CN101515606B - 薄膜型太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜型太阳能电池及其制造方法，所述薄膜型太阳能电池包括：在基板上形成的前电极；在所述前电极上形成的半导体层；在所述半导体层上形成的透明导电层；在所述透明导电层上方形成的后电极；以及在所述透明导电层与所述后电极之间形成的缓冲层，用以减小所述后电极的电阻并提高所述透明导电层与所述后电极之间的结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，更特别地，涉及一种薄膜型太阳能电池。
背景技术
具有半导体特性的太阳能电池将光能转化为电能。
下面对根据现有技术的太阳能电池的构造和原理进行简要介绍。太阳能电池以P型半导体与N型半导体结合在一起的PN结的构造形成。当太阳光线照射在具有PN结构造的太阳能电池上的时候，由于太阳光线的能量而生成空穴(+)和电子(-)。由于在PN结的区域产生了电场，空穴(+)向P型半导体移动，电子(-)向N型半导体移动，因此随着电势的出现而形成电源。
太阳能电池主要分为硅晶型太阳能电池和薄膜型太阳能电池。
硅晶型太阳能电池使用诸如硅等半导体材料制成的晶片。然而，薄膜型太阳能电池是通过在玻璃基板上以薄膜的形式形成半导体而制成。
就效率而言，硅晶型太阳能电池优于薄膜型太阳能电池。然而，对硅晶型太阳能电池来说，因其制造工艺而难以实现较小的厚度。此外，硅晶型太阳能电池使用昂贵的半导体基板，因此增加了它的制造成本。
尽管薄膜型太阳能电池在效率上低于硅晶型太阳能电池，但薄膜型太阳能电池具有诸如实现薄外形和使用低价材料等的优点。因此，薄膜型太阳能电池适于大规模生产。
薄膜型太阳能电池通过顺序地执行以下步骤而制成：在玻璃基板上形成前电极、在前电极上形成半导体层以及在半导体层上形成后电极。
在下文中，将参照附图说明根据现有技术的薄膜型太阳能电池的制造方法。
图1A至图1D示出了根据现有技术的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
首先，如图1A所示，在基板10上形成前电极20。
接着，如图1B所示，在前电极20上形成半导体层30。
然后，如图1C所示，在半导体层30上形成透明导电层40。
然后，如图1D所示，在透明导电层40上形成后电极60。
此时，后电极60是通过在透明导电层40上印刷诸如铝(Al)或银(Ag)的金属材料，并以预定的温度进行烘焙工艺而形成。在烘焙工艺期间，用于后电极60的金属材料，例如铝或银，被氧化从而使后电极氧化物65在后电极60与透明导电层40之间形成。
后电极氧化物65可由铝氧化物组成或由银氧化物组成。然而，氧化铝或氧化银的高电阻值会使得后电极60中的电阻增加，从而降低太阳能电池的效率。
发明内容
因此，本发明为了解决上述问题而提出，并且本发明的目的在于提供一种薄膜型太阳能电池及其制造方法，该制造方法能够防止现有技术的一个或多个问题。
本发明的一个目的在于提供一种薄膜型太阳能电池及其制造方法，其中在后电极与透明导电层之间形成缓冲层以防止后电极的氧化物的形成，从而提高太阳能电池的效率。
为实现上述目标和其它优点并且与本发明的目的一致，如此处举例并详细描述的，一种薄膜型太阳能电池包括：在基板上形成的前电极；在前电极上形成的半导体层；在半导体层上形成的透明导电层；在透明导电层上方形成的后电极；以及在透明导电层与后电极之间形成的缓冲层，用以减少后电极的电阻并提高透明导电层与后电极之间的结合强度。
本发明的另一方面是提供一种用于制造薄膜型太阳能电池的方法，包括：在基板上形成前电极；在前电极上形成半导体层；在半导体层上形成透明导电层；在透明导电层上形成缓冲层；以及在缓冲层上形成后电极。
根据本发明的薄膜型太阳能电池及其制造方法具有以下优点。
首先，缓冲层在透明导电层与后电极之间形成，从而减小了后电极的电阻并提高透明导电层与后电极之间的结合强度。
详细地说，缓冲层是由金属材料形成，该金属材料的氧化度高于用于后电极的材料的氧化度。因此，在用以形成后电极的烘焙工艺期间，形成的是具有较小电阻的金属材料的氧化物，而不是后电极所用的材料的氧化物，因此减小的后电极的电阻能使太阳能电池的效率提高。此外，透明导电层与后电极之间的结合强度可通过包括在缓冲层中的金属材料的氧化物而提高。
另外，在透明导电层与包括在缓冲层中的金属材料的氧化物都由相同的材料组成的情况下，形成这两者的步骤可在同一设备中通过连续的工艺执行。
再者，缓冲层的金属材料可通过使用透明导电层所用的材料形成，从而简化制造工艺。
附图说明
图1A至1D是示出根据现有技术的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
图2是示出根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图。
图3A至图3F是示出根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
图4A至图4F是示出根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
具体实施方式
下面将详细地讲述本发明的优选实施例，本发明优选实施例的例子表示在附图中。在所有可能的情况下，在全部附图中将使用相同的附图标记表示相同或相似的组成部分。
在下文中，将参照附图描述根据本发明的薄膜型太阳能电池及其制造方法。
<薄膜型太阳能电池>
图2是示出根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图。
如图2所示，根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池包括基板100、前电极200、半导体层300、透明导电层400、缓冲层500和后电极600。
基板100是由玻璃或透明塑料形成。
前电极200可由透明导电材料，例如：ZnO(氧化锌)，ZnO:B(掺硼氧化锌)，ZnO:Al(掺铝氧化锌)，ZnO:H(掺氢氧化锌)，SnO2(氧化锡)，SnO2:F(掺氟氧化锡)，或ITO(铟锡氧化物)。
优选地，前电极200通过变形工艺(texturing process)而具有不平整的表面。通过变形工艺，材料层的表面通过利用光刻法的蚀刻工艺、利用化学溶液的各向异性蚀刻工艺或者机械划线工艺被给予不平整的表面，即纹理结构。在对前电极200执行变形工艺的情况下，因太阳光线的散射而使太阳能电池上的太阳光线的反射率降低，而太阳能电池上的太阳光线的吸收率提高，从而提高太阳能电池的效率。
半导体层300是由硅基半导体材料形成。
半导体层300按照PIN结构形成，在PIN结构中，P型半导体层、I型半导体层和N型半导体层被顺序地沉积。在具有PIN结构的半导体层300中，通过P型半导体层和N型半导体层在I型半导体层产生耗尽，从而在其中产生电场。因此，通过太阳光线产生的电子和空穴被电场移动，并且被移动的电子和空穴聚集在N型半导体层和P型半导体层中。
为了按照PIN结构形成半导体层300，优选地，P型半导体层首先形成，随后在其上形成I型和N型半导体层。这是因为空穴的漂移迁移率低于电子的漂移迁移率。为了使入射光线的聚集效率最大化，P型半导体层被设为与光线入射面相邻。
透明导电层400由诸如氧化锌等透明导电材料形成。
透明导电层400使太阳光线以各个角度散射，因此太阳光线在待描述的后电极被反射，从而使得在半导体层300上的太阳光线的再入射增加。
缓冲层500在透明导电层400与后电极600之间形成，其中缓冲层500能够小后电极600的电阻，并且也能够提高透明导电层400与后电极600之间的结合强度。
缓冲层500是由氧化度高于后电极600所用材料的氧化度的材料形成的。优选地，缓冲层500包括透明金属层510，例如锌。因此，在用于形成后电极600的烘焙工艺期间，由氧化锌组成的氧化物层530形成为透明金属层510的氧化物。与现有技术的薄膜型太阳能电池中具有大电阻的氧化铝或氧化银相比，由氧化锌组成的氧化物层530的电阻显著减小。
在缓冲层500顺序地包括由锌组成的金属层510和由氧化锌组成的氧化物层530的情况下，后电极600的电阻减小从而提高太阳能电池的效率。此外，包括在缓冲层500中的氧化物层530能够提高透明导电层400与后电极600之间的结合强度。
透明导电层400由氧化锌形成，缓冲层500的金属层510由锌形成，而且缓冲层500的氧化物层530由氧化锌形成。在包括在缓冲层500中的氧化物层530和透明导电层400都是由相同材料形成的情况下，可在同一设备中执行连续的工艺(参见图3A至图3F)，或者包括在缓冲层500中的金属层510可通过利用透明导电层400而形成(参见图4A至图4F)，从而可容易而简便地控制工艺。这可以通过以下根据本发明的薄膜型太阳能电池的制造方法理解。
后电极600由金属材料形成，例如银、铝、银加钼、银加镍或者银加铜。
<薄膜型太阳能电池的制造方法>
图3A至图3F是示出根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
首先，如图3A所示，前电极200在基板100上形成。
前电极200可由诸如ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、ZnO:H、SnO2、SnO2:F，或ITO等透明导电材料通过溅射或MOCVD(金属有机物化学气相沉积)形成。
为了最大化太阳光线的吸收率，前电极200可通过变形工艺以具有不平整的表面。
接下来，如图3B所示，半导体层300在前电极200上形成。
半导体层300可通过等离子体化学气相沉积法由硅基半导体材料形成，其中半导体层300是以P型半导体层、I型半导体层和N型半导体层被顺序沉积在其中的PIN结构形成的。
如图3C所示，透明导电层400在半导体层300上形成。
透明导电层400可由诸如氧化锌等透明导电材料通过溅射或MOCVD形成。
如图3D所示，金属层510在透明导电层400上形成。金属层510是由金属材料形成，其中该金属材料的氧化度高于下面要描述的后电极所用材料的氧化度。因此，是金属层510的氧化物层而不是后电极的氧化物在用于形成后电极的烘焙工艺期间形成。
金属层510通过在透明导电层400上沉积附加层形成，这可以通过溅射法、化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)形成。
首先，金属层510可通过溅射法在透明导电层400上形成。这样能够在同一个用于执行图3C所示工艺的溅射设备中执行连续的工艺。也就是说，由氧化锌组成的透明导电层400是通过在氧气气氛下把锌作为目标进行溅射工艺形成，如图3C所示，而且金属层510通过在诸如氩等惰性气体气氛下把锌作为目标进行溅射工艺形成，如图3D所示。因此，图3C和图3D的工艺可通过只改变供给同一溅射设备的气体种类而连续地执行。
其次，金属层510可通过化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)在透明导电层400上形成。详细地说，由锌组成的金属层510可使用Zn(CH3)2或Zn(C2H5)2在氢气气氛下通过CVD或ALD形成。在这种情况下，由锌组成的金属层510通过“Zn(CH3)2+H2→Zn+2(CH4)”或“Zn(C2H5)2+H2→Zn+2(C2H6)”的反应形成。
接着，如图3E所示，后电极材料层600a在金属层510上形成。
后电极材料层600a可由诸如银、铝、银加铝、银加镁、银加锰、银加锑、银加锌、银加钼、银加镍、银加铜或者银加铝加锌等金属材料通过丝网印刷法、喷墨印刷法、凹版印刷法或微接触印刷法形成。
如图3F所示，后电极600通过烘焙后电极材料层600a形成。
当烘焙后电极材料层600a时，金属层510的上部被氧化，从而使金属层510的氧化物层530在那里形成。由此，包括金属层510和氧化物层530的缓冲层500被制成。
也就是说，金属层510的氧化度高于后电极材料层600a的氧化度。因此，是金属层510的氧化物层530而不是后电极材料层600a的氧化物在烘焙工艺期间形成。由于金属层510由锌形成，则金属层510的氧化物层530由氧化锌形成。与现有技术的薄膜型太阳能电池中的后电极氧化物的电阻相比，根据本发明的薄膜型太阳能电池中的金属层510的氧化物层530的电阻显著地减小，从而防止后电极600的电阻增大。此外，后电极600与透明导电层400之间的结合强度通过在烘焙工艺期间生成的氧化物层530而有较大的提高。
图4A至图4F是示出根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的制造方法的剖面图。
除了金属层510是通过对透明导电层400的上部进行脱氧而不是在透明导电层400上沉积附加层之外，图4A至图4F所示的方法与图3A至图3F所示的方法相同。因此，省略对相同或相似部分的详细描述。
首先，如图4A所示，前电极200在基板100上形成。
接着，如图4B所示，半导体层300在前电极200上形成。
如图4C所示，透明导电层400在半导体层300上形成。
透明导电层400可由诸如氧化锌等透明导电材料通过溅射法或MOCVD形成。
然后，如图4D所示，金属层510通过对透明导电层400的上部脱氧而形成。
也就是说，如果氢等离子体处理被应用于透明导电层400，则包含在透明导电层400中的氧(O2)与提供给在透明导电层400上部进行的氢等离子体处理的氢(H2)发生反应。当氧气(O2)从透明导电层400逸出时，透明导电层400的上部通过脱氧而变为金属层510。例如，如果对透明导电层400中包含的氧化锌执行氢等离子体处理，则由锌组成的金属层510通过反应“ZnO+H2→Zn+H2O”在透明导电层400的上部形成。
如图4E所示，后电极材料层600a在金属层510上形成。
如图4F所示，后电极600通过烘焙后电极材料层600a形成，并且通过氧化金属层510的上部而同时形成包括金属层510和金属层510的氧化物层530的缓冲层500。
本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对本发明进行各种改进和变形。因此，本发明旨在涵盖本发明的各种改进和变形，倘若这些改进和变形落在由权利要求及其等同物限定的本发明范围内。
Claims (11)
1.一种薄膜型太阳能电池，包括：
在基板上形成的前电极；
在所述前电极上形成的半导体层；
在所述半导体层上形成的透明导电层；
在所述透明导电层上方形成的后电极；以及
缓冲层，在所述透明导电层与所述后电极之间形成，用以减小所述后电极的电阻并提高所述透明导电层与所述后电极之间的结合强度，
其中，所述缓冲层由顺序地沉积的金属层和氧化物层组成，其中在相同的烘焙条件下，所述金属层的氧化度高于所述后电极所用材料的氧化度，所述氧化物层由所述金属层的氧化物形成，并且所述氧化物层的电阻小于所述后电极的氧化物的电阻。
2.如权利要求1所述的薄膜型太阳能电池，其中，包括在所述缓冲层中的所述氧化物层和所述透明导电层都是由相同材料形成。
3.如权利要求2所述的薄膜型太阳能电池，其中，包括在所述缓冲层中的所述氧化物层和所述透明导电层都是由氧化锌形成。
4.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在基板上形成前电极；
在所述前电极上形成半导体层；
在所述半导体层上形成透明导电层；
在所述透明导电层上形成金属层；以及
在所述金属层上形成后电极材料层，然后烘焙所述后电极材料，从而形成所述后电极，
其中，在烘焙期间，使所述金属层的上部氧化，从而在所述金属层上形成所述金属层的氧化物层，所述金属层和所述氧化物层形成缓冲层，
其中，在相同的烘焙条件下，所述金属层的氧化度高于所述后电极所用材料的氧化度，并且所述氧化物层的阻抗小于所述后电极的氧化物的阻抗。
5.如权利要求4所述的方法，其中，用以形成所述后电极的工艺包括用于印刷后电极材料和烘焙所印刷的后电极材料的步骤。
6.如权利要求4所述的方法，其中，包括在所述缓冲层中的所述金属层通过在所述透明导电层上沉积附加层而形成。
7.如权利要求6所述的方法，其中，用以形成包括在所述缓冲层中的所述金属层的工艺包括用于通过在惰性气体气氛下以锌为目标进行溅射工艺而形成锌的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中，用以形成所述透明导电层的工艺包括用于通过在氧气气氛下以锌为目标进行溅射工艺而形成氧化锌的步骤，
其中所述用以形成所述透明导电层和包括在所述缓冲层中的所述金属层的工艺在同一溅射设备中连续地执行。
9.如权利要求6所述的方法，其中，用以形成包括在所述缓冲层中的所述金属层的工艺包括用于使用包含锌的气态材料在氢气气氛下通过化学气相沉积或原子层沉积形成锌的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，其中，用以形成包括在所述缓冲层中的所述金属层的工艺包括用于对所述透明导电层的上部脱氧的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中，用以对所述透明导电层的上部脱氧的工艺包括用于执行氢等离子体处理以使包含在所述透明导电层的氧与供给氢等离子体处理的氢反应的步骤。
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