CN101622721B - 太阳能电池用透明电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池用透明电极及其制造方法，更具体地涉及要在太阳能电池中应用的透明且导电的透明电极及其制造方法，所述透明电极包括透明基层、形成在所述透明基层上的第一多晶透明金属氧化物层；形成在所述第一多晶透明金属氧化物层上的金属层、以及形成在所述金属层上的第二多晶透明金属氧化物层。因此，根据本发明的透明电极使透光率的降低最小化，显著减小了电阻率，并且改善了表面粗糙度，由此提高了太阳能电池的效率，从而提供了高效的太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池用透明电极及其制造方法，更具体地涉及高质量的太阳能电池用透明电极及其制造方法，该透明电极使透光率的下降最小化，显著减小了电阻率，并且改善了表面粗糙度，由此提高了太阳能电池的效率，从而提供了高效的太阳能电池。
背景技术
导电性透明电极广泛用于各种技术应用，并且还被要求针对各个领域，特别是针对诸如太阳能电池和显示部件这样的领域，进行开发。如韩国专利申请No.2006-0053541中所公开的，提供高导电性和透光率的透明电极主要用在通过太阳光产生电的太阳能电池中，和将从衬底生成的光信号显示到外部的显示部件中。为此，通过用溅射将诸如ITO(铟锡氧化物)的导电材料淀积在诸如玻璃的绝缘基层上，来制造这种透明电极。具体地说，由于OLED(有机发光二极管)的特性，用在OLED中的透明电极要求导电材料层具有较低的电阻率和较高的平坦度。这里，因为OLED层很薄，所以较高的平坦度比较低的电阻率更有必要。然而，对于用在太阳能电池中的透明电极，光电转换效率是最关键的。因此，由于该应用领域的特性，所以导电材料同时具有低电阻率和高透光率是必要的。
为了开发高效太阳能电池，淀积在透明基层上的导电材料层应当具有较低的电阻率和较低的表面粗糙度，同时提供较高的透光率。然而，常规非晶ITO在具有高平坦度的同时还具有高电阻率。同时，尽管多晶ITO相比于非晶ITO具有更低的电阻率，但是其电阻率仍然较高。此外，多晶ITO的表面非常粗糙。
因此，非常需要开发出这样的透明电极的制造方法，其使用韩国专利申请No.2006-0053541中公开的新开发的金属氧化物或已有的金属氧化物，并利用已有的淀积装备，维持了与常规透明电极类似的透光率，并且显著减小了电阻率并改善了表面粗糙度。
发明内容
技术问题
因此，本发明的一方面是提供高质量的太阳能电池用透明电极及其制造方法，该透明电极使透光率的下降最小化，显著减小了电阻率，并且改善了表面粗糙度，由此提高了太阳能电池的效率，从而提供了高效的太阳能电池。
本发明的其它方面和/或优点将在下面的描述中被部分阐述，并且部分将从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。
技术方案
通过提供一种在太阳能电池中应用的透明且导电的透明电极来实现本发明的前述和/或其他方面，所述透明电极包括：透明基层；形成在所述透明基层上的第一多晶透明金属氧化物层；形成在所述第一多晶透明金属氧化物层上的金属层；以及形成在所述金属层上的第二多晶透明金属氧化物层。
还通过提供一种太阳能电池来实现本发明的前述和/或其他方面，所述太阳能电池包括所述用于太阳能电池的透明电极，和面对所述透明电极的对置电极。
还通过提供一种用于太阳能电池的透明电极的制造方法来实现本发明的前述和/或其他方面，所述制造方法包括：提供透明基层；在所述透明基层上形成第一多晶透明金属氧化物层；在所述第一多晶金属氧化物层上形成金属层；以及在所述金属层上形成第二多晶透明金属氧化物层。
有益效果
如上所述，本发明提供了用于太阳能电池的透明电极、包括该透明电极的太阳能电池以及该透明电极的制造方法，这使透光率的降低最小化，显著减小了电阻率并改善了表面粗糙度，由此提高了太阳能电池的效率，从而提供了高效的太阳能电池。
附图说明
根据以下结合附图对实施方式的描述，本发明的上述和/或其他方面将变得清楚，并且更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明示例性实施方式的透明电极的横截面视图；
图2是采用根据本发明的透明电极的染料敏化(dye-sensitized)太阳能电池的横截面视图；
图3是通过扫描显微镜捕获到的根据本发明的用于太阳能电池的透明电极的表面；以及
图4是通过扫描显微镜到的根据对比实施方式的透明电极的表面。
具体实施方式
下面，将参照附图来描述本发明的示例性实施方式，其中，相同的标号指代相同的部件，并且必要时将避免重复的描述。
下面将详细描述本发明。
本发明涉及用于太阳能电池的透明电极，该透明电极是透明且导电的。该透明电极包括透明基层10、形成在透明基层10上的第一多晶透明金属氧化物层20、形成在第一多晶透明金属氧化物层20上的金属层30以及形成在金属层30上的第二多晶透明金属氧化物层40。
一般来说，太阳能电池包括通过其入射太阳光的透明电极，和面对该透明电极的对置电极。透明电极应当透明且导电以使电流能在其中流动。因此，该透明电极是用导电材料制造的。如果透明电极材料包括绝缘材料，则将导电材料涂覆在该绝缘材料上。根据本发明，如图1中所示，透明电极包括透明基层10、形成在透明基层10上的第一多晶透明金属氧化物层20、形成在第一多晶透明金属氧化物层20上的金属层30以及形成在金属层30上的第二多晶透明金属氧化物层40。根据本发明，通过使用具有较低电阻率的金属来使导电材料层的导电性最大化。因为在金属层30上、下形成有氧化物层20和40以再次反射金属反射光，即，金属层30夹在氧化物层20和40之间以最小化由于引入金属层30而造成的透光率的降低，所以可以制造高导电性的多个层。
透明基层10可以包括在太阳能电池中采用的各种已知透明材料，例如，绝缘体或导体。优选地，透明基层10包括具有结构和化学稳定性的玻璃。
氧化物层20形成在透明基层10上，以对透明基层10提供高导电性，提供用于在其上形成金属层30的表面，并防止金属层30进入透明基层10中。氧化物层20形成第一多晶透明金属氧化物层20，该第一多晶透明金属氧化物层20包括晶体而非非晶。该透明金属氧化物可以包括透明且导电的各种已知金属氧化物。更具体地说，该透明金属氧化物可以包括例如含掺杂物锑或氟的锡氧化物、含掺杂物铝或钾的锌氧化物、含掺杂物锡的ITO或者日本专利首次公开No.2004-43851的晶体In-W-O。优选地，该透明金属氧化物可以包括广泛使用、便利且导电性高的ITO或FTO，更优选地可以包括ITO。即，由于引入金属层30而作为防反射层的透明金属氧化物层(膜)包括广泛用于已有透明导电层的ITO。ITO层在可见光范围内提供高透光率，同时还具有低电阻率。此外，通过控制淀积条件，ITO层具有良好的表面平坦度和高折射率。因此，当随后形成金属层30时，即使ITO层很薄，它也不会破裂，而仍然是连续的。此外，电阻率降低。因此，ITO层适合于用作金属层30的防反射层。
此外，第一多晶透明金属氧化物层20影响旋光性以提高透光率，防止衬底材料的漫射，并用作影响金属初始核生成的成核改性层，并且在确定整个夹层结构的平坦度方面起关键作用。
可以通过各种已知的淀积方法，例如真空淀积、离子注入、溅射、施加液体的方法，来形成ITO透明金属氧化物层，以形成透明导电层。优选地，通过溅射来形成ITO透明金属氧化物层，以控制厚度并且便于使用。在这种情况中，ITO透明金属氧化物层应当包括多晶体，以降低电阻率，并防止金属层30和氧化物层20与40的扩散与耦合。一般来说，将非晶ITO退火成多晶体。优选地，第一多晶透明金属氧化物层20的厚度在250埃到800埃的范围内，以保证足够的透光率，并通过在不损害透光率的范围内形成金属层30来提高导电性。在这种情况中，表面粗糙度未劣化。因为多晶ITO具有各向异性，其在方向(400)上具有快速结晶生长率，所以表面粗糙度变差并且透光率降低，或者如果多晶体生长得太多，则金属层30变厚。因此，第一多晶透明金属氧化物层20的厚度优选地在前述范围内。
如图1中所示，金属层30形成在第一多晶透明金属氧化物层20上。因为金属层30显著减小了透明基层10的导电材料的电阻率，所以就导电性而言，金属层越厚越好。然而，如果金属层30太厚，则透明电极的透光率降低。因此，金属层30的厚度优选地最大为500埃，更优选地为50埃到150埃，最优选地为100埃左右，以保证足够的导电性和透光率。毕竟，大部分导电性通过金属层30来实现，因此，金属层30应该是平坦、完整且连续的。
金属层30可以包括高导电性的各种已知金属。优选地，金属层30包括从包括银(Ag)、银合金、铂(Pt)、铂合金、金(Au)、金合金、铜(Cu)、铜合金以及它们的混合物(合金)的组中选择的至少一种材料，该材料是高导电性的并且易于淀积。更优选地，金属层30包括从包括银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、铜(Cu)以及它们的混合物(合金)的组中选择的至少一种材料，最优选地，包括高导电性的银(Ag)。如果金属层30包括高导电性的银且吸收较少的可见光，则用于太阳能电池的透明电极在具有多层结构的情况下有足够的透光率。
金属层30可以通过各种已知的淀积方法来形成，优选地通过溅射来形成，从而无困难地制造金属层30，并调整其厚度。优选地，通过室温淀积工艺而不加热基层来形成金属层30，以抑制第一多晶金属氧化物层20的粗糙化以及金属与金属氧化物之间的相互作用，并降低电阻率。
因为金属层30薄并且可以用作化学杂质，所以第二多晶透明金属氧化物层40可以通过与形成第一多晶透明金属氧化物层20相同的方法形成在金属层30上，由此保护并包含金属层30。第二多晶透明金属氧化物层40在光学上用作防反射层，并提高透光率且保护金属层30。
第二多晶透明金属氧化物层40可以包括多晶体，以提高导电性。要求第二多晶透明金属氧化物层40具有平坦的表面，以随后无困难地形成其他层并保证透光率。优选地，第二多晶透明金属氧化物层40的厚度在250埃到800埃的范围内，以不降低表面粗糙度，并保证透光率。
此外，本发明提供包括根据本发明的透明电极的太阳能电池。该太阳能电池包括用于该太阳能电池的透明电极，和面对该透明电极的对置电极。该太阳能电池包括具有太阳光入射其中的透明电极的各种已知太阳能电池。例如，该太阳能电池包括硅型太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。前述太阳能电池的结构在本领域是已知的，因此，将省略其详细描述。
图2例示了包括根据本发明的透明电极的染料敏化太阳能电池。如图中所示，该太阳能电池包括透明电极和对置电极(70+80+90)(含铂的催化剂金属层70、导电涂覆层80和作为该对置电极的基底的玻璃层90)，该透明电极具有i)透明基层10、ii)包括第一多晶透明金属氧化物层20、金属层30和第二多晶透明金属氧化物层40的导电层(20+30+40)。同时，染料敏化太阳能电池还可以包括包含染料的多孔层50，和形成在多孔层50上的电解质层60。
此外，本发明提供用于太阳能电池的透明电极的制造方法。根据本发明的用于太阳能电池的透明电极的制造方法包括：提供透明基层的操作，在该透明基层上形成第一多晶透明金属氧化物层的操作，在该第一多晶透明金属氧化物层上形成金属层的操作，以及在该金属层上形成第二多晶透明金属氧化物层的操作。
透明基层10、透明金属氧化物层20与40以及金属层30的材料如上所述。优选地，透明金属氧化物层20与40包括ITO，而金属层30包括银(Ag)。可以在基层10处于室温时形成金属层30，由此降低电阻率并制造高效的太阳能电池。可以通过将非晶ITO退火成多晶体，来形成ITO层。更优选地，在基层被加热至200±50℃时形成ITO层。在这种环境下，ITO层无困难地被制造，恰当地生长，从而保证了合适的粗糙度。
形成透明金属氧化物层20与40和金属层30的方法可以包括各种已知方法，优选地，包括如上所述的真空溅射淀积方法。
优选地，金属层30的厚度最大为500埃，更优选地为50埃到150埃。第一多晶透明金属氧化物层20的厚度为250埃到800埃，而第二多晶透明金属氧化物层40的厚度为250埃到800埃。
为了进一步减小与多晶金属氧化物层20与40对应的电阻率，在前述制造处理之后优选地对整个透明电极进行退火。因此，晶粒边界处的电阻可以降低，并且电阻率可以减小。退火条件可以包括已知的退火条件。在220±50℃处将ITO金属氧化物加热30分钟到2小时，以抑制粒度的粗糙化和表面反应，并降低电阻率。
下面，将描述本发明的示例性实施方式和对比实施方式。这些实施方式例示了本发明，但是并不限制本发明的范围。
[示例性实施方式]
示例性实施方式1与2和对比实施方式1
在表1中所示的多层(p-ITO是指多晶ITO)结构、厚度条件、淀积温度条件和退火处理条件下，在玻璃基底上准备样本。如表1中所示，在室温下淀积银(Ag)层。在提供了样本之后，测量了表面电阻、电阻率、(光)透光率以及表面粗糙度，并在表2中示出这些参数。
[表1][表]
如表2中所示，与根据对比实施方式的透明电极相比较，根据示例性实施方式1和2的透明电极具有低得多的表面电阻和电阻率，并使导电性得到了更大的提高。此外，根据示例性实施方式1和2的透明电极几乎没有损失透光率，并改善了表面粗糙度。如图3中所示，根据示例性实施方式1的透明电极具有晶粒未粗糙化的精细结构，而根据对比实施方式的透明电极具有更大的晶粒和更高的粗糙度值。
[表2][表]
| 实施方式 | 表面电阻(Ω/□) | 电阻率(uΩcm) | 透光率(％) | 表面粗糙度(纳米，Rp-v) |
| 示例性实施方式1 | 4.69 | 70.35 | 85.5 | 21.74 |
| 示例性实施方式2 | 4.38 | 65.7 | 86.2 | 34.58 |
| 对比实施方式1 | 15.24 | 228.6 | 88.5 | 41.64 |
尽管已经示出和描述了本发明的一些示例性实施方式，但是本领域技术人员将意识到，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下，对这些示例性实施方式作出改变，本发明的范围在所附权利要求书及其等同物中限定。
工业应用
如上所述，本发明提供了用于太阳能电池的透明电极、包括该透明电极的太阳能电池以及该透明电极的制造方法，这使透光率的降低最小化，显著减小了电阻率并改善了表面粗糙度，由此提高了太阳能电池的效率，从而提供了高效的太阳能电池。
Claims (14)
1.一种在太阳能电池中应用的透明且导电的透明电极，所述透明电极包括：
透明基层；
形成在所述透明基层上的第一多晶透明金属氧化物层；
形成在所述第一多晶透明金属氧化物层上的金属层；以及
形成在所述金属层上的第二多晶透明金属氧化物层。
2.根据权利要求1所述的透明电极，其中，所述金属层是从包括银、铂、金、铜以及它们的混合物或合金的组中选择的至少一种，而所述透明金属氧化物层包括铟锡氧化物或氟锡氧化物。
3.根据权利要求1所述的透明电极，其中，所述金属层的厚度最大为500埃。
4.根据权利要求3所述的透明电极，其中，所述第一多晶透明金属氧化物层的厚度在250埃到800埃的范围内，所述金属层的厚度在50埃到150埃的范围内，而所述第二多晶透明金属氧化物层的厚度在250埃到800埃的范围内。
5.根据权利要求1所述的透明电极，其中，所述金属层是通过室温淀积工艺来制造的。
6.一种太阳能电池，所述太阳能电池包括根据权利要求1到5中的一项所述的太阳能电池用透明电极，和面对所述透明电极的对置电极。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，所述太阳能电池还包括置于所述透明电极与所述对置电极之间的含染料的多孔层和形成在该多孔层上的电解质层。
8.一种太阳能电池用透明电极的制造方法，所述制造方法包括：
提供透明基层；
在所述透明基层上形成第一多晶透明金属氧化物层；
在所述第一多晶透明金属氧化物层上形成金属层；以及
在所述金属层上形成第二多晶透明金属氧化物层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，所述制造方法还包括：在前述操作之后，对所述太阳能电池用透明电极进行退火。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其中，所述透明金属氧化物包括铟锡氧化物，并且对所述透明电极进行退火的操作包括在220±50℃对所述透明电极进行热处理达30分钟到2小时。
11.根据权利要求8或9所述的制造方法，其中，所述透明金属氧化物层和所述金属层是通过真空溅射淀积法来形成的。
12.根据权利要求8或9所述的制造方法，其中，所述透明金属氧化物包括铟锡氧化物，并且所述金属层包括银，且所述金属层是在所述基层处于室温时形成的。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，所述铟锡氧化物层是在所述基层加热至200±50℃时形成的。
14.根据权利要求8或9所述的制造方法，其中，所述第一多晶透明金属氧化物层的厚度在250埃到800埃的范围内，所述金属层的厚度在50埃到150埃的范围内，而所述第二多晶透明金属氧化物层的厚度在250埃到800埃的范围内。
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