CN102449779A - 太阳能电池设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能电池设备。所述太阳能电池设备包括：太阳能电池；以及在所述太阳能电池上的具有多个微孔的减反射层。由于所述微孔，易于调节所述减反射层的折射率，从而所述太阳能电池设备显示优化的减反射效率。

Description

太阳能电池设备及其制造方法
技术领域
实施例涉及一种太阳能电池设备及其制造方法。
背景技术
近来，随着能量消耗的增长，已研制能够将太阳能转化为电能的太阳能电池。
具体地，已广泛应用CIGS太阳能电池，所述CIGS太阳能电池是具有包括玻璃衬底的衬底结构、金属后电极层、P型CIGS光吸收层、高电阻缓冲层以及N型窗口层的PN异质结装置。
为了提高太阳能电池的特性，已进行关于提高入射光效率方面的探索和研究。
发明内容
技术问题
实施例提供一种能够提高光效率的太阳能电池设备及其制造方法。
技术方案
根据实施例，一种太阳能电池设备，包括：太阳能电池；以及在所述太阳能电池上的具有多个微孔的减反射层。
根据实施例，一种太阳能电池设备，包括：太阳能电池；以及在所述太阳能电池上的减反射层。所述减反射层包括多个晶体柱，所述多个晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的方向上延伸。
根据实施例，一种太阳能电池设备，包括：太阳能电池；在所述太阳能电池上的第一减反射层；以及在所述第一减反射层上的第二减反射层。所述第一减反射层包括多个第一晶体柱，所述多个第一晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的第一方向上延伸，并且第二减反射层包括多个第二晶体柱，所述多个第二晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的第二方向上延伸。
根据实施例，一种太阳能电池设备的制造方法包括：在支撑衬底上形成太阳能电池；以及通过在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的方向上喷射减反射材料来形成减反射层。
有益效果
根据实施例的太阳能电池设备包括具有微孔的减反射层。因此，可以容易地调节减反射层的折射率。通过最小化从空气(例如，折射率n＝1)入射到保护衬底或上电极层的光的反射，可以提高太阳能电池设备的光效率。
具体地，由于减反射层具有源自微孔的多孔结构，因此减反射层的折射率小于密实结构的折射率。从而，减反射层可以降低在空气和保护衬底或在空气和上电极层之间的折射率的快速变化。
换言之，降低反射到太阳能电池外侧的阳光的量，并增加太阳能电池吸收的阳光的量，从而可以提高太阳能电池的效率。
此外，多个减反射层包含相同的材料，并且以彼此不同的角度生长。因此，包含相同材料的减反射层的折射率逐渐改变，从而可以表现优异的减反射效果。
附图说明
图1至图6是示出根据第一实施例的太阳能电池设备的制造方法的剖视图；
图7是示出根据第二实施例的太阳能电池设备的剖视图；
图8是示出根据第三实施例的太阳能电池设备的减反射膜的放大剖视图；
图9和图10是示出根据第四实施例的太阳能电池设备的剖视图；
图11是示出根据第五实施例的太阳能电池设备的剖视图；
图12是示出试验实例#3和试验实例#1中的透射率的曲线图；
图13至图16是示出试验实例#1、#2和#3以及对比实例#1中的TiO2层的剖视图和平面图；
图17和图18是示出试验实例#8以及对比实例#2中的MgF2层的剖视图。
具体实施方式
在实施例的描述中，应该理解，当层(或膜)、区域、图案或结构被表述为在其它衬底、其它层(或膜)、其它区域、其它衬垫或其它图案“上”或“下”时，可以“直接地”或“间接地”在所述其它衬底、层(或膜)、区域、衬垫或图案之上，或者也可以存在一个或多个中间层。参考附图描述所述层的这种位置。为了方便和清楚，可以夸大、省略或示意性地描绘附图中所示的每层的厚度和大小。此外，部件的大小不完全反映真实大小。
图1至图6是示出根据第一实施例的太阳能电池设备的剖视图。
如图1所示，后电极200形成在衬底100上。
衬底100包括玻璃或可以包括诸如氧化铝的陶瓷衬底、不锈钢衬底、钛衬底或聚合物衬底中的一个。更详细地，衬底100可以包括钠钙玻璃。此外，衬底100可以具有刚性或挠性。
后电极200可以包括金属导体。例如，后电极200可以利用钼(Mo)靶通过溅射过程形成。
使用Mo靶是因为Mo表现高导电性、与光吸收层欧姆接触并且在Se气氛下的高温稳定性。
构成后电极200的Mo薄膜必须具有如电极般的低电阻率并且必须具有相比衬底100优异的粘附特性，从而使得后电极200不会因与衬底100不同的热膨胀系数而从衬底100脱落。
此外，可以设置至少一个后电极200。当后电极200包括多个层610、620...以及600n时，构成后电极200的多个层610、620...以及600n可以包含不同材料。
之后，如图2所示，在后电极200上形成光吸收层300和缓冲层400。光吸收层300包括基于Ib-IIb-VIb的化合物。更详细地，光吸收层300包括基于铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，CIGS)的化合物。
或者，光吸收层300可以包括基于铜铟硒(CuInSe2，CIS)的化合物或基于铜镓硒(CuGaSe2，CGS)的化合物。
例如，通过利用铜靶、铟靶和镓靶在后电极200上形成CIG类金属前体(precursor)层，以便形成光吸收层300。
然后，在硒化过程中金属前体层与硒发生反应，以形成CIGS类光吸收层300。
光吸收层300将外部入射的光转化为电能。光吸收层300基于光电效应产生光电动势。
可以设置至少一层缓冲层400。例如，可以通过堆叠硫化镉(CdS)层形成至少一层缓冲层400。
此时，缓冲层400包括N型半导体层，光吸收层300包括P型半导体层。因此，光吸收层300和缓冲层400形成PN结结构。
缓冲层400可以额外包括利用ZnO靶通过溅射过程形成在CdS层上的氧化锌(ZnO)层。缓冲层400插置在光吸收层300和之后形成的上电极层500之间。
换言之，由于光吸收层300和上电极层500的晶格常数和能带隙差异大，因此具有适中的能带隙的缓冲层400插置在光吸收层300和上电极层500之间，从而可以顺利形成结。
如图3所示，上电极层500和减反射膜600形成在缓冲层400上。
上电极层500可以包括从由氧化铟(In2O3)、氧化锌(ZnO)和氧化锡(SnO2)构成的组中选择的材料。上电极层500是与光吸收层300一起形成PN结的窗口层。由于上电极层500在太阳能电池1的整个表面上用作透明电极，因此，上电极层500包括表现高光透射率和电导率的材料。
在此情形中，通过在ZnO层中掺杂铝(Al)或氧化铝可以形成具有低电阻的电极。此外，ITO(氧化铟锡)层可以额外形成在上电极层500上。
由此，太阳能电池1形成在衬底100上。换言之，太阳能电池1包括后电极200、光吸收层300、缓冲层400和上电极层500。
减反射膜600可以通过蒸发过程或溅射过程形成在太阳能电池1上。更详细地，减反射膜600可以被涂布在太阳能电池1的上表面上。更详细地，减反射膜600可以涂布在太阳能电池1的上表面上。
在此情形中，减反射膜600可以在真空状态下形成。此外，用于形成减反射膜600的原材料20通过靶或源喷射，并沉积在上电极层500上，由此形成减反射膜600。
如图4所示，原材料20的喷射方向相对于衬底100倾斜。例如，原材料20可以沿相对于衬底100倾斜的方向喷射。此外，原材料20可以在衬底100倾斜的状态下喷射到衬底100上。
例如，原材料20可以在衬底100相对于与原材料20的喷射方向垂直的平面倾斜约40°至80°角的状态下喷射到衬底100上。换言之，源10可以在相对于与上电极层500的上表面垂直的方向倾斜约40°至80°角的状态下喷射到衬底100上。
换言之，源10沿相对于太阳能电池1的上表面(即上电极层500的上表面)倾斜的方向喷射用于形成第一减反射层610的原材料20。换言之，假设竖直方向表示0°角，源10以约40°至约80°的α角将原材料20喷射到衬底100上。
因此，如图3、5和6所示，多个晶体柱601在相对于上电极层500的上表面倾斜的方向上生长。换言之，晶体柱601在相对于太阳能电池1的上表面(即上电极层500的上表面)倾斜的方向上延伸。更详细地，晶体柱601从上电极层500的上表面向上延伸。换言之，晶体柱601在相对于上电极层500倾斜的方向上延伸。
晶体柱601可以相对于上电极层500的上表面形成约10°到约50°的角β1。如上所述，当形成晶体柱601时，减反射膜600形成在上电极层500上。
多个微孔602形成在晶体柱601之间。换言之，由于晶体柱601不是密集地形成在上电极层500的上表面上，因此形成微孔602。微孔602的直径或宽度可以为晶体柱601的直径或宽度的1/20到约1/5。
微孔602可以在晶体柱601的延伸方向上延伸。微孔602的上部可以在减反射膜600的上表面上开口。
因此，减反射膜600具有多孔结构。换言之，减反射膜600可以不具有密实结构。更详细地，由于晶体柱601是倾斜的，因此减反射膜600可以具有多孔结构和稀疏结构。
参照图5和图6，将详细描述减反射膜600的形成方法。为了形成减反射膜600，当进行沉积过程时，芯30形成在上电极层500上，并且原材料20沉积在芯30附近，从而使晶体柱601生长。
在此情形中，原材料20以预定角度注入上电极层500中，并且由于产生阴影区域40的阴影效应而形成微孔602，使得减反射膜600具有多孔结构。
由于减反射膜600具有多孔结构，因此与密实结构的薄膜的折射率相比，在减反射膜600上的折射率小很多。因此，由于减反射膜600，太阳能电池1可以表现出较低的反射率和提高的透射率。换言之，减反射膜600可以提高增透效率。
例如，减反射膜600可以具有约1.18至约1.32的折射率。更详细地，减反射膜600可以具有约1.18至约1.29的折射率。更详细地，减反射膜600可以具有约1.18至约1.26的折射率。
减反射膜600是透明的。减反射膜600可以包括诸如氟化镁(例如MgF2)的氟化物和诸如氧化铟锡(ITO)、氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)或氧化钛(例如TiO2)的氧化物。
减反射膜600的折射率根据原材料20的喷射角度而改变。换言之，根据第一实施例的太阳能电池设备的制造方法，减反射膜600可以具有所需的折射率。换言之，原材料20以所需角度沉积在上电极层500的上表面上，从而使减反射膜600可以具有优化的折射率，以尽可能多地增加入射到太阳能电池1中的光的量。
因此，减反射膜600可以降低空气层和上电极层500之间的突变。相应地，可以降低上电极层500的上表面所反射的阳光量。
图7是示出根据第二实施例的太阳能电池设备的剖视图。在关于本实施例的以下描述中，除了关于减反射膜的额外描述，将不会进一步描述与前述实施例相同的结构和组件。除了一些部件，根据第二实施例的太阳能电池设备可以与根据前述实施例的太阳能电池设备基本相同。
参照图7，减反射膜600可以包括多个层610、620...以及600n。在此情形中，晶体柱可以在不同层610、620...以及600n沿不同方向延伸。例如，晶体柱601和太阳能电池1的上表面之间的角β2和β3可以根据多个层610、620...以及600n而改变。因此，多个层610、620...以及600n可以具有彼此不同的折射率。
在此情形中，可以通过将原材料以彼此不同的角度喷射在上电极层500上来进行形成多个层610、620...以及600n的过程。例如，原材料可以以第一角度喷射，以形成第一层。原材料可以以第二角度喷射，以形成第二层。原材料可以以第三角度喷射，以形成第三层。
例如，减反射膜600可以包括第一减反射层610和第二减反射层620。
第一减反射层610形成在太阳能电池1上。更详细地，第一减反射层610形成在太阳能电池1的上表面上。更详细地，第一减反射层610涂布在太阳能电池1的上表面上。
第一减反射层610包括第一晶体柱611。第一晶体柱611沿第一方向延伸。在此情形中，第一晶体柱611和上电极层500的上表面之间的角β2可以在约10°到约50°的范围内。
第二减反射层620形成在第一减反射层610上。更详细地，第二减反射层620形成在第一减反射层610的上表面上。第二减反射层620涂布在第一减反射层610的上表面上。
第二减反射层620包括多个第二晶体柱621。第二晶体柱621沿与第一方向不同的第二方向延伸。在此情形中，第二晶体柱621和上电极层500之间的角β3可以在约10°到约50°的范围内。
在此情形中，第一晶体柱611和上电极层500的上表面之间的角β2可以与第二晶体柱621和上电极层500的上表面之间的角β3不同。例如，第一晶体柱611和上电极层500的上表面之间的角β2可以大于第二晶体柱621和上电极层500的上表面之间的角β3。
此外，包括在第三方向上延伸的多个第三晶体柱的第三减反射层可以形成在第二减反射层620上。此外，第四减反射层可以形成在第三减反射层上。
因此，上述减反射层610、620...以及600n可以具有彼此不同的折射率。此外，根据本实施例，太阳能电池设备包括减反射膜600，减反射膜600包括具有彼此不同的折射率的减反射层610、620...以及600n。
例如，第一减反射层610可以具有较高的折射率，第二减反射层620可以具有较低的折射率。此外，第三减反射层的折射率可以小于第二减反射层620的折射率。
此外，多个减反射层610、620...以及600n中的较高层可以具有较低的折射率。相反，多个减反射层610、620...以及600n中的较高层可以具有较高的折射率。此外，具有较高折射率的各个减反射层可以交替地与具有较低折射率的减反射层对齐。
具体地，如果多个层610、620...以及600n具有从太阳能电池1的上表面到空气层逐渐降低的折射率，就是说，如果多个层610、620...以及600n的折射率在向上方向上逐渐降低，则减反射膜的折射率在向上方向上逐渐降低。因此，减反射膜600可以有效地减小空气和上电极层500之间的折射率差异。
减反射膜600的多个减反射层610、620...以及600n可以包括相同的材料。换言之，第一减反射层610、第二减反射层620和第三减反射层可以包括相同的材料。
如上所述，多个减反射层610、620...以及600n的折射率分别被设置为所需值，从而可以实现优化的减反射效果。因此，根据本实施例的太阳能电池设备可以显示提高的生产效率。
图8是示出根据第三实施例的太阳能电池设备的减反射膜的放大剖视图。
在关于本实施例的以下描述中，除了关于减反射膜的额外描述以及改进，将不会进一步描述与前述实施例相同的结构和组件。除了一些部件，根据第三实施例的太阳能电池设备可以与根据前述实施例的太阳能电池设备基本相同。
参照图8，减反射层的晶体柱611、621和631可以形成为“之”字形图案。例如，第一减反射层的晶体柱611在相对于平面VS的一个向上方向上延伸，平面VS垂直于太阳能电池1的上表面，并且第二减反射层的晶体柱621可以在垂直平面VS的另一向上方向上延伸。此外，晶体柱631可以在所述一个向上方向上延伸。
例如，第一晶体柱611可以在基于垂直平面VS的右上方向RD上延伸，并且第二晶体柱621可以在相对于垂直平面VS的左上方向LD上延伸。类似地，第三减反射层的第三晶体柱631可以在垂直平面VS的右上方向RD上延伸。
在此情形中，减反射层的晶体柱611、621和631可以相对于太阳能电池1的上表面以相同角度或不同角度倾斜。例如，第一晶体柱611和太阳能电池1的上表面之间的角度可以与第二晶体柱621和太阳能电池1的上表面之间的角度相同或不同。
图9和图10是示出根据第四实施例的太阳能电池设备的减反射膜的剖视图。在关于本实施例的以下描述中，除了关于外部减反射膜的额外描述，将不会进一步描述与前述实施例相同的结构和组件。除了一些部件，根据第四实施例的太阳能电池设备可以与根据前述实施例的太阳能电池设备基本相同。
参照图9，透明树脂700和保护衬底800形成在减反射膜600上。
透明树脂700可以利用乙烯乙酸乙烯共聚物(EVA，ethylene vinyl acetatecopolymer)通过热处理形成，并且保护衬底800可以包括半钢化玻璃(halfstrengthened glass)。
在下文中，如图10所示，外部减反射膜900形成在保护衬底800上。更详细地，外部减反射膜900形成在保护衬底800的上表面上。更详细地，外部减反射膜900可以涂布在保护衬底800的上表面上。
与根据前述实施例的减反射膜600的形成方法类似，外部减反射膜900可以通过蒸发过程或溅射过程形成。
类似地，外部减反射膜900可以具有与根据前述实施例的减反射膜600相同的结构。换言之，外部减反射膜900包括多个晶体柱901，所述晶体柱901沿相对于保护衬底800的上表面倾斜的方向延伸。晶体柱901从保护衬底800的上表面向上延伸。
例如，晶体柱901和保护衬底800的上表面之间的角β4可以在约10°到约50°的范围内。
由于外部减反射膜900，可以降低从保护衬底800的上表面反射的阳光量，并且可以提高透射率。换言之，可以通过外部减反射膜900提高减反射效率。
此外，外部减反射膜900可以形成在保护衬底800的下表面上和保护衬底800的上表面上。
图11是示出根据第五实施例的太阳能电池设备的剖视图。在关于本实施例的以下描述中，除了关于外部减反射膜的额外描述，将不会进一步描述与前述实施例相同的结构和组件。除了一些部件，根据第五实施例的太阳能电池设备可以与根据前述实施例的太阳能电池设备基本相同。
参照图11，外部减反射膜900可以包括多个层910、920...以及900n。此外，外部减反射膜900可以通过与形成根据前述实施例的具有多层结构的减反射膜类似的过程形成并且具有与所述具有多层结构的减反射膜类似的结构。
由于外部减反射膜900，可以降低从保护衬底800的上表面反射的阳光量，并且可以提高透射率。换言之，可以通过外部减反射膜900提高减反射效率。
具体地，外部减反射膜900的多个层910、920...以及900n可以具有所需的折射率。因此，外部减反射膜900可以有效地减小空气层和保护衬底800之间的折射率差。
因此，根据本实施例的太阳能电池设备可以显示提高的生产效率。
尽管已描述了本发明的示例性实施例，但是应该理解，本发明不限于这些示例性实施例，并且在下文中所主张的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员可以进行各种变型和改进。
试验实例#1、#2#和#3以及对比实例#1
进行溅射过程以在玻璃衬底上沿倾斜方向和竖直方向上沉积TiO2。在试验实例#1、#2#和#3以及对比实例#1中，玻璃衬底相对于与垂直TiO2溅射方向垂直的平面倾斜约45°、约60°、约80°或0°的角度。图12示出试验实例#3和对比实例#1中的透射率。此外，图13至图16示出在试验实例#1、#2#和#3以及对比实例#1中TiO2层的剖视图和平面图。
试验实例#4、#5#、#6、#7和#8以及对比实例#2
进行溅射过程以在玻璃衬底上沿倾斜方向和竖直方向沉积预定厚度的MgF2。在试验实例#4、#5#、#6、#7和#8以及对比实例#2中，玻璃衬底相对于与垂直MgF2溅射方向垂直的平面的倾角α和根据倾角α的MgF2层的折射率在表1中示出。图17和图18示出根据试验实例#8和对比实例#2的MgF2层的剖面形状。如表1所示，MgF2层的折射率可以根据倾角设置为不同值。
  玻璃衬底的倾角   MgF2层的折射率
  试验实例#4   20   1.373
  试验实例#5   40   1.363
  试验实例#6   60   1.327
  试验实例#7   70   1.266
  试验实例#8   80   1.191
  对比实例#2   0   1.376
工业应用性
本发明可应用于太阳能电池设备。

Claims (19)

1.一种太阳能电池设备，包括：
太阳能电池；以及
在所述太阳能电池上的具有多个微孔的减反射层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池设备，其中，所述减反射层具有在约1.18至约1.29范围内的折射率。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池设备，其中，所述减反射层包括多个晶体柱，所述多个晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的方向上延伸，并且所述微孔位于晶体柱之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池设备，进一步包括位于所述减反射层和所述太阳能电池之间的透明的保护衬底，其中，所述减反射层涂布在所述保护衬底的上表面上。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池设备，其中，所述太阳能电池包括：
后电极；
光吸收层，位于所述后电极上；以及
上电极层，位于所述光吸收层上，其中所述减反射层涂布在所述上电极层上。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池设备，其中，每个微孔的宽度在每个晶体柱的宽度的约1/20到约1/5的范围内。
7.一种太阳能电池设备，包括：
太阳能电池；以及
在所述太阳能电池上的减反射层，
其中，所述减反射层包括多个晶体柱，所述多个晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的方向上延伸。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池设备，其中，所述晶体柱相对于所述太阳能电池的上表面倾斜约10°到约50°的角度。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池设备，其中，所述减反射层包括氧化钛或氟化镁。
10.根据权利要求7所述的太阳能电池设备，其中，所述太阳能电池包括：
后电极层；
光吸收层，位于所述后电极层上；以及
上电极层，位于所述光吸收层上，其中所述晶体柱从所述上电极层的上表面延伸。
11.根据权利要求7所述的太阳能电池设备，进一步包括位于所述减反射层和所述太阳能电池之间的透明的保护衬底，其中，所述晶体柱从所述保护衬底的上表面延伸。
12.一种太阳能电池设备，包括：
太阳能电池；
在所述太阳能电池上的第一减反射层；以及
在所述第一减反射层上的第二减反射层，
其中，所述第一减反射层包括多个第一晶体柱，所述多个第一晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的第一方向上延伸，并且所述第二减反射层包括多个第二晶体柱，所述多个第二晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的第二方向上延伸。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池设备，其中，所述第一减反射层和所述第二减反射层包括彼此相同的材料并且具有彼此不同的折射率。
14.根据权利要求12所述的太阳能电池设备，其中，所述第二晶体柱和所述太阳能电池的上表面之间的第二角度小于所述第一晶体柱和所述太阳能电池的上表面之间第一角度。
15.根据权利要求14所述的太阳能电池设备，进一步包括在所述第二减反射层上的第三减反射层，其中，所述第三减反射层包括多个第三晶体柱，所述多个第三晶体柱沿相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的第三方向延伸，并且，所述第三晶体柱和所述太阳能电池的上表面之间的角度小于所述第二晶体柱和所述太阳能电池的上表面之间的所述第二角度。
16.根据权利要求12所述的太阳能电池设备，其中，所述第一方向相对于与所述太阳能电池的上表面垂直的平面在一个方向上倾斜，并且所述第二方向在该垂直平面的相反方向上倾斜。
17.根据权利要求16所述的太阳能电池设备，进一步包括在所述第二减反射层上的第三减反射层，
其中，所述第三减反射层包括多个第三晶体柱，所述多个第三晶体柱在相对于所述太阳能电池的上表面的第三方向上倾斜，并且所述第三方向在相对于所述垂直平面的不同于所述第二方向的一个方向上倾斜。
18.一种太阳能电池设备的制造方法，所述方法包括：
在支撑衬底上形成太阳能电池；以及
通过在相对于所述太阳能电池的上表面倾斜的方向上喷射减反射材料来形成减反射层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述减反射材料以相对于所述太阳能电池的上表面的法线成约70°至约80°的角度喷射。
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