CN101853885A - 太阳能吸收层浆料的制造方法、该浆料及吸收层 - Google Patents

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林群福
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Abstract

本发明是有关于一种太阳能吸收层浆料的制造方法、该浆料及吸收层。该太阳能吸收层浆料的制造方法，包含步骤：混合含IB族、IIIA族及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末及IIIA族元素粉末以形成原始含IB族、IIIA族及VIA族元素的一混合粉末；在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，并进行混合，以形成一最后混合粉末；加热该最后混合粉末，使该最后混合粉末的温度高于IIIA族及VIA族元素的熔点以上。应用所述制造方法制作太阳能吸收层的浆料，还可应用该浆料涂布于基板上形成太阳能吸收层。

Description

太阳能吸收层浆料的制造方法、该浆料及吸收层
技术领域
本发明涉及一种太阳能吸收层浆料的制造方法，特别是涉及一种不需添加界面活性剂、接着剂及溶剂的太阳能吸收层浆料的制造方法、该浆料及吸收层。
背景技术
随着地球暖化的日益严重，绿色能源的开发逐渐受到重视。而太阳能的利用以达到产业应用的规模，其中，第一代太阳能模组主要系利用单晶硅和多晶硅的技术，其光电转换效率高且量产技术成熟，但因为材料成本高，使得后续的量产受到限制。因此，以非晶硅薄膜、铜铟镓硒薄膜和碲化镉薄膜为主的第二代薄膜太阳能模组，在近几年已逐渐发展并成熟，其中又以铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池特别受到重视，因其高转换效率及其可挠式特性受到产业的青睐。
上述铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)太阳能电池的制造方法主要依据铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的制造工艺而区分成真空制造工艺及非真空制造工艺。真空制造工艺包括溅镀法或蒸镀法等，缺点是投资成本较高且材料利用率较低，因此整体制作成本较高；而非真空制造工艺是利用涂布方法、印刷法或电沉积法等，其具有制造设备简单且制造工艺条件容易达成的优点，而有相当的商业潜力。
目前，以非真空制造工艺中所使用的铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)浆料，需添加接着剂(binder)或界面活性剂，如硅烷类化合物，以提高铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层和钼电极的接着性；然而，接着剂、界面活性剂等添加物可能会残留在成膜后的铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层内，造成铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的含碳量和含氧量偏高，影响铜铟镓硒或铜铟镓硒(硫)吸收层的光吸收特性，甚至影响太阳能电池的效率。
再者，在混拌上述粉末/浆料的过程中，通常需要添加溶剂，以达到均匀分散粉体的功能。然而，上述溶剂会在浆料成膜的软烤步骤中挥发，导致膜层中出现孔洞，使得吸收层的结构出现缺陷。
本案发明人有鉴于上述现有的技术在实际施用时的缺失，且积累个人从事相关产业开发实务上多年的经验，精心研究，终于提出一种设计合理且有效改善上述问题的方法。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种高温太阳能吸收层的浆料的制造方法、该浆料及吸收层，其是将过量的VIA族元素粉末添加于原始的混合粉末中，以提高VIA族元素所占的比例，并利用上述过量的VIA族元素粉末提供原由界面活性剂或接着剂所提供的接着功能，故可解决传统界面活性剂或接着剂残留于膜层中所导致的太阳能电池效率不佳的问题。
本发明的再一目的，在于提供一种高温太阳能吸收层的浆料的制造方法、该浆料及吸收层，其是利用高温将元素态的粉末加以熔融，以利用熔融的材料提供分散其他固体奈米粉体的效果，换言之，本发明可解决传统工艺中添加溶剂，而溶剂在烘烤过程中挥发，所导致在膜层中出现孔洞的问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种太阳能吸收层浆料的制造方法，其包括以下步骤：步骤一，混合含IB族、IIIA族及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末及IIIA族元素粉末以形成原始含IB族、IIIA族及VIA族元素的一混合粉末，且该混合粉末中的IB族、IIIA族及VIA族元素具有一第一组成比例；步骤二，在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，并进行混合，以形成一最后混合粉末，且该最后混合粉末中的IB族、IIIA族及VIA族元素具有一第二组成比例，其中该最后混合粉末中的VIA族元素所占的比例大于该混合粉末中的VIA族元素所占的比例；以及步骤三，加热该最后混合粉末，使该最后混合粉末的温度高于IIIA族及VIA族元素的熔点以上，以形成该高温太阳能吸收层的浆料。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的制造方法，其中所述的混合粉末中的第一组成比例是IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶2.0。
前述的制造方法，其中所述的最后混合粉末中的第二组成比例是IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶X，其中X介于2.0至4.0之间。
前述的制造方法，其中在加热该最后混合粉末的步骤中，是使该最后混合粉末的温度提高至220℃以上。
前述的制造方法，其中在加热该最后混合粉末的步骤中，是使该最后混合粉末的温度介于220℃至300℃之间。
前述的制造方法，其中所述的IB族元素是铜元素。
前述的制造方法，其中所述的IIA族元素是铟元素、镓元素、或铟元素与镓元素的组合。
前述的制造方法，其中所述的VIA族元素为硒元素、硫元素或硒元素与硫元素的组合。
前述的制造方法，其中所述的高温太阳能吸收层的浆料是铜铟镓硒浆料或铜铟镓硒硫浆料。
在一具体实施例中，含IB族元素、IIIA族元素和VIA族元素的二成份、三成份和四成份粉末和IIIA族中的纯铟元素、纯镓元素、或混合铟元素与镓元素的材料、VIA族中的纯硒元素、纯硫元素或混合硒元素与硫元素的材料可用以组成上述混合粉末，并以本发明的制造方法制作成铜铟镓硒(硫)浆料，更可应用该浆料涂布于基板上形成太阳能吸收层。
本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种应用上述的太阳能吸收层浆料的制造方法所制成的太阳能吸收层浆料及其太阳能吸收层。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明太阳能吸收层浆料的制造方法至少具有下列优点及有益效果：本发明，利用上述过量的VIA族元素粉末提供界面活性剂或接着剂的作用，使本发明的浆料不需添加界面活性剂或接着剂；利用熔融的材料提供分散其他固体奈米粉体的效果，使本发明的浆料不需添加溶剂，藉以提高浆料成型的膜层的光吸收特性及结构致密度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明太阳能吸收层浆料的制造方法的流程图。
图2是太阳能电池结构的示意图。
10：基板                  20：第一导电层
30：吸收层                40：缓冲层
50：绝缘层                60：第二导电层
S101～S1055：浆料配置步骤
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的太阳能吸收层浆料的制造方法其具体实施方式、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明提出一种太阳能吸收层浆料的制造方法，其是提供一种不含界面活性剂和接着剂的太阳能吸收层的浆料，以解决传统添加界面活性剂和接着剂在膜层中残留碳、氧，而导致太阳能吸收层的光吸收特性不佳的问题；且本发明更解决传统浆料配置过程中添加溶剂，所导致太阳能吸收层上产生孔洞，而降低太阳能电池效率的问题。
本发明的具体实施例是以由IB族、IIIA族及VIA族所制作的太阳能吸收层的浆料作为说明内容，例如铜铟镓硒(简称CIGS)浆料或铜铟镓硒(硫)(CIGSS)浆料，但不以上述为限。
请参考图1所示，是本发明太阳能吸收层浆料的制造方法的流程图。首先，在步骤S101中，是将含IB族、IIIA族及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末及IIIA族元素粉末加以混合以形成原始含IB族、IIIA族及VIA族元素的一混合粉末。在本具体实施例中，本发明可选择IB族中的铜元素、IIIA族中的纯铟元素、纯镓元素、或混合铟元素与镓元素的材料、VIA族中的纯硒元素、纯硫元素或混合硒元素与硫元素的材料，以形成上述混合粉末，例如可选择含铜-硒(IB-VIA)或铜-铟/镓(IB-IIIA)的二元化合物粉末和IIIA族中的纯铟元素、纯镓元素混合铟元素与镓元素的粉末混合成原始的混合粉末，但不以上述为限；且在本步骤的初始混合步骤中，该混合粉末的IB族、IIIA族及VIA族元素具有第一组成比例，例如IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶2.0，换言之，在原始的混合粉末中，VIA族元素与IB族元素的摩尔比为2。
接着，步骤S103是在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，上述额外添加的VIA族元素粉末除了具有补充原始的混合粉末中VIA族元素含量的功效外，更可取代传统使用的界面活性剂或接着剂等，故使本发明的浆料不需额外添加传统的界面活性剂或接着剂。同于步骤S101所添加的元素粉末组成，在本步骤中所添加的VIA族元素粉末可为纯硒元素粉末、纯硫元素粉末或混合硒元素与硫元素的粉末，但不以上述为限。在本混合步骤之后，可形成一最后混合粉末，且该最后混合粉末中的IB族、IIIA族及VIA族元素具有一第二组成比例，例如IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶X，其中，X介于2.0至4.0之间；换言之，在原始的混合粉末中，VIA族元素与IB族元素的摩尔比大于2，因此，藉由额外添加VIA族元素粉末，以使该最后混合粉末中的VIA族元素所占的比例大于该混合粉末中的VIA族元素所占的比例，而上述超量添加的VIA族元素即可取代传统界面活性剂或接着剂的功能。
根据本发明所进行的实验，额外添加的VIA族元素的比例需加以控制，比例过低，无法达成接着效果；而添加比例过高，则会导致所制作的铜铟镓硒(硫)吸收层对于电池中的下电极(钼层)的接着力降低。
S105则为一加热步骤，以加热该最后混合粉末，使该最后混合粉末的温度高于IIIA族及VIA族元素的熔点以上，而利用上述熔融的IIIA族及VIA族元素作为固体粉末(例如其他未熔融的化合物)的分散介质，以取代传统的溶剂的效果，故在不需添加溶剂的条件下，本案的浆料在涂布后不会产生孔洞，更可提高成膜的致密性，以提升太阳能电池的效率。
而在本具体实施例中，根据所添加的IIIA族元素及VIA族元素的熔点，例如铟的熔点为156.6℃、镓的熔点为29.8℃，而硒的熔点为217℃、硫的熔点为115.2℃，因此，S105的步骤是将最后混合粉末升温在220℃以上，使元素态的粉末得以熔融，以用作取代一般溶剂的功效；且为了避免能源的浪费，本加热步骤的温度上限界定于300℃，换言之，在加热该最后混合粉末的步骤中，最佳地使该最后混合粉末的温度介于220℃至300℃之间。
另一方面，在此加热步骤中，更持续地搅拌上述混合粉末，例如搅拌时间不少于0.5小时，以利所添加的粉末可均匀的分散于熔融态的介质中。
本发明更提出一种以上述的制造方法制造太阳能吸收层浆料及其太阳能吸收层，如图2所示，太阳能电池结构包括基板10、第一导电层20、吸收层30、缓冲层40、绝缘层50以及第二导电层60，其中基板10可为玻璃板、铝板、不锈钢板或塑胶板，第一导电层20可包括金属钼，其是用以作为背面电极；吸收层30则可由上述制造方法所制作的浆料涂布、喷涂于第一导电层20上而形成含有适当比例的IB、IIIA及VIA族元素的膜层，其是用以作为p型薄膜，为主要的光吸收层；缓冲层40可包括硫化镉(CdS)，其是用以作为n型薄膜；绝缘层50包括氧化锌(ZnO)，用以提供保护；第二导电层60包含氧化锌铝(ZnO:Al)，用以连接正面电极。因此，利用上述浆料涂布、喷涂于第一导电层20上而形成含有适当比例的IB、IIIA及VIA族元素的膜层具有高致密度，故可提高太阳能电池的效率。
综上所述，本发明具有下列诸项优点：
一、本发明是提供一种太阳能吸收层的浆料的制造方法，该方法是于初始混合粉末中再额外添加过量的VIA族元素粉末，该过量的VIA族元素粉末可用以取代传统界面活性剂或接着剂，换言之，本发明不需添加界面活性剂或接着剂仍可保持吸收层与第一导电层(金属钼)的接着性，同时可解决界面活性剂或接着剂残留于吸收层中，所造成的光吸收特性不佳的问题。
二、本发明的制造方法是利用加热的方式使元素态的粉末呈现熔融，而利用上述熔融态的材料作为其他固态粉末的分散媒介，换言之，本案利用熔融态材料取代溶剂的添加，故利用本发明所制作的浆料所涂布成型的膜层具有高致密度，进而提高太阳能电池的工作效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其包括以下步骤：
混合含IB族、IIIA族及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末及IIIA族元素粉末以形成原始含IB族、IIIA族及VIA族元素的一混合粉末，且该混合粉末中的IB族、IIIA族及VIA族元素具有一第一组成比例；
在该混合粉末中添加额外的VIA族元素粉末，并进行混合，以形成一最后混合粉末，且该最后混合粉末中的IB族、IIIA族及VIA族元素具有一第二组成比例，其中该最后混合粉末中的VIA族元素所占的比例大于该混合粉末中的VIA族元素所占的比例；以及
加热该最后混合粉末，使该最后混合粉末的温度高于IIIA族及VIA族元素的熔点以上，以形成该高温太阳能吸收层的浆料。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的混合粉末中的第一组成比例是IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶2.0。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的最后混合粉末中的第二组成比例是IB族∶IIIA族∶VIA族元素的摩尔比例＝1.0∶1.0∶X，其中X介于2.0至4.0之间。
4.根据权利要求3所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中在加热该最后混合粉末的步骤中，是使该最后混合粉末的温度提高至220℃以上。
5.根据权利要求4所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中在加热该最后混合粉末的步骤中，是使该最后混合粉末的温度介于220℃至300℃之间。
6.根据权利要求3所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的IB族元素是铜元素。
7.根据权利要求3所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的IIA族元素是铟元素、镓元素、或铟元素与镓元素的组合。
8.根据权利要求3所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的VIA族元素为硒元素、硫元素或硒元素与硫元素的组合。
9.根据权利要求3所述的太阳能吸收层浆料的制造方法，其特征在于其中所述的高温太阳能吸收层的浆料是铜铟镓硒浆料或铜铟镓硒硫浆料。
10.一种应用如权利要求1所述的太阳能吸收层浆料的制造方法所制成的太阳能吸收层浆料及其太阳能吸收层。
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