために、基材の厚さよりも僅かに大きいことが好ましい。
【００３７】
分離ゾーンの長さは、幾つかの因子、即ち、隣接するゾーンの内圧環境、チャンバー中のワークピースの滞留時間、反応器のゾーン間の二次汚染に対する作業過程のセンシティビティなどによって決定することができる。
【００３８】
図４に図示される反応器は、マイクロプロセッサ、関連するメモリ４９０、及び開示されたプロセスの操作を制御するためのセンサーを含むことが好ましい。マイクロプロセッサ４９０は、プロセス機械の操作に関係するコンピュータの命令を記憶、読み出し及び実行するための当技術分野で公知のコンピュータを含むことができるか、あるいはまた、制限された所定の組のプロセス変量を監視及び制御するのに十分なより適度な産業用制御装置であることができる。
【００３９】
コンピュータ４９０は、各ゾーンにおいて種々のセンサーに動作可能に連結して、プロセスの種々の態様に対応するフィードバックを受信し、受信したフィードバックに応答して所望のパラメータを調整することができる。例えば、反応器４００は、ゾーン４４０に配置されたセンサー４４３と、ゾーン４５０に配置されたセンサー４５３と、ゾーン４６０に配置されたセンサー４６３とを含むことができる。１つ又は複数のセンサーは、コンピュータ４９０の所望の環境フィードバックを提供するために各種ゾーンに配置することができる。これらのセンサーは、蒸気圧、蒸気含有量、温度、ワークピースの移動速度、表面の物理的特徴などの変量を監視することができる。
【００４０】
所与のゾーンの温度及び圧力は、ゾーンの所与の領域又はサブゾーンの環境条件と同様に感知することができる。例えば、追加のセンサー４５４を提供して、センサー４５３によって感知されるものよりもゾーン４５０の特定のサブゾーンにおける状態を感知することができる。このようにして、複数の環境をゾーン内に提供することができる。例えば、センサーは、同じゾーン内に異なる温度プロファイルを提供するよう構成することができる。
【００４１】
さらに、開示されたプロセスの他の態様では、動的に感知及び制御することができる。例えば、張力センサーをプロセスを通して配置し、基材に関して所望の張力を動的に維持することができる。基材の特定部分がプロセスを通って下流に移動するにつれて、この特定部分を温度の変化にさらすことができる。これにより基材は変化する温度に反応して自然に膨張及び収縮する。基材を一定の張力で確実に維持するために、センサーはコンピュータにフィードバックを提供することができ、コンピュータは感知されたフィードバックに応答して供給及び巻き取りロール又は他の供給機械を制御するよう構成することができる。温度又はスパッタリング出力などのパラメータを動的に感知及び／又は調整して所望の張力を維持することができる。
【００４２】
なおさらには、基材は張力を正確に制御するよう構成できることが意図される。例えば、一方又は両方の縁に最も近い基材の部分を意図的にむき出しのままにして、ローラーガイド、張力制御機器又は他の供給機構に直接的に接触するのを容易にし、そうして基材の張力を制御することができる。あるいはまた、移動及び張力の制御を容易にするために、紙又は膜において通常見出されるようなトラクタ送りのガイド穴を基材の周りに設けることができる。
【００４３】
これらの機械的な張力制御方法を環境センサーとともに使用して、一方の環境から次の環境へ通過させるときに基材の張力をより正確に制御することができる。
【００４４】
図６Ａは、背中合わせの基材６０１と６０２を処理する反応器６００の部分の上面図を示し、ゾーン６１１によって分離された逐次的なスパッタ−蒸発プロセスをさらに図示している。背中合わせの処理を達成するために、基材６０１のための熱源６０３は、基材６０２のための熱源６０７として反映されている。同様に、基材６０１のためのスパッタリング源６０４、熱源６０５及び蒸発源６０６は、基材６０２に関してスパッタリング源６０７、熱源６０９及び蒸発源６１０として反映されている。
【００４５】
図６Ｂは、逐次的なスパッタ−蒸発／スパッタ−蒸発プロセスを備えた背中合わせの基材６２１と６２２を処理する反応器６２０の部分の上面図を示している。図６Ａと同様に、基材６２１のためのスパッタ源６２２は、基材６２２のためのスパッタ源６２８として反映されている。同様に、基材６２１のための熱源６２３と６２６、蒸発源６２４と６２７及びスパッタリング源６２５は、基材６２２に関して熱源６２９と６３２、蒸発源６２９と６３３及びスパッタリング源６３１として反映されている。したがって、熱源と材料源の単純な複製によって、太陽電池の製造を同じ機械内で効果的に２倍にすることができる。
【００４６】
［具体的な処理工程］
次に個々の処理工程を検討すると、処理は、分離された装入ゾーン又は同様のユニット２１０を介して基材を装入することによって開始される。種々の実施態様では、分離ゾーン２１０は反応器２００内に含まれる。あるいはまた、分離ゾーン２１０は反応器２００の外側部分に取り付けることができる。第１の処理ゾーン２１０は基材の前処理環境をさらに含み、如何なる残留欠陥も表面の原子レベルで除去することができる。基材の前処理は、イオンビーム、堆積、加熱又はスパッタ−エッチングを含むことができる。
【００４７】
第２の処理ゾーンは、基材の不純物分離のためのバリヤー層を堆積するための環境であることができ、バリヤー層は基材と以降の層との間に導電路を提供する。好ましい実施態様では、バリヤー層は、スパッタリングプロセスによって供給されたクロム又はチタンなどの元素を含む。好ましくは、この環境は、周囲温度で約１０-3ｔｏｒｒ〜約１０-2ｔｏｒｒの圧力を有する。
【００４８】
先のゾーンから下流の第３の処理ゾーンは、バック接点層として作用する金属層の堆積のための環境を含む。バック接点層は、電流のための導電路を提供する厚さを含む。加えて、バック接点層は、太陽電池積層体の第１の導電層として作用する。さらに、この層は、基材から太陽電池構造の残りの部分までの化学化合物、例えば、不純物の拡散を防ぐよう作用するか、又は基材層と太陽電池構造の残りの部分との間の熱膨張バッファとして作用することができる。バック接点層はモリブデンを含むことが好ましいが、アルミニウム、銅又は銀などの他の導電性金属を含むことができる。
【００４９】
第４のゾーンは、ｐ型半導体層の堆積のための環境を提供する。ｐ型半導体層は、吸収体の成長のためのエピタキシャルテンプレートとして作用することができる。好ましくは、ｐ型半導体層はイソタイプＩ−ＩＩＩＶＩ2材料であり、この材料の光学バンドギャップはｐ型吸収体層の平均光学バンドギャップよりも高い。例えば、半導体層は、Ｃｕ：Ｇａ：Ｓｅ、Ｃｕ：Ａｌ：Ｓｅ、又はＣｕ：Ｉｎ：Ｓｅと先の化合物のいずれかとの合金を含むことができる。好ましくは、材料は、１０-6ｔｏｒｒ〜１０-2ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力及び周囲温度から最大約３００℃の温度でのスパッタリングプロセスによって供給される。より好ましくは、温度は周囲温度から約２００℃である。
【００５０】
先のゾーンから下流の第５のゾーンは、吸収体の成長及び電気的な性能を向上させるアルカリ材料の堆積のための環境を提供する。好ましくは、シード層が、周囲温度及び約１０-6ｔｏｒｒ〜１０-2ｔｏｒｒの圧力範囲でスパッタリングされる。好ましくは、材料は、厚さが約５０ｎｍ〜約５００ｎｍのＮａＦ、Ｎａ2Ｓｅ、Ｎａ2Ｓ又はＫＣｌ又は同様の化合物を含む。
【００５１】
先のゾーンから下流の第６のゾーンは、ＣＩＧＳ吸収体層のための追加の半導体層の堆積のための環境を含むことができる。好ましい実施態様では、第６のゾーンは、半導体層の堆積のための１つ又は複数のサブゾーンをさらに含むことができる。１つの実施態様では、ＣＩＧＳ吸収体層は、まず１つ又は複数の隣接するサブゾーンにおいて前駆体材料を供給し、次いで当該前駆体材料を下流の熱処理ゾーンにおいて反応させｐ型吸収体層にすることによって形成される。したがって、特にＣＩＧＳ系の場合、層の構成において２つの材料堆積工程と第３の熱処理工程があり得る。
【００５２】
前駆体材料の供給ゾーンでは、前駆体材料の層は、蒸発、スパッタリング及び化学気相成長又はそれらの組み合わせを含む種々の方法において堆積される。好ましくは、前駆体材料は、約２００℃〜３００℃の温度で供給することができる。前駆体材料は反応して可能な限り速くｐ型吸収体を形成することが望ましい。この目的のために上記のとおり、１つ又は複数の前駆体層を薄層の混合物又は一連の薄層として形成することができる。
【００５３】
製造装置はまた、先の処理ゾーンから下流に、先の層の１つ又は複数を熱処理するための第７の処理ゾーンを有する。多成分という語は、２成分、３成分などを含む。好ましくは、熱処理は先の未反応の成分又は多成分を反応させる。例えば、１つの実施態様では、ワークピース上の堆積のための供給源として、多成分化合物の要素の種々の組み合わせ及び割合においてＣｕ、Ｉｎ、Ｓｅ及びＧａを有することが好ましい。反応性環境は、セレンと硫黄を種々の割合で含み、バックグラウンドが不活性ガス環境であるかにかからず約４００℃〜約６００℃の温度である。種々の実施態様において、処理時間は、前駆体の混合を最適化することにより１分以下まで最小化することができる。環境内の最適な圧力は、当該環境が反応性であるか又は不活性であるかに左右される。本発明によれば、熱処理ゾーン内では、圧力は約１０-6ｔｏｒｒ〜約１０-2ｔｏｒｒである。しかしながら、これらの範囲は、工程のための反応器のデザイン、光起電力素子の設計者、及び装置全体としての操作変数に非常に大きく依存している。
【００５４】
反応器は、ｎ型半導体層又は接合パートナーの形成のための第８の処理ゾーンを有することができる。接合バッファ層は、ＩＩ−ＶＩ又はＩＩＩxＶＩの系統群から選択される。例えば、接合バッファ層は、蒸発、昇華又は化学気相成長の方法によって堆積されるＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｉｎ、Ｓｅ又はＩｎＮＳを含むことができる。温度は約２００℃〜約４００℃である。
【００５５】
さらに、プロセスはまた、透明酸化物の真性層、例えば、ＺｎＯの堆積のための環境を有する第９のゾーンを含むことができる。本発明によれば、真性透明酸化物層は、例えば、ＲＦスパッタリング、ＣＶＤ又はＭＯＣＶＤを含む種々の方法によって堆積することができる。
【００５６】
種々の実施態様において、プロセスはまた、太陽電池の上部電極として作用する透明導電性酸化物層の堆積のための環境を有する第１０のゾーンを含むことができる。１つの実施態様では、例えば、アルミニウムをドープしたＺｎＯがスパッタ堆積される。好ましくは、この環境は、約２００℃の温度と約５ｍｔｏｒｒの圧力を含む。あるいはまた、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）又は同様のものを使用することができる。
【００５７】
１つの実施態様では、上記のように、反応器は、各ゾーンが光起電力素子の形成の１つの層に対応する別々のゾーンを含むことができる。しかしながら、好ましい実施態様では、同様の構成及び／又は環境条件を含むゾーンを組み合わせ、それにより反応器におけるゾーンの合計数を減らすことができる。
【００５８】
例えば、図５では、ゾーン５１０はサブゾーン５１１及び５１２を含み、ゾーン５１５はサブゾーン５１６及び５１７を含み、ゾーン５２０は１つのゾーンを含み、各ゾーン及びサブゾーンは所定の環境を含む。この例では、材料Ａをサブゾーン５１１で堆積することができ、異なる材料Ｂをサブゾーン５１２で堆積することができ、材料Ａから下流のサブゾーン５１２の環境は、サブゾーン５１１の環境とは異なる。したがって、基材５０５は、同じゾーン５１０の異なる領域にある間に、異なる温度又は他のプロセスプロファイルにさらすことができる。この実施態様によれば、ゾーンは所定の圧力を有するものとして規定することができ、ゾーンは、その中に１つ又は複数の領域、サブゾーン又は相を含むことができ、各サブゾーンは同じ圧力環境内に所望の１つ又は複数の材料を堆積又は反応させるよう構成される。
【００５９】
次いで、基材５０５はチャンバー５１５に通すことができ、材料Ｃがサブゾーン５１６内で堆積され、材料Ｄがサブゾーン５１７で堆積される。最後に、基材５０５はゾーン５２０に達し、単一材料Ｅが堆積される。
【００６０】
当業者であれば理解するように、反応器５００は、基材の移動によって画定される経路に沿って反応器の入口と出口の間に配置される一連のゾーンを有するものとして説明することができる。各ゾーン内では、１つ又は複数の構成環境又はサブゾーンが１つ又は複数の選択されたターゲット材料を堆積又は反応させるよう提供され、結果として、太陽電池積層体を形成するための連続プロセスを得ることができる。基材が反応器に入ると、太陽電池積層体の種々の層が逐次的に堆積及び形成され、それぞれの下流プロセスが連続して太陽電池積層体の形成に寄与し、完成した薄膜太陽電池が反応器の出口で得られる。
【００６１】
本開示の実施態様及び適用が示されかつ説明されたが、本発明の概念を逸脱することなく記載したよりも多くの変更及び改良が可能であることは当業者にとって明らかであろう。それゆえ、本開示は、特許請求の範囲の趣旨を除いて限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の製造技術によって製造された薄膜太陽電池の実施態様を示す。
【図２】本発明による薄膜太陽電池を製造するための連続プロセスの実施態様を示す。
【図３】本発明による連続プロセスを通って左から右に送られる基材の１つの実施態様を示す。
【図４】本発明による連続プロセスの１つの実施態様を示す。
【図５】ゾーンが１つ又は複数のサブゾーンをさらに含む本発明による連続プロセスの別の実施態様を示す。
【図６Ａ】２つの基材が本発明に従った逐次的なスパッタ−蒸発プロセスによって同時に供給及び処理される処理方法の実施態様を示す。
【図６Ｂ】２つの基材が逐次的なスパッタ−蒸発／スパッタ−蒸発プロセスによって同時に供給及び処理される処理方法の実施態様の上面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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