CN102468367B - 光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体 - Google Patents

光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体 Download PDF

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Abstract

一种光吸收层的制造方法，包括以下之步骤：湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，调控前驱物的能隙系大于底层前驱物的能隙。调控前驱物系为I-III-VI族化合物，且I-III-VI族化合物的组成范围系为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1。接着，进行热处理，使得底层前驱物及调控前驱物形成光吸收层。

Description

光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体
【技术领域】
本发明是有关于一种光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体，且特别是有关于一种以两层前驱物所制成的光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体。
【背景技术】
太阳能电池系透过转换太阳光的方式来提供电能。一般来说，太阳能电池的光吸收层的制程乃为主要的技术核心之一。光吸收层的化学组成及组成分布往往左右着能隙(band gap)的大小，使得太阳能电池的光电转换效率更进而受到影响。
早期多以例如是共蒸镀(Co-evaporation)、有机金属化学气相沉积(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或溅渡(sputtering)之真空制程配合高温锻烧来形成光吸收层。然而，真空制程及高温锻烧的制造成本高且制程复杂。
此外，在完成锻烧之后，能隙小的元素往往分布在光吸收层的表层，且能隙大的元素往往分布在光吸收层的底层，使得光吸收层出现底层与表层的组成分布不一的情况。如此一来，具有此光吸收层的太阳能电池的开路电压(Voc)可能低于0.4V。也就是说，此太阳能电池的光电转换效率低。因此，如何提供一种制造光吸收层的方法，以有效地节省成本及提高太阳能电池的光电转换效率，乃为相关业者努力之课题之一。
【发明内容】
本发明主要提供一种光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体，其以湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，且进行热处理，以形成光吸收层。如此一来，根据本发明所形成的光吸收层的组成可均匀地分布，以提高应用光吸收层的太阳能电池结构体的光电转换效率。
根据本发明，提出一种光吸收层的制造方法，包括以下之步骤。湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上。调控前驱物的能隙大于底层前驱物的能隙。调控前驱物系为I-III-VI族化合物，且I-III-VI族化合物的组成范围为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1。接着，进行热处理，使得底层前驱物及调控前驱物系形成光吸收层。
根据本发明，再提出一种太阳能电池结构体，包括基板、金属层、光吸收层、缓冲层、视窗层、导电层及多根导线。金属层配置于基板上。光吸收层配置于金属层上。光吸收层系以下述之步骤制成，包括：湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，调控前驱物的能隙大于底层前驱物的能隙，调控前驱物系为I-III-VI族化合物，且I-III-VI族化合物的组成范围为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1；以及进行热处理，使得底层前驱物及调控前驱物系形成光吸收层。缓冲层配置于光吸收层上。视窗层配置于缓冲层上。导电层配置于视窗层上。导线配置于导电层上。
为让本发明之上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1绘示根据本发明一较佳实施例的太阳能电池结构体的示意图。
图2绘示根据本发明一较佳实施例的光吸收层的制造方法的流程图。
图3绘示未涂布CuGaSe2而形成的光吸收层与涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层的XRD图。
【主要元件符号说明】
100：太阳能电池结构体
110：基板
120：金属层
130：光吸收层
140：缓冲层
150：视窗层
160：导电层
170：导线
S201～S203：流程步骤
【实施方式】
以下系举出实施例，配合图式详细说明本发明的光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体。然而，本领域技术人员当可明了，此些图式与文字仅为说明之用，并不会对本发明欲保护范围造成限缩。
请参照图1，其绘示根据本发明一较佳实施例的太阳能电池结构体的示意图。太阳能电池结构体100包括基板110、金属层120、光吸收层130、缓冲层140、视窗层150、导电层160及多根导线170。各层之配置方式说明如下。金属层120配置于基板110上。光吸收层130配置于金属层120上。缓冲层140配置于光吸收层130上。视窗层150配置于缓冲层140上。导电层160配置于视窗层150上。导线170配置于导电层160上。
请参照图2，其绘示根据本发明一较佳实施例的光吸收层的制造方法的流程图。本实施例的光吸收层130例如是以图2中的制造方法所制成。
于步骤S201中，湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上。步骤S201可例如是以刮刀、喷雾或印刷的方式将为纳米浆料的调控前驱物涂布在底层前驱物上。于本实施例中，底层前驱物可例如是I-III-VI族硒化物，且I-III-VI族硒化物指I-III-VI族含硒的化合物。或者，底层前驱物可例如是含铜、铟、铝或镓的金属、合金、氧化物、氢氧化物、硫化物或硒化物。另外，调控前驱物为I-III-VI族化合物，且I-III-VI族化合物的组成范围为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1。此处的I-III-VI族化合物泛指1B、3A及6A族的化合物。1B族的化合物可例如是包括铜(Cu)、金(Au)或银(Ag)的化合物，3A族的化合物可例如是包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)或铊(Tl)的化合物，且6A族的化合物可例如是包括氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)或钋(Po)的化合物。另外，调控前驱物的厚度例如是1～3000纳米(nm)，且粒径例如是大于或等于1纳米。较佳地，本实施例之调控前驱物为含硫、硒或同时含硫与硒的化合物，且调控前驱物之能隙大于底层前驱物之能隙。
接着，于步骤S203中，进行热处理，使得底层前驱物及调控前驱物烧结长晶而形成光吸收层130。此处的热处理可例如是以300～700℃的温度进行锻烧或硒化，或添加其他之气氛。
如此一来，经过上述之步骤所形成的光吸收层130的组成系均匀地分布，使得光吸收层130的能隙大小可有效地调控。进一步来说，光吸收层130的表层具有高Ga/In比值，使得光吸收层130的晶面[112]/[103]的最大衍射峰所对应的衍射角度往高角度偏移而大于26.7°。如此一来，具有光吸收层130的太阳能电池结构体100的开路电压可大于0.4V。
此处更进一步以底层前驱物为Cu(In0.7Ga0.3)Se2，且调控前驱物为CuGaSe2(也就是I-III-VI族化合物Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2中之a＝1，b＝1，c＝0，且d＝0)为例子来说明本实施例之光吸收层的制造方法。
首先，在基板上溅镀例如是钼的金属层。
然后，在金属层上，藉由刮刀涂布的方式将固含量约为10％的Cu(In0.7Ga0.3)Se2的纳米浆料备制成厚度约2.5微米(μm)的Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜。
接着，在前述Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜上，使用固含量为4％的CuGaSe2的纳米浆料，经刮刀涂布成厚度约150nm的CuGaSe2的干膜。
然后，以550℃的温度于无氧并含硒蒸气的气氛下进行锻烧20分钟，使得Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜及CuGaSe2的干膜形成光吸收层。
此处藉由X光衍射分析仪(X-ray Diffractometer，XRD)分析与比较未涂布CuGaSe2(调控前驱物)而形成的光吸收层与涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层的特性。请参照图3，其绘示未涂布CuGaSe2而形成的光吸收层与涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层的XRD图。于图3中，未涂布CuGaSe2而形成的光吸收层的晶面[112]/[103]的最大衍射峰所对应的衍射角度约为26.85°，且涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层的晶面[112]/[103]的最大衍射峰所对应的衍射角度约为27.07°。因此，由上述的结果可得知，涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层具有较高的Ga/In比值，使得光吸收层的晶面[112]/[103]的最大衍射峰所对应的衍射角度往高角度偏移而大于26.7°。
之后，依序形成缓冲层、视窗层、导电层及导线于光吸收层上，以完成太阳能电池结构体之制作。此处的缓冲层例如是硫化镉、视窗层例如是氧化锌，导电层例如是铝氧化锌(AZO)。经过太阳能电池结构体的测量可得知，具有涂布有CuGaSe2而形成的光吸收层的太阳能电池结构体的开路电压(Voc)为0.53V。相较之下，具有未涂布CuGaSe2而形成的光吸收层的太阳能电池结构体的开路电压系为0.39V。也就是说，本实施例的太阳能电池结构体的光电转换效率藉由以两层前驱物制造光吸收层的方法来有效地提升。
另一实施例
如下进行另一实施例：
此处底层前驱物为Cu(In0.7Ga0.3)Se2，且调控前驱物为Cu(In0.5Ga0.5)Se2(也就是I-III-IV族化合物Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2中之a＝1，b＝0.5，c＝0，且d＝0)为例子来说明本实施例的光吸收层的制造方法。
首先，在基板上溅镀例如是钼的金属层。
然后，在金属层上，藉由刮刀涂布的方式将固含量约为10％之Cu(In0.7Ga0.3)Se2的纳米浆料备制成厚度约2.5微米(μm)之Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜。
接着，在前述Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜上，使用固含量为5％的Cu(In0.5Ga0.5)Se2的纳米浆料，经刮刀涂布成厚度约150nm之Cu(In0.5Ga0.5)Se2的干膜。
然后，以550℃的温度于无氧并含硒蒸气的气氛下进行锻烧20分钟，使得Cu(In0.7Ga0.3)Se2的干膜及Cu(In0.5Ga0.5)Se2的干膜形成光吸收层。
经过太阳能电池结构的测量可得知，具有涂布有Cu(In0.5Ga0.5)Se2而形成的光吸收层的太阳能电池结构的开路电压(Voc)系为0.46V。相较之下，具有未涂布Cu(In0.5Ga0.5)Se2而形成的光吸收层的太阳能电池结构的开路电压系为0.39V。
本发明上述实施例所揭露的光吸收层的制造方法及应用其的太阳能电池结构体，其以湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，且进行热处理，以形成光吸收层。如此一来，本实施例的光吸收层的组成可均匀地分布，以提高应用光吸收层的太阳能电池结构体的光电转换效率。另外，由于本实施例中调控前驱物例如是为纳米浆料的形式，因此，调控前驱物在厚度上的控制相当地容易。此外，化合物前驱物的热稳定性高于金属前驱物，使得进行热处理的步骤后所形成的光吸收层的组成较易于控制。再者，以金属氧化物作为调控前驱物所形成的光吸收层往往容易在高温处理后有金属氧化物残留的情况。相较之下，本实施例的光吸收层系可有效地避免金属氧化物残留的情况。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作各种之更动与润饰。因此，本发明之保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种光吸收层的制造方法，包括：
湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，该调控前驱物的能隙大于该底层前驱物的能隙，该调控前驱物为I-III-VI族化合物，且该I-III-VI族化合物的组成范围为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1；以及
进行热处理，使得该底层前驱物及该调控前驱物形成光吸收层，
其中所述底层前驱物为I-III-VI族硒化物，所述热处理是在无氧并含硒蒸气的气氛下进行煅烧。
2.如权利要求1所述的光吸收层的制造方法，其中该调控前驱物的厚度为1～3000纳米(nm)。
3.如权利要求1所述的光吸收层的制造方法，其中该调控前驱物的粒径大于或等于1纳米。
4.如权利要求1所述的光吸收层的制造方法，其中进行热处理的该步骤的温度为300～700℃。
5.一种太阳能电池结构体，包括：
基板；
金属层，配置于该基板上；
光吸收层，配置于该金属层上，该光吸收层系以下述步骤制成，包括：
湿式涂布调控前驱物于底层前驱物上，该调控前驱物的能隙大于该底层前驱物的能隙，该调控前驱物为I-III-VI族化合物，且该I-III-VI族化合物的组成范围为Cua(In1-b-cGabAlc)(Se1-dSd)2，0＜a，0≤b≤1，0≤c≤1，0＜b+c≤1，且0≤d≤1；以及
进行热处理，使得该底层前驱物及该调控前驱物形成该光吸收层；
缓冲层，配置于该光吸收层上；
视窗层，配置于该缓冲层上；
导电层，配置于该视窗层上；以及
多根导线，配置于该导电层上，
其中所述底层前驱物为I-III-VI族硒化物，所述热处理是在无氧并含硒蒸气的气氛下进行煅烧。
6.如权利要求5所述的太阳能电池结构体，其中该光吸收层的晶面[112]/[103]的最大衍射峰所对应的衍射角度系大于26.7°。
7.如权利要求5所述的太阳能电池结构体，其中该调控前驱物的厚度为1～3000纳米(nm)。
8.如权利要求5所述的太阳能电池结构体，其中该调控前驱物的粒径大于或等于1纳米。
9.如权利要求5所述的太阳能电池结构体，其中进行热处理的该步骤的温度为300～700℃。
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