CN101604710A - 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，其中，薄膜型太阳能电池包括：形成在前电极上的第一抗氧化层，以及形成在第一抗氧化层上的半导体层，因此通过防止包含在前电极中的氧化剂与半导体层中的硅发生反应，可以防止在前电极和半导体层之间的接触面上形成氧化物，由此实现电池效率的提高，其中薄膜型太阳能电池的制造方法包括：在衬底上形成前电极；在前电极上形成第一抗氧化层；在第一抗氧化层上形成半导体层；以及在半导体层上形成后电极。

Description

薄膜型太阳能电池及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年6月12日提交的，韩国专利申请第P2008-0055024号的优先权。该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，尤其是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在该半导体上生成空穴(+)和电子(-)。由于在PN结的区域产生了电场，空穴(+)向P型半导体漂移，电子(-)向N型半导体漂移，因此随着电势的出现而形成电能。
太阳能电池主要分为晶片太阳能电池和薄膜型太阳能电池。
晶片太阳能电池使用诸如硅等半导体材料制成的晶片。同时，薄膜型太阳能电池是通过在玻璃衬底上以薄膜的形式形成半导体而制成。
就效率而言，晶片太阳能电池优于薄膜型太阳能电池。然而，对晶片太阳能电池来说，因实施其制造工艺困难而难以实现较小的厚度。此外，晶片太阳能电池使用昂贵的半导体衬底，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晶片太阳能电池，但薄膜型太阳能电池具有诸如实现薄形体和使用低价材料等优点。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：在玻璃衬底上形成前电极、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。
图1A至图1D是一组剖面图，图示根据该现有技术的薄膜型太阳能电池的现有技术的制造方法。
如图1A所示，在玻璃衬底10上形成前电极20。前电极20由金属氧化物形成。
接着，如图1B所示，在前电极20上形成半导体层40。半导体层40由硅化合物形成。
如图1B的放大图所示，在前电极20和半导体层40之间的接触面上可能形成氧化物43。更详细地，由于前电极20由金属氧化物形成，因此前电极20中含有氧。并且，如果在执行形成半导体层40的工艺之前，前电极20暴露于空气中，氢氧根(OH group)可能吸附在前电极20的表面上。当在含有氧化剂诸如氧气或氢氧根的前电极20上形成半导体层40时，前电极20中含有的氧化剂与半导体层40中的硅反应而形成氧化硅。如果在前电极20和半导体层40之间的接触面上形成诸如氧化硅的氧化物43，那么由于氧化物43会增加接触面上的接触电阻。因此，增加的接触电阻会导致电池效率成问题的降低。
如图1C所示，在半导体层40上形成透明导电层60。透明导电层60由金属氧化物形成。
在这种情况下，如从图1C的放大图所知的，在半导体层40和透明导电层60之间的接触面上可能形成氧化物46。更详细地，由于透明导电层60由金属氧化物形成，在形成透明导电层60的工艺期间，氧气与半导体层40的硅反应而形成氧化硅。并且，如果在执行形成透明导电层60的工艺之前，半导体层40暴露于空气中，氢氧根可能吸附在半导体层40的表面上。在这种情况下，如果形成透明导电层60，氢氧根与半导体层40中的硅反应而形成氧化硅。而且，如果在半导体层40和透明导电层60之间的接触面上形成诸如氧化硅的氧化物46，那么由于氧化物46会增加接触面上的接触电阻。因此，增加的接触电阻会导致电池效率成问题的降低。
如图1D所示，在透明导电层60上形成后电极70，由此完成薄膜型太阳能电池的制造工艺。
如上文所述，根据现有技术的薄膜型太阳能电池含有氧化物43和46，其中，氧化物43形成在前电极20和半导体层40之间的接触面上，氧化物46形成在半导体层40和透明导电层60之间的接触面上。氧化物43和46导致接触电阻增加，而且进一步地，增加的接触电阻会导致电池效率的降低。
发明内容
因此，本发明涉及一种薄膜型太阳能电池及其制造方法，基本上避免了由于现有技术的限制和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种薄膜型太阳能电池及其制造方法，通过防止在前电极和半导体层之间或者在半导体层和透明导电层之间的接触面上形成氧化物，能够提高电池的效率。
在下面的描述中将部分地提出本发明的其它优点、目的和特点，并且，部分地，对于本领域技术人员，通过分析下文变得明显或者可以通过实施本发明而了解。通过书面的说明书及其权利要求以及附图中特别指出的结构可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为了实现上述目标和其它优点并且与本发明的目的相一致，如在此举例和概括描述的，一种薄膜型太阳能电池的制造方法包括：在衬底上形成前电极；在前电极上形成第一抗氧化层；在第一抗氧化层上形成半导体层；以及在半导体层上形成后电极。
本发明的另一方面是提供一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：在衬底上形成前电极；从前电极中除去氧化剂；在除去氧化剂的前电极上形成半导体层；以及在半导体层上形成后电极。
本发明的另一方面是提供一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：在衬底上形成前电极；在前电极上形成半导体层；从半导体层中除去氧化剂；在除去氧化剂的半导体层上形成透明导体层；以及在透明导体层上形成后电极。
本发明的另一方面是提供一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：在衬底上形成前电极；在前电极上形成半导体层；在半导体层上形成第二抗氧化层；在第二抗氧化层上形成透明导电层；以及在透明导电层上形成后电极，其中第二抗氧化层由其中不含氧的材料形成。
本发明的另一方面是提供一种薄膜型太阳能电池，包括：衬底上的前电极；前电极上的第一抗氧化层；第一抗氧化层上的半导体层；以及在半导体层上的后电极。
本发明的另一方面是提供一种薄膜型太阳能电池，包括：衬底上的前电极；前电极上的半导体层；半导体层上的第二抗氧化层；第二抗氧化层上的透明导电层；以及透明导电层上的后电极，其中第二抗氧化层由在其中不含氧的材料形成。
应当理解，本发明的前面的概括描述和下面的详细描述都是示范和说明性的，并且意在提供所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
所包括的附图用于提供对本发明的进一步的理解，并且包括在本说明书中构成了本申请的一部分，阐明了本发明的实施例，并且和说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：
图1A至图1D是图示根据现有技术的薄膜型太阳能电池的制造方法的一组剖面图；
图2A至图2H是图示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一组剖面图；
图3是图示根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图；
图4是图示根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图；以及
图5是图示根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图。
具体实施方式
现在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在附图中阐明。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。
<薄膜型太阳能电池的制造方法>
图2A至图2H是图示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一组剖面图。
首先，如图2A所示，在衬底100上形成前电极200。
前电极200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(氧化铟锡)通过溅射或MOCVD(金属有机化学气相沉积)形成。
前电极200可具有通过纹理化处理(texturing process)形成的不平整的表面，以使太阳光线的吸收率最大化。通过该纹理化处理，例如，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利用机械划线的成槽工艺，材料层表面被给予不平整的表面，即纹理结构。如果对前电极200执行纹理化处理，由于太阳光线的散射而使太阳能电池上太阳光线的反射率降低，并且太阳能电池中太阳光线的吸收率提高，从而提高了电池的效率。
如图2B所示，对前电极200采用氢(H2)等离子体处理。
如果前电极200在制造工艺中暴露于空气中，氢氧根就可能吸附在前电极200的表面上。并且，由于前电极200由金属氧化物形成，所以前电极200中含氧。因此包含在前电极200中的氧化剂诸如氧或氢氧根可以通过采用氢(H2)等离子体处理进行还原而除去。
然后，如图2C所示，在前电极200上形成第一抗氧化层300。
如上文所说明的，即使通过氢(H2)等离子体处理在一定程度上从前电极200中除去氧化剂，氧化剂也还是会残留在前电极200上。由于残留的氧化剂，会在前电极200上形成诸如氧化硅的杂质。因此，在前电极200上附加地形成第一抗氧化层300，用以防止在前电极200上形成氧化硅。
当形成用以防止氧化硅的形成的第一抗氧化层300时，必须满足以下条件：
第一，在前电极200和第一抗氧化层300之间的接触面上不能形成氧化物。因此，第一抗氧化层300由具有低氧化度的材料形成。
第二，在第一抗氧化层300和将要描述的半导体层(见图2D的‘400’)之间的接触面上不能形成氧化物。为了满足该条件，第一抗氧化层300中不能含有氧化剂。就是说，第一抗氧化层300应该由其中不含氧的材料形成。优选地，第一抗氧化层300不暴露于空气中。为了防止第一抗氧化层300暴露于空气中，优选的是顺序地在形成第一抗氧化层300的工艺后进行形成半导体层400的工艺。
第三，第一抗氧化层300应该由具有高导电性的材料形成。这是因为具有低导电性的材料会导致电池效率的降低。
第四，必须防止第一抗氧化层300降低太阳光线的透射率。如果由于第一抗氧化层300使得太阳光线的透射率降低，那么太阳光线的吸收率将降低，以致电池的效率也降低。
一种适合于满足上述的第一至第四个条件的第一抗氧化层300的材料可以是锗(Ge)。锗(Ge)可以在氢(H2)等离子体环境下通过利用GeH4(氢化锗)气体的ALD(原子层沉积)制得。同样，为防止太阳光线透射率降低的第四个条件可以通过调节第一抗氧化层300的厚度来实现。优选地，第一抗氧化层300形成的厚度在
Figure G2009101419755D00061
至
Figure G2009101419755D00062
之间。如果第一抗氧化层300的厚度小于
Figure G2009101419755D00063
就会导致防氧化效率的降低。同时，如果第一抗氧化层300的厚度大于就会导致太阳光线透射率的降低。
如图2D所示，在第一抗氧化层300上形成半导体层400。如上文所述，为了防止第一抗氧化层300暴露于空气中，优选的是在形成第一抗氧化层300的工艺后继续进行形成半导体层400的工艺。
半导体层400由硅基半导体材料通过等离子体化学气相沉积形成，其中半导体层400可以形成为PIN结构，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400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。其后，通过太阳光线产生的空穴和电子在电场作用下漂移，然后分别聚集在P型半导体层和N型半导体层。
如果形成具有PIN结构的半导体层400，优选地，首先在第一抗氧化层300上形成P型半导体层，然后在其上形成I型半导体层和N型半导体层。这是因为空穴的漂移迁移率小于电子的漂移迁移率。为了使收集入射光线的效率最大化，P型半导体层被设为与光线入射表面相邻。
如图2E所示，对半导体层400实施氢(H2)等离子体处理。
如果在制造工艺期间，半导体层400暴露于空气中，氢氧根可能吸附到半导体层400的表面上。相应地，存在于半导体层400表面上的诸如氢氧根的氧化剂可以通过采用氢(H2)等离子体处理进行还原而除去。
然而，如果顺序地执行形成半导体层400的工艺和其后的工艺，即如果半导体层400未暴露于空气中，氢氧根就不会由于吸附而存在于半导体层400的表面上。因此，不需要氢(H2)等离子体处理。
接着，如图2F所示，在半导体层400上形成第二抗氧化层500。
第二抗氧化层500可以由与形成第一抗氧化层300相同的材料形成。就是说，第二抗氧化层500可以由锗(Ge)层形成，锗(Ge)层可以在氢(H2)等离子体环境下通过利用GeH4气体的ALD制得。同样，第一抗氧化层300形成的厚度在
Figure G2009101419755D00071
至
Figure G2009101419755D00072
之间。
然后，如图2G所示，在第二抗氧化层500上形成透明导电层600。优选地，为了防止第二抗氧化层500暴露于空气中，在形成第二抗氧化层500的工艺后继续进行形成透明导电层600的工艺。
透明导电层600可以由诸如氧化锌的透明导电材料通过溅射或MOCVD形成。
透明导电层600可以省略。优选地，设有透明导电层600以便提高电池效率。这是因为透明导电层600使透射过半导体层400的太阳光线能够以各个角度散射，由此太阳光线被反射到将要描述的后电极(见图2H的‘700’)上并且接着再入射到半导体层400上，从而使得电池效率提高。
如图2H所示，在透明导电层600上形成后电极700，由此完成根据本发明的一个实施例的薄膜型太阳能电池的制造工艺。
后电极700可由金属，例如银、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。
于此，已经根据本发明的一个实施例的说明了薄膜型太阳能电池的制造方法。尽管没有于此说明，但是所有适合于防止在前电极200和半导体层400之间或者在半导体层400和透明导电层600之间的接触面上形成氧化物的方法都可以包括在本发明中。就是说，通过对比现有技术，本发明包括所有可以防止在特定的接触面上形成氧化物的方法，即使产生的各个方法省略了图2A至图2H中的任一工艺。下面将说明具体的例子。
第一，可以选择性的执行对前电极200实施的氢(H2)等离子体处理(图2B的工艺)和在前电极200上形成第一抗氧化层300的工艺(图2C的工艺)中的任何一个。就是说，如图2A所示在衬底100上形成前电极200后，图2B的工艺可以省略，然后第一抗氧化层300可以直接的形成在前电极200上。在另一方面，如图2A所示在衬底100上形成前电极200后，如图2B所示，可以对前电极200实施氢(H2)等离子体处理而省略图2C的工艺。
第二，可以选择性的执行对半导体层400实施的氢(H2)等离子体处理(图2E的工艺)和形成第二抗氧化层500的工艺(图2F的工艺)中的任何一个。就是说，如图2D所示在形成半导体层400后，图2E的工艺可以省略，然后如图2F所示，第二抗氧化层500可以直接的形成在半导体层400上。在另一方面，如图2D所示形成半导体层400后，如图2E所示，可以对半导体层400实施氢(H2)等离子体处理而省略图2F的工艺。
第三，可以选择性的执行形成第一抗氧化层300的工艺(图2C的工艺)和形成第二抗氧化层500的工艺(图2F的工艺)中的任何一个。就是说，可以在前电极200和半导体层400之间形成第一抗氧化层300，而不在半导体层400和透明导电层600之间形成第二抗氧化层500。在另一方面，可以在半导体层400和透明导电层600之间形成第二抗氧化层500，而不在前电极200和半导体层400之间形成第一抗氧化层300。
<薄膜型太阳能电池>
图3是图示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3所示，根据本发明一个实施例的薄膜型太阳能电池包括：衬底100、前电极200、第一抗氧化层300、半导体层400、透明导电层600以及后电极700。
衬底100由玻璃或透明塑料形成。
在衬底100上形成前电极200。前电极200由透明导电材料形成，例如，ZnO、ZnO:B、ZnO:Al、ZnO:H、SnO2、SnO2:F或ITO。同样，前电极200可以有不平整的表面。
第一抗氧化层300防止在前电极200和半导体层400之间的接触面上形成氧化物。第一抗氧化层300由氧化度低、其中不含氧，并且可得到高导电性和高太阳光线透射率的材料形成。例如，第一抗氧化层300可以由锗(Ge)层形成。同样，第一抗氧化层300形成的厚度可以在
Figure G2009101419755D00081
至
Figure G2009101419755D00082
之间。这是因为，具有小于厚度的第一抗氧化层300会导致防氧化效率的降低，以及具有大于厚度的第一抗氧化层300会导致太阳光线透射率的降低。
半导体层400可以由硅基半导体材料形成。同样，半导体层400可以形成为PIN结构，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。如果形成具有PIN结构的半导体层400，优选地，首先在第一抗氧化层300上形成P型半导体层，然后在其上形成I型半导体层和N型半导体层。
透明导电层600可以由透明导电材料形成，例如氧化锌。虽然省略透明导电层600对太阳能电池的工作没有影响，但是，优选地，根据本发明的薄膜型太阳能电池设有透明导电层600。
后电极700可由金属形成，例如，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。
图4是图示根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图。除了在半导体层400和透明导电层600之间附加地形成第二抗氧化层500之外，所述根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池在结构上与参照图3说明的薄膜型太阳能电池是相同的。因此，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与上述实施例相同或相似的组成部分，并且将省略对该相同或相似的组成部分的详细说明。
第二抗氧化层500防止在半导体层400和透明导电层600之间的接触面上形成氧化物。在这种情况下，第二抗氧化层500由与第一抗氧化层300相同的材料形成。就是说，第二抗氧化层500可以由锗(Ge)形成，并且形成的厚度可以在
Figure G2009101419755D00091
至之间。
图5是图示根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池的剖面图。除了没有在前电极200和半导体层400之间形成第一抗氧化层300之外，所述根据本发明另一个实施例的薄膜型太阳能电池在结构上与参照图4说明的薄膜型太阳能电池是相同的。
相应地，根据本发明的薄膜型太阳能电池及其制造方法有下述优点。
第一，在前电极200上形成第一抗氧化层300，然后在第一抗氧化层300上形成半导体层400。因此，可以防止包含在前电极200中氧化剂与半导体层400中的硅之间发生反应，由此可以防止在前电极200和半导体层400之间的接触面上形成氧化物，从而使得电池效率提高。
第二，在通过氢(H2)等离子体处理而从前电极200中除去氧化剂后，形成半导体层400，以便防止在前电极200和半导体层400之间的接触面上形成氧化物，从而提高电池的效率。
第三，在半导体层400上形成第二抗氧化层500，然后在第二抗氧化层500上形成透明导电层600。因此，可以防止半导体层400中的硅与包含在透明导电层600中的氧化剂之间发生反应，由此可以防止在半导体层400和透明导电层600之间的接触面上形成氧化物，从而使得电池效率提高。
第四，在通过氢(H2)等离子体处理而从半导体层400中除去氧化剂后，形成透明导电层600，以便防止在半导体层400和透明导电层600之间的接触面上形成氧化物，从而提高电池的效率。
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型。因此，本发明旨在涵盖本发明的各种改进和变型，只要这些改进和变型落在由权利要求及其等同描述限定的本发明范围内。

Claims (20)

1.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上形成前电极；
在所述前电极上形成第一抗氧化层；
在所述第一抗氧化层上形成半导体层；以及
在所述半导体层上形成后电极。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在执行形成所述第一抗氧化层的工艺前，从所述前电极中除去氧化剂。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一抗氧化层由其中不含氧的材料形成。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述半导体层和所述后电极之间形成透明导电层。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：
在执行形成所述透明导电层的工艺前，在所述半导体层上形成第二抗氧化层。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：
在执行形成所述第二抗氧化层的工艺前，从所述半导体层中除去氧化剂。
7.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上形成前电极；
从所述前电极中除去氧化剂；
在除去所述氧化剂的所述前电极上形成半导体层；以及
在所述半导体层上形成后电极。
8.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上形成前电极；
在所述前电极上形成半导体层；
从所述半导体层中除去氧化剂；
在除去所述氧化剂的所述半导体层上形成透明导电层；以及
在所述透明导电层上形成后电极。
9.如权利要求2和6至8中任一项所述的方法，其中，除去所述氧化剂的工艺包括步骤：通过氢(H2)等离子体处理还原所述氧化剂。
10.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括：
在衬底上形成前电极；
在所述前电极上形成半导体层；
在所述半导体层上形成第二抗氧化层；
在所述第二抗氧化层上形成透明导电层；以及
在所述透明导电层上形成后电极，
其中，所述第二抗氧化层由其中不含氧的材料形成。
11.如权利要求1至6和10中任一项所述的方法，其中，形成所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层的工艺包括步骤：在氢(H2)等离子体环境下采用氢化锗气体形成锗(Ge)层。
12.如权利要求1至6和10中任一项所述的方法，其中，形成所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层的工艺包括步骤：形成厚度在10至30
Figure A2009101419750003C2
之间的各个层。
13.如权利要求1至6和10中任一项所述的方法，其中，为了防止所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层暴露于空气中，顺序地执行形成所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层的工艺以及其后的工艺。
14.一种薄膜型太阳能电池，包括：
衬底上的前电极；
所述前电极上的第一抗氧化层；
所述第一抗氧化层上的半导体层；以及
所述半导体层上的后电极。
15.如权利要求14所述的薄膜型太阳能电池，其中，所述第一抗氧化层由其中不含氧的材料形成。
16.如权利要求14所述的薄膜型太阳能电池，进一步包括：
所述半导体层和所述后电极之间的透明导电层。
17.如权利要求16所述的薄膜型太阳能电池，进一步包括：
所述半导体层和所述透明导电层之间的第二抗氧化层。
18.一种薄膜型太阳能电池，包括：
衬底上的前电极；
所述前电极上的半导体层；
所述半导体层上的第二抗氧化层；
所述第二抗氧化层上的透明导电层；以及
所述透明导电层上的后电极，
其中，所述第二抗氧化层由其中不含氧的材料形成。
19.如权利要求14至18中任一项所述的薄膜型太阳能电池，其中，所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层形成的厚度在10
Figure A2009101419750004C1
至30
Figure A2009101419750004C2
之间。
20.如权利要求14至18中任一项所述的薄膜型太阳能电池，其中，所述第一抗氧化层或所述第二抗氧化层由锗(Ge)层形成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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