ЭЛЕКТРОДНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОННОМ УСТРОЙСТВЕ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRODE STRUCTURE FOR USE IN ELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAID ELECTRODE STRUCTURE

x
y
Изобретение относится к электродной структуре для использования в электронном устройстве. В некоторых примерах воплощения электродная структура включает в себя опорную стеклянную подложку (например, из натрий-кальциевого силикатного флоат-стекла), буферный слой (например, SiN) и токопроводящий электрод (например, Mo), обеспеченный поверх этой структуры. Буферный слой обладает преимуществом, состоящим в том, что он предотвращает или ослабляет миграцию натрия (Na) из стеклянной подложки в полупроводниковый слой (слои) электронного устройства (например, солнечного элемента или другого подходящего электронного устройства). Также обеспечен способ изготовления электродной структуры.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задние электроды для солнечных элементов и т.п. известны из уровня техники. В качестве неограничивающих примеров можно привести патентные документы США №№ 2004/0261841, 2005/0253142, 5981868, 2005/0236032, 5477088, 2005/0186342, 2005/0257825, 2005/0284518, 2004/0087172 и 2005/0072461, которые, таким образом, включены в данный документ путем ссылки.
Задние электроды для электронных устройств, таких как солнечные элементы на основе CIS (copper indium diselenide, диселенид меди и индия) и CIGS (copper indium gallium diselenide, диселенид меди, индия и галлия), обычно изготавливают в виде слоя Mo, который наносят путем напыления непосредственно на подложку. В некоторых применениях подложку можно изготавливать из стекла, такого как натрий-кальциевое силикатное стекло. После серии следующих друг за другом осаждений и скрайбирований/рельефообразований изготовление устройства завершают созданием контактов к электрической шине, помещением устройства в капсулу и каркас. Каждый компонент устройства вносит вклад в его кпд.
2
Что касается стеклянных подложек, натрий-кальциевое силикатное флоат-стекло содержит Na (например, в форме NaO). Известно, что иногда является желательным обеспечение Na в слое поликристаллического CIGS-абсорбера для повышения кпд солнечного элемента. Следовательно, в отличие от многих других электрооптических покрытий, присутствие натрия в CIS и CIGS является практически приемлемым. Однако при наличии решения вводить Na в абсорбирующий слой CIS и/или CIGS важно, чтобы натрий вводили контролируемым и предсказуемым образом.
При изготовлении солнечных элементов и других электронных устройств полупроводниковые слои часто подвергают существенной термообработке в ходе процесса изготовления. Такая термообработка может включать в себя воздействие на стеклянную подложку и полупроводниковый слой (слои) температурами, по меньшей мере, 400°C, иногда, по меньшей мере, 500°C, и возможно более высокими температурами. К сожалению, такие температуры термообработки часто вызывают диффузию Na из стеклянной подложки в покрытие неконтролируемым и непредсказуемым образом. Это означает, что неконтролируемые и непредсказуемые количества натрия в солнечном элементе или другом электронном устройстве могут диффундировать из стеклянной подложки в слой CIGS или CIS, что во многих случаях может привести к нежелательному и/или непредсказуемому функционированию.
В связи с вышеизложенным должно быть ясно, что в данной области техники существует необходимость в технологии для предотвращения или ослабления неконтролируемой миграции натрия в полупроводниковый слой (слои) солнечных элементов или других электронных устройств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
x
y
В некоторых примерах выполнения данного изобретения обеспечена электродная структура для использования в солнечных элементах и подобных устройствах. В некоторых примерах выполнения электродная структура включает в себя несущую стеклянную подложку (например, из натрий-кальциевого силикатного флоат-стекла), буферный слой (например, SiN) и проводящий электрод (например, Mo), расположенные в указанном порядке. Преимущество буферного слоя состоит в том, что он предотвращает или ослабляет миграцию натрия (Na) из стеклянной подложки через молибденовый задний электрод в полупроводниковый слой (слои) электронного устройства (например, солнечного элемента или другого подходящего электронного устройства). Таким образом, при желании натрий может быть добавлен к полупроводниковому слою из верхних слоев при обработке после осаждения (т.е. не из стекла). Буферный слой может быть изготовлен из нитрида кремния и может включать в себя кислород и/или другой элемент (элементы) в некоторых примерах выполнения данного изобретения. Буферный слой в различных примерах выполнения настоящего изобретения может представлять собой один слой или несколько слоев.
x
y
3
4
В некоторых примерах выполнения данного изобретения буферный слой содержит нитрид кремния, который обогащен кремнием. В качестве неограничивающего примера можно привести буферный слой, который может содержать SiN, где x/y составляет, по меньшей мере, 0,76, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,80, даже более предпочтительно, по меньшей мере, 0,85, и, возможно, по меньшей мере, 0,90. Неожиданно было обнаружено, что нитрид кремния, обогащенный Si, является лучшим абсорбером Na из стекла, по сравнению со стехиометрическим SiN.
2-x
x
2-x
x
Другие преимущества буферного слоя относятся к улучшенному контролю механических свойств, и/или кпд слоя электрода, и/или электронного устройства. В некоторых примерах выполнения электродный слой Mo действует как слой для кристаллообразования для комплекта CIS/CIGS. Путем регулирования параметров осаждения буферного слоя можно достигать желаемых свойств молибденового электродного слоя и, в свою очередь, также достигать желаемого уровня селенизации слоя абсорбера и т.п. Высокая производительность и давления осаждения, используемые в установках для вакуумного напыления, также являются благоприятными при получении более пористой металлической (например, молибденовой) поверхности, что приводит к лучшей адгезии между абсорбером и Mo, с образованием переходного слоя MoSeO на границе Mo и абсорбера, что используется (необязательно) в некоторых примерах выполнения данного изобретения. Этот переходный слой MoSeO на границе Mo и абсорбера в некоторых примерах выполнения данного изобретения приводит к более высоким кпд слоя CIS или CIGS.
В некоторых примерах выполнения данного изобретения толщина буферного слоя составляет примерно 10-1000 нм, более предпочтительно - примерно 100-500 нм, а наиболее предпочтительно - примерно 100-200 нм (например, 150 нм). Более того, в некоторых примерах выполнения данного изобретения толщина электродного слоя (например, слоя на основе Mo) составляет примерно 50-1000 нм, более предпочтительно - примерно 100-900 нм, а наиболее предпочтительно - примерно 200-600 нм (например, примерно 440 нм).
2
2
2
3
2
В некоторых примерах выполнения данного изобретения обеспечен солнечный элемент, содержащий: стеклянную подложку, содержащую SiO (67-75%), NaO (10-20%), CaO (5-15%), MgO (0-7%), AlO (0-5%), KO (0-5%); буферный слой, содержащий нитрид кремния, созданный на стеклянной подложке и находящийся в непосредственном контакте с ней; задний электрод, содержащий Mo, сформированный на буферном слое, содержащим нитрид кремния, и находящийся в непосредственном контакте с ним; слой абсорбера, созданный на заднем электроде, содержащем Mo; и фронтальный электрод. В некоторых примерах воплощения между слоем абсорбера и фронтальным электродом может быть обеспечен слой окон для пропускания излучения.
2
2
В других примерах выполнения данного изобретения обеспечено электронное устройство, содержащее: стеклянную подложку, содержащую SiO и NaO; буферный слой, содержащий нитрид кремния, сформированный (прямо или косвенно) на стеклянной подложке; проводящий электрод, содержащий Mo, Al и/или Cr, сформированный (прямо или косвенно) на буферном слое, содержащем нитрид кремния; и полупроводниковый слой, содержащий, по меньшей мере, один элемент каждой из групп IB, IIIA и VIA, сформированный на проводящем электроде.
2
2
3
В других примерах выполнения данного изобретения обеспечен способ изготовления электронного устройства, причем способ включает в себя: обеспечение стеклянной подложки, содержащей SiO и NaO, причем на стеклянную подложку нанесен буферный слой, содержащий нитрид кремния, сформированный на стеклянной подложке и находящийся в непосредственном контакте с ней, и проводящий электрод, содержащий Mo, Al и/или Cr, сформированный на буферном слое, содержащим нитрид кремния и находящийся в непосредственном контакте с ним; формирование полупроводникового слоя, содержащего, по меньшей мере, один элемент из каждой группы IB, IIIA и VIA на проводящем электроде; и использование термообработки при температуре, по меньшей мере, примерно 350°C с введением натрия в полупроводниковый слой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение солнечного элемента согласно примеру выполнения данного изобретения.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение солнечного элемента согласно другому примеру выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Рассмотрим теперь подробнее прилагаемые чертежи, на которых одинаковые номера позиций означают одинаковые детали на всех изображениях.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение солнечного элемента согласно примеру выполнения данного изобретения. Солнечный элемент включает в себя стеклянную подложку 1, которая в некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения может представлять собой натрий-кальциевое силикатное флоат-стекло (например, толщиной 1-10 мм), буферный слой 3 для ослабления или предотвращения диффузии натрия из стеклянной подложки, проводящий электродный слой 5, переходный слой 7a (необязательно), полупроводниковый слой 7, поглощающий свет или другое излучение, буферный слой 9 (необязательно), слой 11 окон для пропускания излучения и фронтальный 15 электрод.
x
y
В некоторых примерах выполнения электродная структура включает в себя стеклянную подложку 1, буферный слой 3 (например, SiN) и проводящий электрод 5 (например, Mo), которые расположены в указанном порядке. Буферный слой 3 обладает преимуществом, состоящим в том, что он предотвращает или ослабляет миграцию натрия (Na) из стеклянной подложки 1 в полупроводниковый слой 7 (слои) электронного устройства (например, солнечного элемента или другого подходящего электронного устройства). Таким образом, при желании в ходе обработки после осаждения натрий можно добавлять к полупроводниковому слою 7 из верхних слоев, но это необязательно. В некоторых вариантах воплощения данного изобретения слои 3, 5 и 7 проходят непрерывно через всю подложку или, по меньшей мере, через значительную часть подложки и не имеют никаких образованных в них апертур или отверстий.
Стеклянная 1 подложка в некоторых вариантах выполнения данного изобретения может представлять собой натрий-кальциевое силикатное флоат-стекло. Пример натрий-кальциевого силикатного стекла согласно некоторым вариантам выполнения настоящего изобретения включает в себя следующие основные компоненты, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
67-75
Na<sub>2</sub>O
10-20
CaO
5-15
MgO
0-7
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0-5
K<sub>2</sub>O
0-5
BaO
0-1
3
3
2
В состав стеклянной подложки могут входить также другие, второстепенные компоненты, включающие в себя различные стандартные осветляющие добавки, такие как SO, углерод и т.п. В некоторых вариантах воплощения, например, приведенное здесь стекло можно изготавливать из шихтового сырья, например из кварцевого песка, кальцинированной соды, доломита, известняка, с использованием сульфата натрия, (SO) и/или соли Эпсома (например, в сочетании примерно 1:1) в качестве осветлителя. Является предпочтительным, чтобы стекла на основе сплава натриевой извести и диоксида кремния включали примерно 10-15 мас.% NaO и примерно 6-12 мас.% CaO. С этой точки зрения следует отметить значительное количество натрия (Na) в стекле, который может быть подверженным диффузии при высокотемпературных условиях. Более того, помимо вышеуказанных материалов, в стекле в подходящих количествах могут присутствовать красители, такие как оксид железа и/или другие красители.
x
y
3
4
Буферный слой 3 в некоторых вариантах выполнения данного изобретения может представлять собой или включать в себя нитрид кремния, а также может включать в себя кислород и/или другой элемент (элементы), такие как Al. Буферный слой 3 в различных примерах выполнения настоящего изобретения может быть одиночным или многослойным. В некоторых примерах выполнения настоящего изобретения буферный слой 3 представляет собой или включает в себя нитрид кремния, который обогащен Si. В качестве неограничивающего примера буферный слой 3 может представлять собой или включать в себя SiN, где x/y составляет, по меньшей мере, 0,76, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,80, даже более предпочтительно, по меньшей мере, 0,85, и возможно, по меньшей мере, 0,90. Более того, в некоторых примерах выполнения это соотношение x/y обычно составляет менее 2, более предпочтительно, менее примерно 1,5. Неожиданно было обнаружено, что нитрид кремния, обогащенный Si, является лучшим поглотителем Na из стекла 1, чем стехиометрический SiN. В некоторых примерах выполнения данного изобретения толщина буферного слоя 3 составляет примерно 10-1000 нм, более предпочтительно примерно 100-500 нм, а наиболее предпочтительно примерно 100-200 нм (например, 150 нм). Буферный слой 3 в некоторых примерах выполнения настоящего изобретения можно осаждать путем напыления или подобным способом. Буферный слой 3 в некоторых примерах может также включать в себя алюминий и/или кислород (дополнительно к нитриду кремния). В некоторых примерах воплощения буферный слой 3 включает примерно 1-15% алюминия и/или примерно 1-25% кислорода, более предпочтительно примерно 2-20% кислорода.
Буферный слой 3 в некоторых примерах выполнения данного изобретения градуируют по кислороду. Здесь можно привести неограничивающий пример, в котором, когда буферный слой 3 представляет собой оксинитрид кремния, данный буферный слой 3 градуирован по содержанию кислорода таким образом, что он содержит кислород вблизи границы со стеклянной подложкой 1 в большей степени, чем вблизи границы с проводящим задним электродом 5. В частности, в буферном слое 3 больше кислорода присутствует в его части, близкой к стеклянной подложке 1, чем в другой его части, близкой к заднему электроду 5. В различных вариантах выполнения данного изобретения уровень окисленности может изменяться плавно или резко. В некоторых примерах выполнения данного изобретения преимущество такого уровня окисленности буферного слоя 3 состоит в том, что это позволяет добиться наилучшего оптического выравнивания на границе со стеклянной подложкой 1, с точки зрения показателя преломления и т.п. Это может позволить улучшить оптические свойства и/или адгезию.
Задний проводящий электрод 5 в некоторых примерах выполнения изобретения обычно состоит из Мо или включает в себя Mo. В некоторых примерах выполнения данного изобретения электродный слой 5 (например, слой на основе Mo, который в некоторых примерах выполнения может быть металлическим) имеет толщину примерно 50-1000 нм, более предпочтительно - примерно 100-900 нм и наиболее предпочтительно - примерно 200-600 нм (например, примерно 440 нм). Притом, что задний электрод 5 в некоторых примерах выполнения состоит из Mo, электрод 5 в других вариантах воплощения данного изобретения может вместо этого состоять из сплава Mo-Ni, алюминия, стали, сплава на основе Cr или другого металла, или иметь смешанный состав. Слой электрода 5 в различных примерах воплощения изобретения можно осаждать путем напыления, путем нанесения гальванического покрытия и т.п.
Полупроводниковый абсорбирующий слой 7 в некоторых вариантах выполнения данного изобретения может представлять собой слой на основе CIGS (copper indium gallium diselenide, диселенид меди, индия и галлия). В некоторых вариантах выполнения данного изобретения, слой абсорбера 7 может включать в себя материал, содержащий элементы групп IB, IIIA и VIA. В некоторых примерах выполнения абсорбирующий 7 слой в качестве элемента группы IB включает в себя медь (Cu), в качестве элемента(ов) группы IIIA - галлий (Ga) и/или индий (In), и/или алюминий, а в качестве элементов группы VIA - селен (Se) и/или серу (S). Слой 7 абсорбера в некоторых случаях можно изготавливать с использованием серии осаждений атомных слоев на базовом электроде 5, и в различных примерах выполнения данного изобретения он может иметь толщину примерно 500-2000 нм. В качестве альтернативы абсорбирующий слой 7 может быть изготовлен из любого из материалов для абсорбирующих слоев, описанных в любом из патентных документов США №№ 2004/0261841, 2005/0253142, 5981868, 2005/0236032, 5477088, 2005/0186342, 2005/0257825, 2005/0284518, 2004/0087172 и 2005/007246I5, которые, таким образом, включены в данный документ путем ссылки.
2
2
После того, как абсорбирующий слой 7 был сформирован, устройство (например, с любым другим слоем (слоями) или без таковых) можно подвергать термообработке. В качестве неограничивающего примера, устройство, включающее в себя слой 7, можно подвергать термообработке при температуре, по меньшей мере, примерно 400°C, иногда, по меньшей мере, примерно 500°C, и, возможно, более высоким температурам. Такую термообработку можно осуществлять, например, в ходе этапа нанесения раствора, содержащего натрий, поверх слоя 7, и эта термообработка вызывает диффузию натрия в слой 7, что приводит к добавлению натрия к слою 7 контролируемым и предсказуемым способом. В качестве неограничивающего примера диффузия натрия в слой 7 может происходить вследствие осаждения примерно 30 нм соединения-предшественника, содержащего Na, такого как NaF, на растущий и охлажденный абсорбирующий слой 7, с последующим отжигом примерно при 400°C или выше в вакууме, чтобы натрий мог диффундировать в слой 7 абсорбера. Следует отметить, что вместо или помимо NaF можно использовать соединение-предшественник, содержащее Na, такое как NaS и/или NaSe. Таким образом, в некоторых примерах выполнения слой 7 абсорбера также включает в себя небольшое количество натрия (например, примерно 0,05-2% натрия, более предпочтительно - примерно 0,1-1% натрия). Другим примером возможной термообработки в некоторых примерах выполнения данного изобретения является выращивание самого слоя 7 при температурах, по меньшей мере, примерно 350°C, и, возможно, по меньшей мере, примерно 400°C. В качестве альтернативы соединение-предшественник, содержащее Na, можно наносить прямо поверх молибденового электрода, чтобы оно находилось непосредственно под слоем 7 абсорбера во время его роста; а тепло (например, при температуре, по меньшей мере, примерно 350°C, и возможно, по меньшей мере, примерно 400°C), используемое при росте слоя 7 абсорбера, можно использовать для порождения диффузии натрия, по меньшей мере, в часть слоя 7 в ходе его роста.
Слой 11 окон для пропускания излучения можно использовать в качестве соединительного элемента для слоя 7 абсорбера. Например, в некоторых примерах воплощения данного изобретения слой 11 соединительного элемента может включать в себя сульфид кадмия, сульфид цинка или селенид цинка, или их сочетание. Этот слой в некоторых примерах воплощения можно осаждать путем осаждения из соляной ванны или путем химического поверхностного осаждения, до достижения толщины примерно 50-100 нм. В некоторых примерах воплощения к слою абсорбера можно отнести сочетание, по меньшей мере, слоев 7 и 11.
В некоторых примерах выполнения настоящего изобретения фронтальный проводящий электрод 15 является практически прозрачным. Фронтальный электрод 15 может представлять собой слой прозрачного проводящего оксида (transparent conductive oxide, TCO). Электрод 15 может представлять собой или включать в себя оксид цинка, оксид цинка, легированный алюминием, оксид индол-олова (ITO) и т.п. Этот электрод 15 в некоторых примерах выполнения может быть создан путем напыления, испарения, химического испарения из паровой фазы, нанесения гальванического покрытия и т.п.
Помимо фронтального электрода 15 в некоторых примерах выполнения данного изобретения поверх электрода 15 или вместо электрода 15 можно обеспечить слой металлических (например, Ni, Al или Ag) проводящих штырей (не показаны). Это можно сделать для снижения общего поверхностного сопротивления слоя и/или для обеспечения электрического контакта (контактов).
II
VI
Буферный слой 9 является необязательным. Во многих вариантах выполнения буферный слой 9 отсутствует. В некоторых примерах выполнения промежуточный буферный слой 9 может представлять собой или включать в себя полупроводник, такой как тонкая пленка прозрачного полупроводникового соединения AB с высоким сопротивлением, которая может содержать гидроксид.
2-x
x
2-x
x
Помимо сказанного выше, преимущество другого примера буферного слоя 3 состоит в лучшем контроле механических свойств и/или кпд слоя электрода 5 или электронного устройства. Слой 5 заднего электрода (например, Mo) в некоторых примерах выполнения действует как слой для кристаллообразования для комплекта CIS/CIGS. Путем регулирования параметров осаждения буферного слоя 3 можно получать желаемые свойства молибденового электродного слоя 5, а также, в свою очередь, получать желаемый уровень селенизации слоя 7 абсорбера и т.п. Высокая линейная скорость и давления осаждения, используемые в установках вакуумного напыления, также являются благоприятными при получении более пористой металлической (например, Mo) поверхности для слоя 5, что приводит к улучшенной адгезии между абсорбером 7 и молибденовым слоем 5, с образованием переходного слоя 7a состава MoSeO (x может составлять примерно 0-1,99, более предпочтительно - примерно 0,1-1,9 в некоторых примерах воплощения) на границе Mo/абсорбер, как показано на Фиг.1, что имеет место (необязательно) в некоторых примерах выполнения данного изобретения. Этот переходный слой 7a, содержащий MoSeO, на границе Mo/абсорбер в некоторых примерах выполнения данного изобретения приводит к повышенным кпд слоя CIS или CIGS.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение солнечного элемента согласно другому примеру выполнения данного изобретения. Солнечный элемент согласно Фиг.2 аналогичен солнечному элементу согласно Фиг.1, за исключением того, что слои 7-11 Фиг.1 в варианте выполнения заменены, по меньшей мере, полупроводниковым слоем (слоями) 17. В некоторых примерах выполнения полупроводниковый слой 17 может представлять собой или включать в себя абсорбирующий слой, такой как диселенид меди-индия (copper indium diselenide, CIS). В некоторых примерах выполнения выше слоя 17 может также присутствовать дополнительный полупроводниковый слой (слои).
Хотя изобретение было описано в соответствии с тем, что в настоящее время считается наиболее целесообразным и предпочтительным вариантом выполнения, следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытым вариантом выполнения, а напротив, оно предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентное соответствующих сущности и объему прилагаемой формулы изобретения.