CN103038895B - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种太阳能电池。所述太阳能电池包括：衬底；布置在所述衬底上的后电极层；布置在所述后电极层上的光吸收层；以及布置在所述光吸收层上的窗口层，其中，所述窗口层包括多个导电粒子。所述导电粒子改进所述窗口层的光特性和电特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法。
背景技术
近来，随着能量消耗的增长，正在对将太阳能转化为电能的太阳能电池进行研发。
具体地，已广泛使用基于CIGS的太阳能电池，所述基于CIGS的太阳能电池是pn异质结设备，具有包括玻璃衬底、金属后电极层、p型基于CIGS的光吸收层、高电阻缓冲层和n型窗口层的衬底结构。
对于这种太阳能电池，正在进行研究以改进太阳能电池的电特性和光特性，诸如，低电阻、高透射率等。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供一种太阳能电池及其制造方法，所述太阳能电池包括具有改进的电特性和光特性。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种太阳能电池，包括：衬底；布置在所述衬底上的后电极层；布置在所述后电极层上的光吸收层；以及布置在所述光吸收层上的窗口层，其中，所述窗口层包括多个导电粒子。
根据本发明的另一个方面，提供一种太阳能电池，包括：衬底；布置在所述衬底上的后电极层；布置在所述后电极层上的光吸收层；以及布置在所述光吸收层上的窗口层，其中，所述窗口层包括布置在第一平面上的多个第一导电粒子。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造根据一个实施例的太阳能电池的方法，包括：在衬底上形成后电极层；在所述后电极层上形成光吸收层；以及在所述光吸收层上形成包括多个导电粒子的窗口层。
有益效果
根据实施例的太阳能电池包括含有多个导电粒子的窗口层。具体地，通过形成纳米粒子层可以将所述导电粒子包含在所述窗口层中。
因此，所述窗口层的电阻由于所述纳米粒子而减小。此外，通过由所述导电粒子产生的等离子体现象可以提高窗口层的透射率。
具体地，因为窗口层的电阻由于纳米粒子层而减小，可以形成更薄的窗口层。也就是说，尽管该窗口层形成得薄，但由于窗口层包括导电粒子，它也可以具有足够高的导电率。
因此，窗口层可以形成得更薄，并且由于它变得更薄，可以减少所需的材料的量和过程时间，并且可以确保提高的透射率。
因此，根据实施例的太阳能电池包括电特性和光特性改进的窗口层，并且具有提高的性能。
附图说明
参考下面结合附图的详细描述可以更容易理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，在附图中：
图1是示出根据一个实施例的太阳能电池的剖视图；
图2至图7是示出根据一个实施例的太阳能电池的制造方法的剖视图；
图8是示出根据另一个实施例的太阳能电池的剖视图；
图9是示出根据另一个实施例的太阳能电池的剖视图；
图10是示出根据另一个实施例的太阳能电池的剖视图；
图11是示出根据另一个实施例的太阳能电池的剖视图；
图12是图11的A部分的放大剖视图；以及
图13至图19是示出根据另一个实施例的太阳能电池的制造方法的剖视图。
具体实施方式
在实施例的描述中，当各个衬底、层、膜或电极等被表述为形成在其它衬底、层、膜或电极“上”或“下”时，术语“上”或“下”也表示一个“直接地”或“间接地（通过其它部件）”形成的含义。此外，将基于附图描述关于各个部件的“上”和“下”关系。在附图中，为了描述方便，可以夸大各部件的尺寸，但不表示实际应用该尺寸。
图1是示出根据一个实施例的太阳能电池的剖视图。
参照图1，根据一个实施例的太阳能电池包括支撑衬底100、后电极层200、光吸收层300、缓冲层400、高阻缓冲层500和窗口层600。
支撑衬底100具有板形形状并且支撑后电极层200、光吸收层300、缓冲层400、高阻缓冲层500、窗口层600。
支撑衬底100可以是绝缘体。支撑衬底100可以是玻璃衬底、塑料衬底或金属衬底。更详细地，支撑衬底100可以是钠钙玻璃衬底。支撑衬底100可以是透明的。支撑衬底100可以是刚性或挠性的。
后电极层200布置在支撑衬底100上。后电极层200是导电层。后电极层200可以使用诸如钼（Mo）的金属。
此外，后电极层200可以包括两层或更多层。在此情形中，各个层可以用与其它层相同的金属或不同的金属来形成。
光吸收层300布置在后电极层200上。光吸收层300可以包括基于I-III-VI族的化合物。例如，光吸收层300可以具有基于铜-铟-镓-硒（Cu(In,Ga)Se2，基于CIGS）的晶体结构、基于铜-铟-硒或基于铜-镓-硒的晶体结构。
光吸收层300的能带隙可以是1eV至约1.8eV。
缓冲层400布置在光吸收层300上。缓冲层400与光吸收层300直接接触。缓冲层400包括硫化镉。该缓冲层的能带隙可以是1.9eV至约2.3eV。
高阻缓冲层500布置在缓冲层400上。高阻缓冲层500包括未掺杂杂质的氧化锌（i-ZnO）。高阻缓冲层500的能带隙可以是约3.1eV至约3.3eV。
窗口层600布置在光吸收层300上。更具体地，窗口层600布置在高阻缓冲层500上。窗口层600是导电层。窗口层600包括第一透明导电层610、纳米粒子层620和第二透明导电层630。
第一透明导电层610布置在高阻缓冲层500上。第一透明导电层610是透明的。第一透明导电层610可以使用诸如掺杂Al的氧化锌（AZO）、氧化铟锌（IZO）或氧化铟锡（ITO）的金属。此外，第一透明导电层610的厚度可以是窗口层600的厚度的约20%至80%。
纳米粒子层620布置在第一透明导电层610上。纳米粒子层620包括多个导电粒子621。例如，导电粒子621是金属纳米粒子。
导电粒子621的直径可以是约5nm至20nm，并且导电粒子621可以使用诸如金（Au）或银（Ag）的材料。导电粒子621可以是球形，但不限于此。也就是说，它可以具有诸如多面体的各种形状。
此外，纳米粒子层620包括包围纳米粒子621的载体（host）622。载体622是透明和导电的。载体622可以由与第一透明导电层610相同的材料形成。更具体地，载体622可以与第一透明导电层610一体形成。此外，载体622与第二透明导电层630也可以形成为一体。
纳米粒子层620可以具有其中导电粒子621均匀地分布在载体622上的结构。纳米粒子层620的厚度可以是约25nm至70nm。此外，如果导电粒子621的密度过高，则会降低窗口层600的透射率。此外，如果导电粒子621的密度过低，则会降低纳米粒子层620的电特性和光特性。
第二透明导电层630布置在纳米粒子层620上。第二透明导电层630是透明的。第二透明导电层630可以使用诸如AZO、IZO或ITO的材料。此外，第二透明导电层630的厚度可以是窗口层600的厚度的约20%至80%。
第一透明导电层610、纳米粒子层620和第二透明导电层630可以一体形成。也就是说，窗口层600的结构为其中导电粒子621插入到AZO层中间的指定高度。
由于纳米粒子层620包括导电粒子621，因此它具有低电阻。也就是说，纳米粒子层620沿窗口层600的水平方向降低电阻。因此，窗口层600的电阻整体上降低，并且根据实施例的太阳能电池具有提高的性能。
此外，由于导电粒子621是纳米级大小，在载体622与导电粒子621之间会发生表面等离子体现象（surfaceplasmonphenomenon）。也就是说，可以沿着导电粒子621和载体622的分界面引导光入射。相应地，减少了反射并且提高了入射率。也就是说，窗口层600的整体透射率由于纳米粒子层620而得以提高。
详细地，由于窗口层600的电阻因纳米粒子层620而减小，因此可以形成更薄的窗口层600。也就是说，尽管窗口层600形成得薄，但由于窗口层600包括导电粒子621，它也可以具有足够高的导电率。
因此，窗口层600可以形成得薄，并且由于它变得更薄，可以减少所需的材料的量和过程时间，并且可以确保提高的透射率。
因此，根据实施例的太阳能电池包括电特性和光特性改进的窗口层600，并且具有提高的性能。
图2至图7是示出根据另一实施例的太阳能电池的制造过程的示意图。下面将参照先前描述的太阳能电池来描述该方法。之前关于太阳能电池的描述可以大体上合并到该制造方法的描述中。
参照图2，通过溅射过程将诸如Mo的金属沉积在支撑衬底100上，形成后电极层200。后电极层200可以通过过程条件彼此不同的两个过程来形成。
可以在支撑衬底100和后电极层200之间插置诸如扩散阻挡层的额外层。
参照图3，光吸收层300布置在后电极层200上。
光吸收层300可以通过溅射过程或蒸发方法形成。
例如，为了形成光吸收层300，广泛采用的是通过同时或单独蒸发Cu、In、Ga和Se来形成基于铜-铟-镓-硒（Cu(In,Ga)Se2，基于CIGS）的光吸收层300的方法，以及通过在形成金属前驱层之后进行硒化来形成所述光吸收层的方法。
形成金属前驱层之后的硒化具体为：通过利用Cu靶、In靶和Ga靶的溅射过程在后电极层200上形成金属前驱层。之后，通过硒化过程利用该金属前驱层形成基于铜-铟-镓-硒（Cu(In,Ga)Se2（CIGS））的光吸收层300。
与此不同，可以同时进行利用Cu靶、In靶和Ga靶的溅射过程和硒化过程。
与此不同，可以通过仅利用Cu靶和In靶或仅利用Cu靶和Ga靶的溅射过程以及硒化过程，形成基于CIS或基于CIG的光吸收层300。
参照图4，缓冲层400和高阻缓冲层500形成在光吸收层300上。
缓冲层400可以通过化学浴沉积（CBD）过程形成。例如，在光吸收层300形成之后，将光吸收层300浸入含有用于形成硫化镉的材料的溶液中，然后将包含硫化镉的缓冲层400形成在光吸收层300上。
之后，通过溅射过程等在缓冲层400上沉积ZnO，形成高阻缓冲层500。
参照图5至图7，窗口层600形成在高阻缓冲层500上。
如图5所示，为了形成窗口层600，在高阻缓冲层500上层压透明导电材料，以便形成第一透明导电层610。AZO、IZO或ITO等可以用作透明导电材料。
如图6所示，在第一透明导电层610形成为指定高度后，在第一透明导电层610上形成多个导电粒子621。在第一透明导电层610上沉积导电粒子621和沉积所述透明导电材料可以同时进行。
此时，为了沉积导电粒子621，可以将约50V至100VDC的RF功率施加到包括Ag或Au的溅射靶。通过这个RF溅射过程，直径约5nm至20nm的金属纳米粒子与透明导电材料一起被沉积。因此，纳米粒子层620形成在第一透明导电层610上。
与此不同，在形成第一透明导电层610之后，停止沉积透明导电材料。接着，包含Ag或Au的金属层形成在第一透明导电层610上。接着，该金属层通过快速热处理凝聚为多个金属纳米粒子。接着，再次沉积透明导电材料，以形成纳米粒子层620。
与此不同，在形成第一透明导电层610之后，将包含多个导电粒子621的溶液涂布在第一透明导电层610上。接着，通过蒸发等去除溶液中包含的溶剂，于是导电粒子621可以沉积在第一透明导电层610上。接着，再次沉积透明导电材料以形成纳米粒子层620。
参照图7，第二透明导电层630形成在纳米粒子层620上。第二透明导电层630可以通过与形成第一透明导电层610的方法相同的方法形成。
因此，可以提供包括电特性和光特性改进的窗口层600并且具有提高的性能的太阳能电池。
图8是示出根据另一实施例的太阳能电池的剖视图。下面将参照之前关于所述太阳能电池及其制备方法的描述来描述本实施例，并且将进一步描述窗口层。除了修改的部分，前述实施例可以大体上合并在关于本实施例的描述中。
参照图8，多个导电粒子641均匀地分布于整个窗口层600。也就是说，通过将导电粒子641整体地分布到窗口层601上而不是包含在窗口层601中，导电粒子641在窗口层601上形成一层。
此时，窗口层601的厚度可以是约500nm至1μm。
由于导电粒子641整体地分布在窗口层601上，因此通过整个窗口层601可以发生表面等离子体现象。因此，窗口层601具有提高的透射率，并且根据实施例的太阳能电池具有改进的光学性能。
图9是示出根据另一实施例的太阳能电池的剖视图。下面将参照之前关于所述太阳能电池及其制备方法的描述来描述本实施例，并且将进一步描述窗口层。除了修改的部分，前述实施例可以大体上合并在关于本实施例的描述中。
参照图9，纳米粒子层650与光吸收层300毗邻。更具体地，纳米粒子层650与所述缓冲层毗邻。更具体地，纳米粒子层650与高阻缓冲层500毗邻。
也就是说，纳米粒子层650布置在窗口层602的最下部。此时，窗口层602不包括第一透明导电层，或者包括非常薄的第一透明导电层。
也就是说，窗口层602可以包括纳米粒子层650和第二透明导电层630。纳米粒子层650可以直接接触到高阻缓冲层500。
由于纳米粒子层650与高阻缓冲层500毗邻，因此提高了窗口层602的电特性。也就是说，通过光吸收层300吸收的光形成的电子传输通过窗口层602与高阻缓冲层500相毗邻的区域。此时，纳米粒子层650包括导电粒子651，并且有效地帮助电子移动。
因此，根据实施例的太阳能电池具有改进的电特性。也就是说，根据实施例的太阳能电池通过纳米粒子层650相比光特性来说进一步增加了电特性。
图10是示出根据另一实施例的太阳能电池的剖视图。下面将参照之前关于所述太阳能电池及其制备方法的描述来描述本实施例，并且将进一步描述窗口层。除了修改的部分，前述实施例可以大体上合并在关于本实施例的描述中。
参照图10，纳米粒子层660与上表面毗邻。更具体地，纳米粒子层660布置在窗口层603的最上部。此时，窗口层603不包括第二透明导电层，或者包括非常薄的第二透明导电层。
也就是说，窗口层603可以包括第一透明导电层610和纳米粒子层660。纳米粒子层660可以直接暴露在窗口层603的上表面上。
由于纳米粒子层660与所述上表面毗邻，因此提高了窗口层603的光特性。也就是说，由于光直接入射到纳米粒子层660，因此可以有效地减少反射的光。此外，纳米粒子层660可以提高窗口层603的整体透射率。
因此，根据实施例的太阳能电池具有改进的光特性。也就是说，根据实施例的太阳能电池通过纳米粒子层660相比电特性来说进一步增加了光特性。
图11是示出根据另一实施例的太阳能电池的剖视图。图12是图11中A部分的放大剖视图。下面将参照之前关于所述太阳能电池及其制备方法的描述来描述本实施例，并且将进一步描述窗口层。除了修改的部分，前述实施例可以大体上合并在关于本实施例的描述中。
参照图11和图12，窗口层600包括设置有第一导电粒子671、第二导电粒子672和第三导电粒子673的纳米粒子层670。
第一导电粒子671不是随机地而是规则地布置在纳米粒子层670中。更具体地，第一导电粒子671布置在同一平面上。更具体地，第一导电粒子671布置在假想的第一平面674上。
第二导电粒子672布置在第一导电粒子671上。同样地，第二导电粒子672规则地布置在纳米粒子层670中。更具体地，第二导电粒子672布置在同一平面上。更具体地，第二导电粒子672布置在假想的第二平面675上。
第三导电粒子673布置在第二导电粒子672上。同样地，第三导电粒子673规则地布置在纳米粒子层670中。更具体地，第三导电粒子673布置在同一平面上。更具体地，第三导电粒子673布置在假想的第三平面676上。
第一导电粒子671、第二导电粒子672和第三导电粒子673的直径可以是约2nm至20nm。此外，第一平面674与第二平面675之间的距离可以是约20nm至60nm。此外，第二平面675与第三平面676之间的距离可以是约20nm至60nm。
此外，第一导电粒子671之间的距离可以是约5nm至50nm。第二导电粒子672之间的距离可以是约5nm至50nm。第三导电粒子673之间的距离可以是约5nm至50nm。
第一导电粒子671、第二导电粒子672和第三导电粒子673被规则地布置。因此，在根据本实施例的太阳能电池中，可以容易地将第一导电粒子671、第二导电粒子672和第三导电粒子673布置到所期望的位置。
因此，在根据本实施例的太阳能电池中，可以容易地控制第一导电粒子671、第二导电粒子672和第三导电粒子673，以具有提高的光电能量转换效率。
图13至图19是示出根据另一实施例的太阳能电池的制造方法的示意图。下面将参照之前关于太阳能电池及其制造方法的描述来描述此实施例。除了改变的部分，之前描述的实施例可以大体上合并到对此实施例的描述中。
参照图13，后电极层200、光吸收层300、缓冲层400和高阻缓冲层500顺序地形成在支撑衬底100上。之后，在高阻缓冲层500上沉积透明导电材料，形成第一透明导电层602。第一透明导电层602的厚度可以是整个窗口层600的厚度的约20%至80%。
参照图14，第一金属层671a形成在第一透明导电层602上。第一金属层671a可以使用Au或Ag等。第一金属层671a的厚度可以是约1nm至10nm。第一金属层671a可以通过溅射过程形成。
参照图15，对第一金属层671a进行热处理，包含在第一金属层671a中的金属互相凝聚。因此，第一导电粒子671形成在第一透明导电层602上。可以在约300℃至700℃下对第一金属层671a热处理约10秒至5分钟。
参照图16，第二透明导电层603形成在第一透明导电层602上，以覆盖第一导电粒子671。第二透明导电层603的厚度可以是约20nm至60nm。
参照图17，第二导电粒子672以与第一导电粒子671相同的方式形成在第二透明导电层603上。也就是说，在第二金属层形成在第二透明导电层603上之后，通过对该第二金属层进行热处理可以形成第二导电粒子672。
参照图18，第三透明导电层604形成在第二透明导电层603上，以覆盖第二导电粒子672。第三透明导电层604的厚度可以是约20nm至60nm。
接着，第三导电粒子673以与第一导电粒子671相同的方式形成在第三透明导电层604上。也就是说，在第三金属层形成在第三透明导电层604上之后，通过对该第三金属层进行热处理可以形成第三导电粒子673。
参照图19，第四透明导电层630形成在第三透明导电层604上，以覆盖第三导电粒子673。因此，形成窗口层600。
根据第一金属层671a的厚度、热处理温度和热处理时间可以控制第一导电粒子671的直径和距离。此外，根据所述第二金属层的厚度、热处理温度和热处理时间可以控制第二导电粒子672的直径和距离。根据所述第三金属层的厚度、热处理温度和热处理时间可以控制第三导电粒子673的直径和距离。
此外，根据第二透明导电层603的厚度可以控制第一导电粒子671和第二导电粒子672之间的距离。此外，根据第三透明导电层604的厚度可以控制第二导电粒子672和第三导电粒子673之间的距离。
因此，根据实施例的太阳能电池制造方法可以具有提高的光电能量转换效率。
此外，所述实施例涉及的上述具体特征、结构或效果包括在本发明的至少一个实施例中，但不限于任意一个实施例。此外，在各实施例中描述的具体特征、结构或效果可以由本发明所属领域的技术人员以与其它实施例结合或改进的方式进行实施。因此，与结合或改变有关的内容应当被理解为包含在本发明的范围内。
尽管已经描述了若干实施例，仅仅是通过示例的方式表达这些实施例，并且不意在限制本公开的范围。此外，对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明基本特性的范围内，可以进行以上未例示的修改和变型。例如，在实施例中具体表示的各部件可被修改和实施。另外，应该理解，与这些修改和应用有关的不同之处包含于权利要求书限定的本发明的保护范围内。
工业应用性
根据实施例的太阳能电池及其制造方法可以应用于光伏发电领域。
Claims (8)
1.一种太阳能电池，包括：
衬底；
布置在所述衬底上的后电极层；
布置在所述后电极层上的光吸收层；以及
布置在所述光吸收层上的窗口层，
其中，所述窗口层包括含有导电粒子的纳米粒子层，
其中，所述纳米粒子层的厚度为25nm到70nm，
其中，所述窗口层包括：插置于所述光吸收层与所述纳米粒子层之间的第一透明导电层；以及布置在所述纳米粒子层上的第二透明导电层，
其中，所述第一透明导电层的厚度为所述窗口层的厚度的20％至80％，
其中，所述第二透明导电层的厚度为所述窗口层的厚度的20％至80％。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述导电粒子是金属纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述导电粒子包含金或银。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，包括：
插置于所述光吸收层与所述窗口层之间的缓冲层；以及
插置于所述缓冲层与所述窗口层之间的高阻缓冲层，
其中，所述纳米粒子层与所述高阻缓冲层直接接触。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述纳米粒子层包括：
布置在所述光吸收层上的第一纳米粒子层；以及
布置在所述第一纳米粒子层上并且与所述第一纳米粒子层分离的第二纳米粒子层。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述导电粒子的直径为5nm至20nm。
7.一种太阳能电池，包括：
衬底；
布置在所述衬底上的后电极层；
布置在所述后电极层上的光吸收层；以及
布置在所述光吸收层上的窗口层，
其中，所述窗口层包括布置在第一平面上的多个第一导电粒子，
其中，所述窗口层包括布置在第二平面上的多个第二导电粒子，所述第二平面位于所述第一平面之上，
其中，所述窗口层包括布置在第三平面上的多个第三导电粒子，所述第三平面位于所述第二平面之上，
其中，所述第一平面与所述第二平面之间的距离为20nm到60nm，
其中，所述第二平面与所述第三平面之间的距离为20nm到60nm，
其中，所述第一导电粒子之间的距离为5nm到50nm，
其中，所述第二导电粒子之间的距离为5nm到50nm，
其中，所述第三导电粒子之间的距离为5nm到50nm，
其中，所述第一平面、所述第二平面以及所述第三平面位于所述窗口层中并且是假想的。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中，所述第一导电粒子包含金属。
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