薄膜光伏裝置及制造方法與流程

技術領域

本發明涉及由薄膜沉積制造的太陽能電池和/或光伏裝置，并且更具體地涉及在硫族化合物半導體或ABC半導電化合物的吸收層中的多種元素的深度分布。

背景技術：

光伏裝置通常被理解為光伏電池或光伏模組。光伏模組通常包括互連光伏電池陣列。

一種用于制造光伏裝置和/或光伏電池的方法包括例如將半導體材料切成多個晶圓。另一種用于制造光伏裝置的方法包括將半導體材料作為一個薄膜沉積在一個基板上。薄膜光伏裝置的制造可以比用晶圓制造光伏裝置更具有成本效率。增加的成本效率的實現不僅是因為生產期間材料及能量的節省，也是因為在增加裝置的光伏轉換效率上技術的進步。本披露涉及使用相對低成本及低基板溫度方法制造薄膜光伏裝置，所述裝置具有與在類似的基板溫度水平上制造的現有技術薄膜裝置相比更高的光伏效率。對于一個給定的電力輸出，光伏裝置成本的降低是拓展其商業化的主要動力，并且有助于減少化石燃料燃燒所致的排放。另外，光伏裝置轉換效率的增加使得每單位面積有更高電力輸出，并且因此對于一個給定的輸出功率有更低的材料及安裝成本。

一個薄膜光伏裝置通常通過將多個材料層沉積在一個基板上制造。以簡化的功能觀點來看，這些材料層可以表示為一種可能被一個緩沖層涂覆的光伏吸收層，該組合被夾合在至少兩個導電層之間。本披露內容涉及光伏裝置，該裝置含有通常基于一種ABC硫族化合物材料的一個吸收層，例如ABC₂黃銅礦材料，其中A代表如在國際純粹與應用化學聯合會所定義的化學元素周期表第11族的元素，包括Cu或Ag，B代表周期表第13族中的元素，包括In、Ga或Al，并且C代表周期表第16族中的元素，包括S、Se或Te。一種ABC₂材料的示例是Cu(In,Ga)Se₂半導體，也被稱為CIGS。本披露內容還涉及呈四元、五元或多元材料的形式(例如Cu_x(In,Ga)_y(Se,S)_z、Cu_x(In,Al)_ySe_z、Cu_x(Zn,Sn)_ySe_z、Cu_x(Zn,Sn)_y(Se,S)_z或(Ag,Cu)_x(In,Ga)_ySe_z)的通常的ABC三元合成物(例如Cu_xIn_ySe_z或Cu_xGa_ySe_z)的變體。

本披露提出了一種用于在相對低的基板溫度(低于600℃)下生產光伏裝置的方法。它特別有利于基于塑料基板或金屬箔的柔性光伏裝置的生產。本披露還提出了在吸收層中具有半導體元件的一種新穎特征深度分布的多種裝置。

可以使用多種方法(例如氣相淀積、濺射、印刷、離子束或電鍍)來制造薄膜ABC或ABC₂光伏裝置的光伏吸收層。最常見的方法是基于在真空室內通常使用多個材料蒸發源的氣相沉積或共蒸發。美國專利4,335,266描述了由I-III-VI₂黃銅礦化合物形成薄膜太陽能電池的方法，并且通常被認為是制造ABC₂光伏裝置技術的一個里程碑。美國專利5,441,897中提出了較新的現有技術，該專利提出了一種在兩個或三個步驟中制造Cu(In,Ga)(Se,S)₂薄膜太陽能電池的方法。美國專利6,258,620通過在沉積過程開始時使用不同材料原子比率對前述三個步驟方法有進一步貢獻，并且可能性地貢獻更多材料沉積步驟以構成一個前體層，該前體層其后通過在基本上更高的基板溫度下加熱所沉積的材料而轉換成一個吸收層。

雖然一些現有技術已經能夠制造轉換效率與更為傳統的硅晶圓的技術相當的光伏裝置，迄今已經通過使用高溫沉積過程(通常在大約600℃)獲得了薄膜的高效率。本披露因此描述了一種方法，該方法具有使高效率光伏裝置也能夠在基本上更低的沉積溫度下(通常在350℃至550℃之間)制造的優點。本披露還描述了此種光伏裝置的特征。

技術實現要素：

本發明提出了高效率薄膜光伏裝置(特別是柔性光伏裝置，更精確地是在例如低于600℃的相對低的基板溫度下制造的裝置)的制造問題的解決方案。以下，使用ABC來代表三元、四元、五元或多元形式的材料的ABC或ABC₂半導體化合物。

如在以下段落中指明的，本發明的一個目標是要提供多種方法來改進光伏裝置的制造以及所述裝置的光伏轉換效率，以及因此對所制造的光伏裝置的表征。

在通過在一個基板上沉積一個ABC半導體化合物所制造的薄膜光伏裝置領域中的常見問題是需要600℃左右的高溫來制造具有足夠高的光伏轉換效率以至于可以與基于晶圓的裝置相抗衡的裝置。在薄膜沉積期間，基板溫度越高，所要求的能量越大。因此，本發明的一個目標是要提供一種用于在較低溫度及能量水平下制造ABC光伏裝置的方法，所述裝置的光伏轉換效率不僅與在所述高溫下所制造的薄膜裝置相當而且與基于硅晶圓的裝置相當。

在薄膜光伏裝置制造領域中及更具體地在ABC薄膜光伏裝置制造領域中的另一個問題是：高溫沉積過程限制了基板材料的種類，ABC半導體可以沉積于這些基板材料上。因此該沉積過程受限于在該過程期間的所述高溫下將不會退化的材料。因此，本發明的另一個目標是要提供一種在更多種基板(例如柔性塑料基板)上制造高效率ABC薄膜光伏裝置的方法。由于在350℃至550℃之間的較低的ABC半導體沉積溫度，利用本方法使得此目標變為可能。

在薄膜光伏裝置制造領域的另一個問題是：來自一些基板(例如金屬基板)的材料可能會通過基板元素和雜質污染所沉積的半導體薄膜。避免此種污染的方法是用一個阻擋層(例如Al_xO_y、Si_xN_y、或Si_xO_y)涂覆該基板。然而所述阻擋層可能含有一些針孔，這將引發半導體薄膜的一些殘留污染。針孔在阻擋層中的出現與基板的粗糙度有關。金屬基板通常必須在涂覆有阻擋層之前進行表面處理，例如平滑化或拋光。另外，在沉積期間，本發明方法的相對低的溫度導致有害的雜質擴散減少，并且可以允許在該光伏吸收層沉積之前從該過程中省去阻擋層沉積步驟。因此本發明的一個進一步的目標是要避免由于相對低溫(低于550℃)的沉積方法造成的污染、粗糙度困難以及與金屬基板相關聯的處理成本，此沉積方法使能夠使用非污染性且極其平滑的基板材料(例如塑料)。

在高效率光伏模組制造領域的又一個問題是：模組是由單獨的光伏電池(例如硅電池或在玻璃電池上的薄膜)組裝成的。這種組裝要求在若干個生產線階段上分批加工，這與卷到卷(roll-to-roll)生產技術相比更加昂貴。另外，因為最高效率薄膜裝置是在高溫下且大多是在剛性玻璃基板上生產，它們本身并不適合卷到卷生產。在卷到卷生產中被用作連續網狀物的金屬基板的一個優點是：它們允許材料沉積期間的相對高的基板溫度(高于550℃)，但要以前面所提到的表面處理為代價。因此，本發明的另一個目標是要提供一種方法，該方法使得能夠在低成本以及低能量下進行高效率光伏裝置的卷到卷制造。

本發明的一個具體的目標是由于改進的光伏吸收層品質及轉換特征來提供高效率的太陽能裝置，如在以下段落中所指明的。

在通過在一個基板上沉積一個黃銅礦或硫族化合物半導體吸收層來制造薄膜光伏裝置的領域中的一個常見問題是：在該光伏半導體層中晶粒尺寸及圖案所代表的結晶結構中的缺陷及不規則性可能會使光伏轉換降級。在光曝露側的半導體層厚度的第一微米內的所述結晶結構對于高的光伏轉換效率是特別重要的。由于在低溫下形成該半導層，所述缺陷及不規則性更頻繁地發生。因此，本發明的一個目標是提供太陽能裝置，這些太陽能裝置在光曝露側的半導體層厚度的約第一微米中具有結晶結構，雖然是在相對低溫(550℃以下)下被制造，該結晶結構對于高的光伏轉換效率而言是可取的。

導致前述問題的所述領域中的另一個問題是：電載體可以在該半導體層內再結合，并且因此降低該光伏裝置的光伏轉換效率。因此，本發明的另一個目標是提供在低溫下制造的太陽能裝置，這些太陽能裝置具有較少的電荷載體再結合，并且因此有與在基本上較高的溫度(即600℃)下制造的光伏裝置相當的填充因數以及開路電壓。

在所述領域中的一個進一步問題是要設計該吸收層中元素的深層分布或坡度，以便優化所產生的電流和電壓之間的取舍來使得轉換效率最大化。因此，本發明方法的一個進一步的目標是提供該吸收層中的元素的一種深度分布或坡度從而導致在低溫(350℃至550℃之間)下制造的高效率的太陽能裝置。

然而，在所述領域的又一個問題是要獲得一種與隨后所沉積的那些層匹配的一個吸收層表面。因此，本發明的方法的另一個目標是要提供一種吸收層，該吸收層的表面以及界面性質(例如平滑性或帶隙對齊)與隨后所沉積的多個層的那些匹配。

在所述領域的又一個進一步的問題是要設計用于薄膜光伏裝置的多個層，其中所述層具有相匹配的熱膨脹系數。所匹配的熱膨脹系數對于良好的層粘合、壽命及持續長久的光伏轉換效率是一個重要的因數，特別是在柔性光伏裝置制造的情況下。另外，較低的制造溫度可以降低與橫跨光伏裝置的多個層的熱膨脹系數的變化相關聯的問題。

簡言之，本發明涉及一種制造薄膜光伏裝置的方法，該薄膜光伏裝置包括沉積在一個背面接觸層上的一個光伏Cu(In,Ga)Se₂或等效的ABC或ABC₂吸收層，其特征在于所述方法包括至少五個沉積步驟，其中在至少一種C元素存在于一個或多個步驟的情況下第三或第四步驟對是順序地可重復的。在第一步驟中，沉積至少一種B元素，接下來在第二步驟中，以沉積速率比率A_r/B_r沉積A和B元素，在第三步驟中以低于先前的比率A_r/B_r沉積，在第四步驟中以高于先前的比率A_r/B_r沉積，并且在第五步驟中僅沉積B元素以實現總沉積的元素的最終比率A/B。所得的光伏裝置特征在于由該光曝露側開始，該光伏裝置(100)的吸收層(130)包括一個具有漸減的Ga/(Ga+In)比率的第一區(501)、緊接著是一個具有漸增的Ga/(Ga+In)比率的第二區(502)，其中在該第二區(502)的光曝露半面上，該Ga/(Ga+In)值的增加了小于0.20并且包括至少一個隆起。

更詳細地，本發明涉及一種制造用于薄膜光伏裝置的至少一個吸收層的方法，該吸收層是由一種ABC硫族化合物材料制成，該ABC硫族化合物材料包括ABC硫族化合物材料的四元、五元或多元變體，其中A代表如在國際純粹與應用化學聯合會所定義的化學元素周期表第11族中的元素，包括Cu和Ag，B代表周期表第13族中的元素，包括In、Ga和Al，并且C代表周期表第16族中的元素，包括S、Se和Te。

將所述的吸收層沉積在由一個基板所承載的一個背面接觸層上。

本發明的方法包括以下順序步驟(s₁)至(s₅)，其中兩個步驟(s_3,r)和(s_4,r)執行至少一次，并且可以順序地重復零至數字R次，其中r是識別這些順序的步驟(s_3,r)和(s_4,r)的重復計數指標，該指標具有0至R的值，并且其中從步驟(s₂)至(s₅)該基板的溫度高于350℃。這些順序的步驟(s₁)至(s₅)是：

s₁.將至少一種B元素沉積在所述基板的背面接觸層上，其量大于在該沉積過程結束時所要求的B元素的總量的10％且小于90％，這一個或多個B元素的此類沉積在至少一種C元素的存在下完成；

s₂.在與至少一種B元素結合并且至少一種C元素存在下沉積一個初量的至少一種A元素，其中元素A與B的原子沉積速率的比率A_r/B_r是使得：

-A_r/B_r>1，并且

在步驟(s₂)結束時總沉積的元素A和B的原子比率A/B為

(1/(3+2R))²<A/B<1.0；

s_3,r.在與至少一種B元素結合并且至少一種C元素存在下沉積至少一種A元素，其中元素A和B的原子沉積速率比率A_r/B_r是使得：

-A_r/B_r比前述步驟中的A_r/B_r小1/1.2倍，并且

-在步驟(s_3,r)結束時總沉積的元素A和B的原子比率A/B為：

((2+2r)/(3+2R))²<A/B<1+3((1+2r)/(2+2R))^1/2；

s_4,r.在與至少一種B元素結合并且至少一種C元素存在下沉積至少一種A元素，其中元素A和B的原子沉積速率比率A_r/B_r是使得：

-A_r/B_r比上前述步驟中的A_r/B_r大至少1.2倍，并且

-在步驟(s_4,r)結束時總沉積的元素A和B的原子比率A/B為：

((3+2r)/(3+2R))²<A/B<1+3((1+r)/(1+R))^1/2；并且

s₅.在至少一種C元素存在下將一個額外量的至少一種B元素沉積于該部分完成的吸收層上，從而在步驟(s₅)結束時，將總沉積的元素A和B的原子比率A/B改變為：

0.6<A/B<0.99。

在任一步驟(s₁)、(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)及(s₅)之前、之間或之后，至少一種C元素可能被添加到該吸收層。

對于步驟(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)及(s₅)，基板溫度優選是高于350℃且低于550℃。而且，在步驟(s₁)中沉積材料時基板溫度優選為高于200℃且低于450℃，然后在步驟(s₂)、(s_3,r)以及(s_4,r)的任一步或其組合期間增加以達到高于350℃且低于550℃的溫度。仍然優選地，在步驟(s₁)中材料沉積時基板溫度為大約350℃，然后在步驟(s₂)增加，在步驟(s_3,r)中達到約450℃的溫度，其中r＝0；并且然后維持基本上恒定直到步驟(s_4,r)和(s₅)結束，其中r＝R。

可以使用該方法來制造ABC材料，其中A表示元素Cu，B表示元素In和/或Ga，并且C表示元素Se。

當所沉積的這一個或多個B元素包含Ga時，經過步驟(s₂)、(s_3,r)及(s_4,r)所沉積的Ga的總量有利地是占經過整個過程所沉積的Ga的總量的10％至50％之間，并且經過步驟(s_3,r)所沉積的Ga的總量占經過整個過程所沉積的Ga的總量的10％至25％。

在一些實施例中，沉積步驟(s₁)至(s₅)對應于以下對應步驟順序的材料沉積速率，誤差在±20％以內：

s₁.以3.5埃/秒的速率沉積In，并且開始以1.1埃/秒的速率并逐漸減少至0.95埃/秒的速率沉積Ga；

s₂.以2.1埃/秒的速率沉積Cu，以0.15埃/秒的速率沉積In，并且以0.15埃/秒的速率沉積Ga；

s_3,0以2.1埃/秒的速率沉積Cu，以0.15埃/秒的速率沉積In，并且以0.6埃/秒的速率沉積Ga；

s_4,0以2.1埃/秒的速率沉積Cu，以0.15埃/秒的速率沉積In，并且以0.15埃/秒沉積Ga，并且；

s₅.以0.9埃/秒的速率沉積In，并且開始以0.35埃/秒的速率并逐漸增加至0.45埃/秒的速率沉積Ga。

連續步驟(s₁)至(s₅)之后接著一個另外的步驟，其中在至少一種C元素存在下，在低于350℃的溫度下沉積至少一種B元素，以使得沉積一個小于100納米厚度的補充層。

通過以下任何一種將堿性元素提供給所述吸收層：所述基板、所述背面接觸層和/或在所述吸收層沉積過程中和/或之后所沉積的一個含堿的前體。

本發明的另一個方面是一種薄膜光伏裝置，該裝置包括通過上面提出的方法可得到的至少一個吸收層。

本發明還涉及一種薄膜光伏裝置，該裝置包括一個柔性基板和一個吸收層，其特征在于所述吸收層是由以上所限定的ABC硫族化合物材料制成，其中所述ABC硫族化合物材料包括In和Ga元素，其中跨過所述吸收層厚度的基本上平滑的Ga/(Ga+In)比率數據的一個組成分析形成一個Ga/(Ga+In)比率曲線，其中由所述吸收層的一個光曝露側開始，所述Ga/(Ga+In)比率曲線包括至少兩個區，這兩個區包括：

a.一個具有逐漸減小Ga/(Ga+In)比率的前坡度區，其中所述前坡度區的一個光曝露側具有少于0.5的Ga/(Ga+In)值，并且其中在所述前坡度區中的Ga/(Ga+In)值的幅度小于0.25且大于0.1；

b.一個具有整體上逐漸增加Ga/(Ga+In)比率的背坡度區，該背坡度區與所述前坡度區相鄰并且位于所述前坡度區和與該光曝露側相對的該吸收層的背面之間，其中

(i)在所述背坡度區的光曝露半面上，該Ga/(Ga+In)值的增加不超過0.20；

(ii)所述背坡度區的光曝露半面包括至少一個具有局部增加或減少Ga/(Ga+In)比率的隆起，所述隆起在該Ga/(Ga+In)比率曲線(500)中的兩個轉折點之間。

在此種裝置中，該吸收層典型地包括Cu(In,Ga)Se₂。

并且，該吸收層的厚度優選是0.5微米至4.0微米之間。

在這種裝置中，定義為在最大功率點電壓和電流的乘積除以開路電壓和短路電流的乘積的填充因數在120K和300K的溫度之間基本上恒定在大于0.60的填充因數值。

此外，從這些(220)/(240)轉折點的X射線衍射強度vs.2θ散射角度的一個曲線的底部測量的在四分之一的最大值上的全寬具有小于0.6°的寬度。在此處以及隨后的實例中使用的X射線衍射系統是Siemens D-5000，設置為Bragg-Brentano模式，利用0.02°的步長大小、30秒的步長時間、1毫米的狹縫寬度、40千伏的電壓以及37毫安培的電流。所使用的線是分別具有1.54060埃和1.54439埃的波長的Cu K-alpha-1和Cu K-alpha-2。

該裝置可以包括具有在測試條件下大于16％的光伏轉換效率的光伏電池，本領域技術人員已知該測試條件為標準測試條件，被定義為1,000瓦/平方米的輻照度，AM 1.5G的太陽光譜以及25℃的操作電池溫度。

該裝置的基板可以是聚酰亞胺、經涂覆的聚酰亞胺、不銹鋼、經涂覆的不銹鋼、低碳鋼、經涂覆的低碳鋼、鋁、經涂覆的鋁、玻璃或陶瓷材料的任一種。

本發明的特征有利地解決了在薄膜光伏裝置制造領域中、以及更具體地在此類裝置的吸收層的制造中的若干問題，也就是：

-包括至少五個階段的多階段方法使得制造高效率光伏裝置所需要的有利的前坡度和后坡度的ABC吸收層合成物成為可能。所述方法有利地對所需要的組成比率進行了詳述以及分類、并且提供了兩個可重復的步驟以便有利地指導該方法的精細調整。

-所述方法是經過特別設計用于350℃至550℃之間的相對低的沉積溫度，并且因此特別地有利于在例如塑料或柔性箔等材料上的沉積。

-所述方法包括多個步驟，其中在經沉積的B元素中Ga的量相對In的量是增加的，從而有利地建立制造高效率光伏裝置所需要的必需的組分的坡度。

-所述方法有利地對示例性沉積順序的材料通量比率進行了詳述和分類，意于在所述相對低的沉積溫度下制造出一種高效率的光伏裝置。

-所述方法也有利地允許沉積小于100納米厚度的另一種B材料層。

-通常通過添加源于多種來源(例如基板、背面接觸層或一個堿性前體)的堿性材料來補充所述方法，以便有利地增加所得到的裝置的光伏轉換效率。

-所述方法也可以有利地在一個卷到卷制造裝置中進行，其中所述基板安裝在一個輸送輥和一個卷取輥之間，并且將被安放用于具有許多有利的生產力效益的沉積。

-所得的薄膜光伏裝置包括一個柔性基板以及由包括In和Ga元素的一種ABC硫族化合物材料制成的一個吸收層。橫跨所述吸收層厚度的組成分析展現出一種Ga/(Ga+In)比率曲線，該比率曲線對于光伏轉換效率而言是有利的，因為它含有在給定界限之間演進的有利的前坡度區和背坡度區，并且其中該背坡度區包括至少一個局部增加或減少的Ga/(Ga+In)比率的一個隆起。

-所述裝置可以有利地包括由Cu(In,Ga)Se₂制成的一個吸收層。

-所述裝置可以有利地通過一組非侵入性分析(例如在120K至300K之間的操作溫度范圍內的填充因數測量以及進行該吸收層的合成物的侵入性測量之前的X射線衍射強度)測試來決定該裝置是否按照所述方法來制造。

-所述裝置是特別有利的，因為它包括至少一個光伏電池，該光伏電池的光伏轉換效率被定義為1,000瓦/平方米的輻照度、AM 1.5G的太陽光譜以及25℃的電池溫度所定義的測試條件下大于16％。

-所述裝置有利地在柔性或剛性基板上一個大的范圍內制造，例如聚酰亞胺、經涂覆的聚酰亞胺、不銹鋼、經涂覆的不銹鋼、低碳鋼、經涂覆的低碳鋼、鋁、經涂覆的鋁、玻璃或陶瓷材料。

附圖說明

現在將通過舉例并參考附圖來描述本發明的實施方案，在附圖中：

圖1呈現了一個光伏電池的橫截面示意圖，其描繪了沉積于一個基板上的多個層。

圖2A至圖2C是在制造一系列光伏電池實施例的材料沉積過程期間基板溫度和相對沉積率的概念圖。

圖3A至圖3C是在制造一個光伏電池實施例的材料沉積過程期間基板溫度(3A)和材料沉積率(3B，3C)的示例圖。

圖4A至圖4B是在制造一個第一示例性光伏電池實施例的材料沉積過程期間分別為基板溫度和材料沉積率的第二套示例圖。

圖5A、圖5B和圖5C是曲線圖，分別顯示了與通過使用本發明的方法和該方法的變體(圖5C)制造的一個吸收層實施例相比，根據基于現有技術的一個沉積方法所得到的一個吸收層的濺射深度的材料配比的原始數據、平滑數據以及示例性數據。

圖6A和圖6B是曲線圖，示出了在若干溫度上分別具有大約16％和18.7％的光伏效率的光伏電池的當前密度vs.電壓。

圖7是一個曲線圖，使得填充因數vs.操作溫度在兩個光伏電池(大約16％和18.7％的效率)之間的比較成為可能。

圖8A和圖8B是曲線圖，分別示出了根據在298K的溫度下操作的大約18.7％和大約16％的效率的光伏電池的照明波長的當前密度vs.電壓以及外量子效率(EQE)。

圖9是一個曲線圖，示出了兩個光伏電池(大約16％和18.7％的效率)的主要反射vs.散射角度的X射線衍射強度。

具體實施方式

具有圖1中所呈現的類似橫截面的光伏電池的示例性實施例是使用圖2至圖4中所呈現的方法制造的。使用本發明的方法所制造的光伏電池的示例性實施例展示出一個所謂的材料分布標示。該材料分布標示是通過對在圖1中所顯示的光伏電池的光伏吸收層中包含的材料的深度分布進行采樣而獲得的。示例性材料分布標示呈現在圖5A至圖5C中。另外的光伏性質呈現在圖6至圖9中。

圖1呈現了一個光伏電池或模組100的一個實施例的橫截面。將一系列的材料層沉積在一個基板110上。基板110可以是剛性或柔性的，并且可以是由多種材料或經涂覆的材料組成的，例如玻璃、經涂覆的金屬、經塑料涂覆的金屬、塑料或經涂覆的塑料(例如經金屬涂覆的塑料)。所描述的本發明對于呈現出相對低的玻璃轉換溫度的材料(例如塑料)是特別有利的。一個優選的柔性基板材料因此可以是聚酰亞胺，因為它可以經受大約350℃至550℃的溫度。工業上可得的聚酰亞胺基板的通常可得厚度是在7微米至150微米的范圍。材料層沉積的示例性排序如下。這個排序的順序可以逆轉、并且也包括勾畫出電池或模組元件的劃線操作。本說明書的目的是要澄清作為本發明的主題的吸收層130所沉積的環境。

基板110通常涂覆有至少一個導電層120。所述導電層或導電層疊合物(也被稱為背面接觸)可以是多種導電材料，這些導電材料優選地具有一個熱膨脹系數(CTE)，該熱膨脹系數接近該導電材料在其上沉積的所述基板110的熱膨脹系數以及隨后將沉積到該導電材料上的其他材料的熱膨脹系數二者。所述導電材料優選地具有一個高光學反射系數。所述導電層優選地不會以化學破壞的方式與其他隨后待沉積于其上的材料反應。在常規做法中，層120在例如濺射、電沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、電子束蒸發或噴射的過程中被沉積，而且通常由Mo制成，雖然也可有利地使用或包括若干種其他材料，例如金屬硫族化合物、鉬硫族化合物、MoSe_x、過渡金屬硫族化合物、摻錫的氧化銦(ITO)、In_xO_y、ZnO_x、ZrN_x、SnO_x、TiN_x、Ti、W、Ta及Nb。

在下一個步驟中，將至少一個半導體光伏層130(也被稱為吸收層)沉積在所述背面接觸上。半導體光伏層130的方法、組成以及結構是本發明的主題。層130是由ABC材料制成的，其中A表示如在國際純粹與應用化學聯合會所定義的化學元素周期表第11族中的元素，包括Cu或Ag，B表示周期表第13族中的元素，包括In、Ga或Al，并且C表示周期表第16族中的元素，包括S、Se或Te。一種ABC₂材料的示例是Cu(In,Ga)Se₂半導體(也被稱為CIGS)。可以使用多種技術，例如濺射、電沉積、印刷或作為優選技術的氣相沉積來沉積層130。層130具有的厚度通常在1微米至4微米之間，但甚至可以如0.5微米通常的薄。

隨后的步驟通常包括基本上為透明層的兩層疊合物的沉積。一個第一層疊合物通常包括至少一個所謂的半導體緩沖層140，該半導體緩沖層通常具有高于1.7eV的能帶隙，例如由CdS、In_xS_y、ZnS_x、GaSe_x、In_xSe_y、SnO_x、ZnO_x或Zn(O,S)材料制成。一個第二層疊合物通常包括一個前接觸導電氧化物(TCO)層150，例如由例如摻雜的氧化銦、摻雜的氧化鎵或摻雜的氧化鋅制成的。另外可選的步驟包括沉積前接觸金屬化的網格軌跡160以便有利地增加前接觸導電性，接著是通常作為一個沉積層或一個包封膜而提供的抗反射涂層。

圖2A至圖4B是在制造四種光伏電池實施例的光伏吸收層沉積階段期間基板溫度與材料沉積速率的曲線圖。圖2A至圖2C是概念曲線圖，這些曲線圖并沒有指定在該沉積步驟的每一步驟(s₁)、(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)以及(s₅)的時間長短。實際上，特別是在一個工業過程的背景中，本領域技術人員將推論出：例如通過增加材料沉積速率或降低光伏吸收層130的整體厚度，可以基本上縮短該過程的時間。根據該沉積系統可達到的沉積速率或為了制造一個與該方法的規格對應的光伏吸收層，在圖3A、圖3B、圖4A和圖4B所提供的每一步沉積步驟的時間因此可以被縮短或加長。圖4A以及圖4B是使得擁有合適設備的本領域技術人員能夠制造出可以大于16％的光伏轉換效率的太陽能電池及模組的基線過程的說明性示例。

在圖2A至圖2C中描繪了形成層130的ABC材料的溫度順序以及相對材料沉積速率。圖2A是在制造用于一系列光伏電池實施例的半導光伏吸收層130的材料沉積過程期間的基板溫度的曲線圖。圖2B是在制造一系列光伏電池實施例的材料沉積過程期間的相對沉積速率的對應的曲線圖。基板溫度通常保持在大約由連續圖200的優選值所指明的溫度，對該過程的一些部分而言，是在高于虛線段212和214所述描述的較低值的溫度下。在圖2A中(s₁)、(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)和(s₅)部分在時機上能與在圖2B的基線過程中的步驟(s₁)、(s₂)、(s_3,0)、(s_4,0)和(s₅)以及在圖2C的步驟(s_3,0)、(s_4,0)、(s_3,1)、(s_4,1)和(s₅)(其中(s_3,r)、(s_4,r)重復了一次)進行比較。在半導體光伏層130沉積之前，通常背面接觸層120將已經涂覆基板110。然后基板110與其背面接觸層120被優選地加熱從而使得半導體光伏層130開始沉積。

在圖2B和圖2C中的沉積速率值是任意單位(a.u.)，使得對于以1的速率在沉積時間T上所沉積的材料A和B而言，獲得一個A/B＝1的化學計量的原子比率。比如，對于Cu(In,Ga)沉積，會得到Cu/(In+Ga)＝1。在圖2B、圖2C和圖3B中并未示出材料C的沉積速率，該沉積速率在Cu(In,Ga)沉積的背景中優選地會是Se材料。材料C的通量速率通常在整個沉積過程期間保持恒定在通常大于2(優選的大約是5)并且通常小于100(單位是所述任意單位)的速率下。在圖2B和圖2C中沒有示出一種或多種所謂摻雜的堿性前體材料(例如NaF、NaCl、NaSe、KF、KCl、CsF以及LiF)的沉積速率。這種省略是由于所述摻雜物可以連續地或階段地被添加或可能源自該基板、一個前體層或另一個沉積源。

在連續步驟(s₁)、(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)和(s₅)中進行沉積，其中步驟(s₃)和(s₄)重復多達數字R次，并且其中r是通過其標號識別每一步驟(s₃)和(s₄)的指標，該指標由0計數至R。在圖2B中R＝0，并且在圖2C中R＝1。如果省略一些細節，該沉積步驟可以被總結為：

s₁.半導體光伏光伏層130的沉積開始于至少一種B材料的沉積。在這個步驟中的沉積可以在低于或等于約350℃的優選溫度下進行。如果開始溫度低于350℃的最優選溫度，那么最小開始溫度大約為150℃(優選200℃)，并且必須例如按照分段212在步驟(s₁)結束時線性地增加至達到350℃，如由點213所標示的。

s₂.添加材料A并且降低材料B的沉積速率。步驟(s₂)由點213開始，其中溫度增加至達到大約450℃以及至少按照線性分段214的溫度。分段214由點213延伸至點215，其中溫度為大約450℃。點215的橫坐標在圖2B中定位在步驟(s_4,0)所分配的時間內或在圖2C中則在步驟(s_4,1)所分配的時間內。本領域技術人員將會確定點215位于步驟(s_4,0)至(s_4,1)結束前，以便使得材料有足夠的時間反應并且形成所期望的結晶相。

s_3,r.以用元素A與B的沉積速率的比率A_r/B_r沉積材料A與B，從而使得除了其他限制之外，A_r/B_r比上一個步驟中少1/1.2倍(大約0.83倍)，不論上一個步驟是(s₂)還是(s_4,r)。

s_4,r.用元素A與B的沉積速率的比率A_r/B_r沉積材料A與B，使得除了其他前述限制之外，A_r/B_r比上一個步驟中大1.2倍并且大于1。

s₅.沉積材料B直到所沉積的A元素對所沉積的B元素的原子比率是使得0.6<A/B<0.99。

步驟(s₁)至(s₅)是在至少一種C元素存在下完成的，該至少一種C元素也可以在這些步驟之前、之間以及之后存在。

在步驟(s₅)之后，降低溫度直到點217，其中溫度達到350℃。點217可能有兩種：1)如果在任一步驟(s₁)、(s₂)、(s_3,r)、(s_4,r)以及(s₅)期間，使用多種方法(例如通過基板110、背面接觸層120和/或在吸收層130沉積期間和/或之后沉積的含堿的前體)，將足量的堿性元素提供給吸收層130，那么溫度可以繼續降低到200℃及以下，或2)如果沒有給吸收層130提供堿性元素或提供的不足，那么在一段時間內將溫度持續在350°下，讓本領域技術人員將會評估能夠提供足量堿性元素給吸收層130的條件，此后溫度可能降低至200℃及以下。

本披露因此為本領域技術人員呈現了一種有利的方法，該方法包括至少5個步驟以便在相對低的基板溫度(低于550℃)下制造高效率光伏裝置100的吸收層130。所述方法是特別有利的，因為它提供了一種在某種程度上與沉積過程以及絕對沉積速率無關的準則，因此能夠有更長或更短的沉積過程。

表1及表2分別列出了用于圖2B和圖2C中所描繪的連續示例性階段的材料原子沉積速率的順序(任意單位)。

表1：圖2B的材料沉積階段以及沉積速率

表2：圖2C的材料沉積階段以及沉積速率

在圖2A至2B以及隨后的圖3A至4B中未顯示的是：該沉積之后可選擇的是在至少一種C元素存在下在低于350℃的溫度下至少一種B元素的補充層的沉積，并且從而使得所沉積的補充層小于100納米的厚度。這個補充層可以作為所述半導緩沖層140而且可以組成為(In_1-x,Ga_x)₂Se₃，其中x通常為大約0.3。

圖3A至3C顯示了兩個沉積示例，并且使得在一個給定的沉積過程上的溫度的時間安排以及材料沉積步驟的比較成為可能。步驟(s₁)至(s₅)的時間長短是在圖3B以及3C中的曲線頂部表示的。

圖3A是在制造一個半導體光伏層130的另一個實施例的材料沉積方法期間基板溫度300的曲線圖。水平軸具有任意時間單位(a.t.u.)，例如分鐘或數秒種或數分鐘的時間段。任意時間單位的理由是：通常本領域技術人員可以通過例如改變材料通量速率來改變方法步驟的持續時間。與對圖2A至2C的描述類似，通常已經將基板110涂覆有背面接觸層120，然后對于這個實施例而言是將其加熱至大約350℃從而使得半導層130的沉積開始。與對圖2A至2C的描述類似的，溫度通常具有由分段312以及314所標示的下限，而在步驟(s₁)結束時具有在350℃下的分段點313以及450℃下的315，并且在步驟(s_4,0)結束前具有大約40a.t.u。

圖3B示出了隨著任意時間單位(a.t.u.)中給定的時間變化的可以形成層130的ABC材料的A及B的材料比率的第一示例性順序。材料C以及額外的摻雜材料沒有表示出來。在這個示例中，材料A由用于Cu的曲線320表示，并且材料B由In(曲線310)和Ga(曲線330)的結合來表示。表3結合了圖3A和3B的溫度以及沉積數據。

表3：圖3A及3B的示例材料沉積順序

圖3C示出了隨著以分鐘為單位的時間變化的可以形成層130的ABC材料的A與B的材料比率的第二示例性順序。步驟(s₁)至(s₅)的持續時間是該曲線的頂部表示的。材料C并沒有被表示出來，但是以Se元素的形式被提供，該Se元素以大約30埃/秒的速率被提供于至少至步驟(s₅)結束時并且通常在整個沉積過程期間。在這個示例中，材料A由用于Cu的曲線320表示，并且材料B由In(曲線310)和Ga(曲線330)的結合來表示。在其中步驟(s_3,r)和(s_4,r)重復至R次，并且r是識別每一個步驟(s_3,r)和(s_4,r)的0至R的數字的一個更普遍的描述中，在步驟(s₂)、(s_3,r)以及(s_4,r)所沉積的Ga的總量通常占經過整個過程所沉積的Ga的總量的10％至50％之間。另外經過步驟(s_3,r)所沉積的Ga的總量通常是占經過整個過程所沉積的Ga的總量的10％至25％之間。曲線350指明了堿性NaF材料的沉積速率，在這個示例中接近該沉積過程結束時，從大約T0+68至大約T0+88，速率大約是0.3埃/秒，其中T0是該過程開始時的時間，并且時間單位是分鐘。表4列出了第二示例性沉積順序中的分段點。步驟(s₁)至(s₅)的時間安排是象征性的并且通常本領域技術人員會推斷出：在各個步驟之間會有一些通過調節用于材料沉積的來源溫度所需的時間所引起的交叉。

表4：圖3A及3C的示例材料沉積順序

圖4A和圖4B示出了制造第一示例性實施例的一個第三沉積示例。與圖3A類似的，圖4A是在持續大約100分鐘的材料沉積過程期間基板溫度400的曲線圖。在圖4A和圖4B的基線沉積過程的幫助下，本領域技術人員能夠制造具有獨立公認的大于17％的光伏轉換效率的CIGS光伏電池。雖然增加或減少材料沉積速率在圖4B中是以線性隆起來表示的，通常本領域技術人員將會推論出：小的變化以及較陡的梯度轉換對于成功發熱材料沉積也是可能的。另外，材料沉積系統的硬件限制造成了在圖4B中所描繪的陡的線性轉移隆起，并且通常本領域技術人員將會推斷出：此類限制使得描繪的過程保持在本披露的方法的范圍內。曲線420、410和430分別描述了Cu、In以及Ga的沉積速率。曲線430的特征在于中心凹口或隆起，下文中“隆起”405，其中在開始的降低之后Ga的沉積速率增加了一段時間。圖4B因此僅僅表示A和B材料以及堿性NaF摻雜材料的沉積順序。在圖4B中未示出的是在整個過程期間在大約30埃/秒的速率下的Se(一種C材料)的沉積。曲線450描述了堿性NaF材料的沉積速率，在這個示例中接近該沉積過程結束時，從大約T0+68至大約T0+88，速率大約是0.3埃/秒，其中T0是該過程開始時的時間，并且時間單位是分鐘。表5列出了根據圖4A和圖4B中說明的方法制造所述示例性實施例的沉積順序中的分段點。

表5：圖4A及圖4B的示例材料沉積順序

圖5A至圖5C、圖6A至圖6B及圖7示出了與兩種方法相關聯的數據，這些數據使得使用在圖2A至圖4B中描述的方法制造的一種光伏裝置以及使用現有技術中描述的方法制造的一種光伏裝置之間的差異化成為可能。圖5A至圖5C對應于通常為侵入性方法、并且基于沿著吸收層130的厚度的材料的相對組成的分析。圖6A、圖6B和圖7對應基于在某一溫度范圍內的光伏電池的光伏轉換的分析的一種非侵入性方法。

圖5A和圖5B是濺射深度剖析曲線圖，示出了對于兩種類型的光伏電池而言，Ga對Ga+In的相對量(即Ga/(Ga+In))vs.濺射深度。圖5A的曲線圖是通過以下方式獲得的:使用一個離子槍漸進地侵蝕在一個光伏電池的吸收層130(即CIGS層)的表面的物質，然后使用二次離子質譜測量所濺射的材料的組成。曲線518呈現了一種18.7％效率的光伏電池的原始數據，該光伏電池具有依照相對于圖4A至圖4B所描述方法所沉積的大約2.8微米的CIGS吸收層的厚度。曲線516呈現了一個大約16％效率(如果無抗反射涂層則為15.1％)的光伏電池的原始數據，該光伏電池具有使用美國專利5,441,897以及美國專利6,258,620中的現有技術所描述的方法類似的方法所沉積的CIGS吸收層。利用一個Atomika 6500離子微探針系統，使用O₂⁺一級離子獲得曲線518及516的二次離子質譜深度剖析數據。對于曲線518，該系統被設定至12kV離子能量、2.0μA，500×500μm²點大小，4％的坑中心的監測面積(其對應于每一坑坐標的20％×20％的空白)。對于曲線516，該系統被設定至14kV離子能量、2.3μA，600×600μm²點大小，4％的坑中心的監測面積(其對應于每一坑坐標的20％×20％的空白)。

圖5B類似于圖5A，其中曲線500是通過由使得曲線518的原始數據平滑化而獲得，曲線510是通過使曲線516的原始數據平滑化而獲得的。使用一種LOESS的方法(平滑參數α＝0.7)完成了原始數據的平滑化。曲線500因此是對應于具有18.7％光伏效率的電池，并且曲線510對應于使用一種現有技術方法制造的大約16％效率的電池。

鑒于兩個曲線區域501和502而對曲線500進行討論。第一曲線區域501從吸收層130的光曝露側(濺射深度＝0)開始并且一直持續到Ga/(Ga+In)比率降至第一最小值的時候。區域501被稱為曲線500的前坡度區。第二曲線區域502從所述的第一最小值開始而且延伸至背面。區域502被稱為曲線500的背坡度區。光曝露表面值(濺射深度＝0)對應于大約0.43的Ga/(Ga+In)的一個最大值。在濺射深度剖面500中所揭示的特征標志是大約0.27的相對高的Ga/(Ga+In)值，在這個點上剖面500在吸收層130的表面下方達到其第一最小值。因此在最大值和第一最小值之間存在0.16的差。另一方面，濺射深度剖面510具有對應于大約0.52的Ga/(Ga+In)最大值的一個光曝露表面值，但在濺射深度剖面510中所揭示的特征標志顯示Ga/(Ga+In)在吸收層130表面下方的大約0.5微米的深度處達到大約0.14的一個第一最小值(其在此是曲線的絕對最小值)。因此在最大值和第一最小值之間存在0.38的一個差異。將曲線500及510的最大值與第一最小值之間的間隙(即0.16和0.38)進行比較，在0.38–0.16＝0.22的所述曲線之間存在一個絕對最大-最小間隙差異，即在曲線500及510之間存在一個差不多58％的間隙差異。與曲線510的間隙相比，曲線500的減小的間隙對于增加的光伏轉換效率而言是有利的，并且該曲線500的減小的間隙是在圖2A至圖2B、圖3A至圖3B中所呈現的以及在圖4A至圖4B中所演示的有利沉積方法的結果，其中一個更優化的能帶間隙坡度是通過在整個過程中In和Ga的仔細用量而產生的。

在使用圖2A至圖4B的有利方法所制造的電池中發現的特征標志方面的另一個感興趣的點是曲線500的起初急劇下降部分的斜率，也稱為是從大約坐標(0，0.43)至(0.4，0.265)的前坡度分段或區域。曲線500的前坡度分段的差不多的線性分段具有大約0.64×10^-6m^-1的下降斜率。相比之下，曲線510的前坡度分段的差不多的線性分段具有大約1.18×10^-6m^-1的下降斜率。與曲線500的上述減低的間隙相結合的前坡度區501的更為平緩的傾斜對增加的光伏轉換效率而言是有利的。

在使用圖2A至圖4B的有利方法所制造的電池中所發現的特征標志上另一個令人感興趣的點是曲線500中位于區域502內的一個隆起505的存在，據此稱為背坡度分段或區域，從第一最小值到大約中點延伸至吸收層背面。隆起505的寬度特征在于該隆起的光曝露側上的曲線中第一轉折點以及該隆起的背面上的曲線中第二轉折點的存在。由于從近似坐標(0.235，0.28)至(1.1，0.28)的明顯低的一個寬的低水平部分，隆起505在曲線500中是特別可見的。隆起505起因于圖4B中的隆起405。曲線500從所述第一最小值至背面最大值還展現出通常廣且相對低水平的分段。由近似坐標(0.4，0.265)延伸至大約(2.0，0.35)的所謂背坡度分段形成由最小值至背面最大值的相當延伸且漸進的斜率。由最小值至背面最大值的一個延伸的漸進的斜率可能有益于增強的光伏轉換斜率。與曲線500相比，曲線510的背坡度分段更加陡且更為高，由此形成了一個窄的最小值。

圖5C是對標志曲線圖Sig1的500、Sig2的520以及Sig3的530進行比較的一個濺射深度剖面圖，該剖面圖可通過向本發明的方法應用變更而獲得。圖5C的曲線500與圖4B的曲線500是相同的。曲線500、520、530由吸收層130的光曝露側開始，都包括一個前坡度區域，接著是一個第一最小值本身，接著是一個背坡度區域所包含的特征隆起505。隆起505起因于在圖2A至圖4B中示例性的本披露的沉積過程方法。曲線500對應于提供了18.7％效率的光伏電池的圖4A至圖4B的方法。隆起505在曲線500、520和530中是可見的。隆起505起因于圖4B中的隆起405。曲線520類似于曲線500、但是具有一個較不明顯的隆起505，是由于在隆起505的背面的與曲線500相比一個稍微抬高的第二最小值。在曲線500、520、530中的隆起505的普遍特征是從任一曲線500、520、530的光曝露側開始，該隆起位于該第一最小值與曲線500、520、530的背坡度區域的光曝露半面之間。曲線520是通過應用圖2A至圖4B的方法獲得的，但在沉積期間稍微增加Ga/(Ga+In)比率，例如參考圖4B的T0+25和T0+41之間。曲線530表示利用圖4A至圖4B的方法的一個進一步的變體可獲得的剖面，以便從該剖面的最小值至背面最大值設計一個均勻且逐漸上升的背坡度分段。曲線530是通過應用圖4A至圖4B的方法獲得的，其差異是Ga/(Ga+In)比率比曲線520中增加的更多，例如參考圖4B，在T0+25和T0+41之間的沉積階段，所述沉積階段包括步驟s_3,0。

本發明的潛在理論是有利的，因為它使得本領域技術人員能夠使用該方法及其示例來設計具有改進的光伏特征的一個裝置。本領域技術人員可以使用5個或更多個步驟來產生具有改進的前坡度區域501以及背坡度區域502的一個吸收層130。步驟(s_3,r)和(s_4,r)因此可以被使用和重復來產生一個或多個隆起505以便于設計類似于曲線500所描繪的改進的背坡度區域502或類似于曲線520及530的所述背坡度區域所描繪的進一步改進的背坡度區域502。對步驟(s₂)至(s₅)的特別小心的使用也將使得本領域技術人員能夠制造具有所需要的前坡度區域501的一個裝置。

本發明也是有利的，因為濺射剖面分析可以使得本領域技術人員能夠對使用本發明的方法所制造的裝置與使用另一種方法制造的裝置進行區分，其中在濺射剖面曲線中的至少一個隆起505的存在是本披露方法的一個可能性標志。

圖6A和圖6B使得對兩種在某一溫度范圍內操作的光伏裝置之間的光伏轉換性能的比較成為可能。圖6A對利用在圖5A至圖5B中所呈現且使用一種類似于在現有技術中所述方法所制造的大約16％效率的光伏電池所進行的多種測試進行了概述。曲線16283、16243、16203、16163和16123分別繪制了在283K、243K、203K、163K和123K的裝置溫度下的標準的電流密度隨電壓的變化。圖6B對利用在圖5A至圖5C中所呈現且使用一種相對于4A至圖4B中所描述的本發明的方法所制造的18.7％效率的光伏電池所進行的多種測試進行了概述。曲線18283、18243、18203、18163和18123分別繪制了在283K、243K、203K、163K和123K的裝置溫度下的標準的電流密度隨電壓的變化。圖6A示出了，隨著16％效率的裝置溫度從283K降到123K，對于低于243K的溫度，標準的電流密度vs.電壓的曲線經由一個轉折點的存在經受了一個形狀變形。這種變形的結果是隨著溫度從243K降到123K，在最大功率的點上的光伏效率降低。相反，圖6B示出了隨著18.7％效率的裝置溫度從283K下降至123K，標準的電流密度vs.電壓曲線沒有經歷變形。這種變形的結果是隨著溫度從283K降到123K，在最大功率的點上的光伏效率增加。

圖7是一個曲線圖，示出了對于在圖6A和圖6B中分別研究的16％和18.7％效率電池，填充因數隨溫度關系的變化。填充因數(FF)被定義為：

FF＝(V_MP×I_MP)/(V_OC×I_SC)，

其中，V_MP是在最大功率點上的電壓，I_MP是在最大功率點上的電流，V_OC是開路電壓，以及I_SC是短路電流。對于大約16％效率的電池，曲線710示出了裝置溫度從283K降到123K是如何使得FF從0.72降至0.34。對于大約18.7％的效率電池而言，曲線700示出了裝置溫度從298K降至123K而不引起FF的變化，其中終點值大約為0.76及最大中間值為0.78。橫跨某一裝置溫度范圍的光伏轉換性能分析因此可有利地使本領域技術人員能夠初步評估：裝置100是否(特別是如果它是柔性的并且在要求低于550℃的相對低的沉積溫度的基板上制造)包括可能使用本發明方法制造的一個吸收層130。

圖8A和圖8B是曲線圖，使得能夠對在一個298K裝置溫度下對于按照本發明使用圖4A至圖4B中所描述的方法制造的18.7％效率光伏電池的光伏性能表征與使用現有技術的方法制造的大約16％效率的裝置的光伏電池的光伏性能表征進行比較。圖8A和圖8B中的曲線800和805是基于由太陽能系統的弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)對所述18.7％效率光伏電池所做的獨立認證的測量。圖8A中的曲線800(也稱為或者I-V或者JV曲線)繪制出了電流密度隨電壓的變化。它的特征在于711.9mV的開路電壓V_OC、34.75mA/cm²的短路電流密度、75.75％的填充因數FF、10.91mW的最大功率點下的功率P_MPP、601.5mV的在最大功率點下的電壓的V_MPP、31.15mA/cm²的在最大功率點下的電流密度J_MPP以及0.5824cm²的總面積A。這導致了在601.5mV以及31.15mA/cm²下18.74mW/cm²的最大功率點。曲線810代表使用現有技術方法所制造的大約16％效率裝置。曲線810演示了與具有大約0.6V開路電壓的曲線800相比在類似電流密度范圍內一個較低的電壓。在圖8B中的曲線805繪制了光伏電池外部量子效率(EQE)隨照明波長的變化。所感興趣的是曲線805上方是相對平直的，并且對于從大約540納米延伸至大約880納米的波長范圍，在大約90％的EQE水平上延伸。曲線805的所述波長范圍是在90％的EQE水平上方的事實顯示出：越過此范圍的損失總計少于10％。另一個感興趣的點是在1020納米至1100納米波長之間的曲線805的陡且延伸的下降斜率，所述斜率為大約-0.688％/nm。另一方面，曲線815是波長在1050納米至1150納米之間具有相對較淺下降斜率的現有技術的特征EQE vs.波長的曲線，該斜率為大約-0.433％/nm。如果是一個光伏裝置(特別是在要求低于550℃的相對低的沉積溫度的基板上制造的一個柔性光伏裝置)，那么圖8A和圖8B可使得本領域技術人員能夠嘗試確定該裝置是否是使用本披露的本發明方法制造的，并且有利地決定是否要進行另外的表征測試，例如那些與圖6A、圖6B、圖7和圖9以及更侵略性地圖5A及圖5B相關聯的測試。

圖9是一個曲線圖，示出了兩種光伏電池的主要的(220)/(240)反射的X射線衍射強度vs.散射角度。曲線900示出了根據本發明的使用在圖4A及圖4B中所描述的方法制造的18.7％效率光伏電池的X射線衍射。曲線910使用同樣的非侵入性方法來分析在圖5A中以曲線516所呈現的并且使用與現有技術中所描述的類似的方法制造的大約16％效率的光伏電池。CuInSe₂和CuGaSe₂具有不同的晶格常數，并且曲線900和910對應于圖5B中的曲線500和510所揭示的坡度的Ga/(Ga+In)剖面。曲線900示出了在其底部比曲線910底部基本上更窄的一個峰。這表明，與大約16％的現有技術的電池相比，橫跨該吸收層厚度的Ga/(Ga+In)坡度范圍對于本發明的18.7％效率電池更窄。另外，曲線910對于在大約44.4到44.8之間的2θ展現了相對寬的肩部，這對應于在圖5B的曲線510中，在大約0.3微米至0.8微米之間的濺射深度上可見的Ga相對較弱的區域。對于本發明的18.7％效率光伏電池，在由該主要(220)/(240)反射的X射線衍射強度vs.2θ散射角度的曲線900的底部所測量的四分之一最大值905上的全寬具有一個大約0.54°的寬度。對于現有技術的16％效率光伏電池，在由該主要(220)/(240)反射的X射線衍射強度vs.2θ散射角度的曲線910的底部所測量的四分之一最大值915上的全寬具有一個大約0.78°的寬度。

在圖9中所呈現的X射線衍射分析方法因此呈現出一種有利方法以非侵入地暗示在低于大約600℃溫度下制造的一種光伏裝置是否是使用在本披露中所述的本發明方法制造的。X射線衍射分析方法因此可有利地在更具侵入性的方法(例如在圖5A至圖5C中所呈現的一種濺射深度剖面分析)之前被使用。

總之，本披露的方法為在低于550℃基板溫度下制造薄膜光伏裝置時遇到的若干問題提出了多種解決方案，并且使得所述裝置具有與基本上較高溫度下制造的薄膜裝置相當的或與那些基于更常規的硅晶圓技術所制造的薄膜裝置相當的轉換效率。該方法為制造具有下述比現有技術有優勢的光伏裝置提供了解決方法：1)通過含有可重復的以生成高效率所需的組成的步驟的一個過程，使能一個特征Ga/(Ga+In)曲線的設計；2)要求的能量比現有技術中所需的更少；3)提供更廣范圍的可能性的基板(例如塑料)來制造比現有技術中可能的具有更高的光伏效率的裝置；4)避免必須使用金屬基板以及其相關聯的初步的表面處理；5)使能夠使用塑料(例如聚酰亞胺)，其平滑性有益于制造高效率光伏薄膜；以及6)通過柔性基板的使用，使能高效率的光伏裝置的低成本且低能量的卷到卷生產。

本發明的另一方面是一種使用該方法所生產的光伏裝置。所述光伏裝置在光伏轉換效率上展現出比現有技術具有顯著改善的光伏特征，其特征在于：1)在吸收層的光曝露側的第一微米內的改進的吸收層前坡度以及光伏特征，2)與在類似的溫度下所制造的現有技術裝置相比更高的填充因數以及開路電壓V_OC，3)改進的層界面性質。用本披露中所陳述的方法來分析該裝置，以便解決以下問題：1)暗示該裝置是否根據本方法制造，2)識別該裝置是如何區別于現有技術的，以及3)提示如何使用該方法來制造具有相等或更高光伏轉換效率的裝置。