CN103098233B - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据一个实施例，一种太阳能电池的制造方法包括以下步骤：在衬底上形成第一电极层；在所述第一电极层上形成光吸收层；在所述光吸收层上形成缓冲层；对所述缓冲层进行热处理以降低所述缓冲层中的氧含量；以及在所述缓冲层上形成第二电极层。
Description
技术领域
本公开涉及一种太阳能电池及其制造方法。
背景技术
近来，随着能源消耗增加，已经研制出太阳能电池，以将太阳能转化为电能。
太阳能电池分为硅太阳能电池、非硅太阳能电池和染料敏化太阳能电池。其中，非硅太阳能电池可以通过利用薄膜来形成，从而非硅太阳能电池能够减小材料损失并同时扩大太阳能电池的应用范围。此外，用于非硅太阳能电池中的光吸收层不容易由于光而劣化，从而可以延长非硅太阳能电池的使用寿命。
在这种太阳能电池中，提高光电转换效率是重要因素。
发明内容
技术问题
本发明提供一种能够提高光电转换效率的太阳能电池及其制造方法。
技术方案
根据实施例的太阳能电池的制造方法包括以下步骤：在衬底上形成第一电极层；在所述第一电极层上形成光吸收层；在所述光吸收层上形成缓冲层；对所述缓冲层进行退火以降低所述缓冲层中的氧含量；以及在所述缓冲层上形成第二电极层。
所述退火包括快速热退火（RTA），并且退火温度在250℃至400℃的范围内。所述退火在真空气氛或氢气氛中进行。
所述缓冲层在所述退火之后的氧含量在2%的原子百分比至5%的原子百分比的范围内。所述缓冲层在所述退火之前的氧含量为6%的原子百分比或更多。
所述缓冲层通过化学浴沉积（CBD）方法来形成。所述缓冲层包含CdS或ZnS。
根据实施例的太阳能电池包括：衬底；在所述衬底上的第一电极层；在所述第一电极层上的光吸收层；缓冲层，形成在所述光吸收层上并且氧含量在2%的原子百分比至5%的原子百分比的范围内；以及在所述缓冲层上的第二电极层。
所述缓冲层包含CdS或ZnS。
有益效果
根据本发明，通过对缓冲层进行退火可以调节缓冲层中的氧含量，从而可以防止在光吸收层的界面发生再结合，并且可以提高光电转换效率。
附图说明
图1是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的流程图；
图2至图7是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的制造步骤的剖视图；以及
图8是示出太阳能电池的相对效率随着缓冲层中的氧含量变化的曲线图。
具体实施方式
在实施例的描述中，应该理解，当层（膜）、区域、图案或结构被表述为在另一个层（膜）、另一个区域、另一个衬垫、或另一个图案“上”或“下”时，它可以“直接地”或“间接地”在所述另一个层（膜）、另一个区域、另一个衬垫、或另一个图案上，或者也可以存在一个或多个中间层。参照附图描述了所述层的这种位置关系。
为了说明和清楚的目的，可以夸大地修改所述层（膜）、所述区域、所述图案或所述结构的尺寸或厚度。所述尺寸可以不完全反映实际尺寸。
下面，将参照附图详细描述实施例。
图1是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的流程图，图2至图7是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的制造步骤的剖视图。
参照图1，根据实施例的太阳能电池的制造方法可以包括以下步骤：形成第一电极层的步骤ST10；形成光吸收层的步骤ST20；形成缓冲层的步骤ST30；执行退火过程的步骤ST40；形成高阻缓冲层的步骤ST50；以及形成第二电极层的步骤ST60。下面将参照图2至图7详细描述这些步骤。
首先，如图2所示，在步骤ST10中，制备衬底10并且在衬底10上形成第一电极层31。
衬底10具有板形形状，并且支撑形成在其上的第一电极层31。衬底10可以包括绝缘体，诸如玻璃或塑料。更详细地，衬底10可以包含钠钙玻璃。但是本实施例不限于此。例如，衬底10可以包括金属衬底。就是说，根据太阳能电池的特性，衬底10可以通过使用刚性材料或挠性材料来形成。
第一电极层31可以包含各种导电材料。例如，第一电极层31可以包含Mo、Cu、Ni、Al及其合金。第一电极层31可以通过不同的过程形成。例如，第一电极层31可以通过溅射过程沉积Mo来形成。
此外，第一电极层31可以包括至少两层。在此情形中，所述层可以利用同种金属或者不同种金属来形成。可以通过在不同的过程条件下执行两次所述过程来形成包括至少两层的第一电极层31。
根据附图，第一电极层31直接形成在衬底10上，但本实施例不限于此。例如，可以在衬底10与第一电极层31之间形成扩散阻挡层（未示出）。
接着，如图3所示，在形成光吸收层的步骤ST20中，在第一电极层31上形成光吸收层33。
光吸收层33可以包含非硅半导体材料。例如，光吸收层33可以包括I-III-IV族化合物。例如，光吸收层33可以包括Cu-In-Ga-Se（CIGS）化合物、Cu-In-Se（CIS）化合物或Cu-Ga-Se（CGS）化合物。
此外，光吸收层33可以包括II-IV族化合物或III-IV族化合物。例如，光吸收层33可以包括Cd-Te化合物或Ga-As化合物。
光吸收层33的能带隙可以在约1eV至约1.8eV的范围内。但是本实施例不限于此，光吸收层33可以具有不同的能带隙。
光吸收层33可以通过不同方法（诸如，蒸发方法或溅射方法）形成。
作为例子，下面将描述通过蒸发方法或溅射方法来形成CIGS光吸收层33的方法。
根据蒸发方法，通过同时或单独蒸发Cu、In、Ga和Se来形成CIGS光吸收层33。
根据溅射方法，在形成了金属前驱层之后，执行硒化过程以形成CIGS光吸收层33。就是说，根据溅射方法，通过利用Cu靶、In靶和Ga靶，形成包含Cu、In和Ga的金属前驱层。之后，执行硒化过程以形成CIGS光吸收层33。此外，可以同时执行溅射过程和硒化过程以形成CIGS光吸收层33。
尽管以上描述了CIGS光吸收层33的制造方法，但是根据源材料改变所述靶和所述蒸发材料，可以形成各种光吸收层33。
之后，如图4所示，在形成缓冲层的步骤ST30中，在光吸收层33上形成缓冲层35a。
设置缓冲层35a以减小与第二电极29的晶格常数和能带隙之间的差异。例如，缓冲层35a可以包含CdS或ZnS。缓冲层35a可以通过化学浴沉积（CBD）来形成。
举例而言，下面将详细描述通过CBD来形成包含CdS的缓冲层35a的方法。包含CdS的缓冲层35a可以通过以下方法形成，即，将光吸收层33浸入Cd2+与S2-过度饱和的溶液中以形成缓冲层，然后在预定时间内保持预定反应温度。例如，用于形成缓冲层的所述溶液可以包含乙酸镉或硫脲。另外，在所述溶液中还可以加入缓冲剂或氨。另外，反应温度可以在约50℃至约100℃的范围，但本实施例不限于此。
通过上述过程形成的缓冲层35a的氧含量可以为约6%的原子百分比或更多。
之后，如图5所示，进行退火步骤ST40以降低缓冲层35a中的氧含量，由此形成氧含量降低的缓冲层35（在下文中，被称为“经退火的缓冲层”）。
根据本实施例，通过快速热退火（RTA）过程对缓冲层35a进行退火，以降低缓冲层35a中的氧含量。
在此情形中，退火温度在250℃至400℃的范围内。如果退火温度超过400℃，则会发生再次沉积和产生裂纹，从而会损坏缓冲层35a。如果退火温度低于250℃，则难以通过退火过程降低氧含量。就是说，以能够适当降低缓冲层35a中的氧含量而不会导致缓冲层35a损坏的方式来确定退火温度。
另外，可以在适于降低缓冲层35a中的氧含量的气氛中进行退火步骤。例如，可以在真空气氛或氢气氛中进行退火步骤。
通过退火步骤ST40形成的缓冲层35a的氧含量可以在约2%的原子百分比至5%的原子百分比的范围内。
之后，如图6所示，在形成高阻缓冲层的步骤ST50中，在经退火的缓冲层35上形成高阻缓冲层37。
设置高阻缓冲层37以防止在形成第二电极层39时损坏缓冲层35。例如，高阻缓冲层37可以通过沉积ZnO来形成。然而，本实施例不限于此，高阻缓冲层37可以通过利用不同材料的不同方法来形成。
高阻缓冲层37不是主要元件，并且可以被省去。
之后，如图7所示，在形成第二电极的步骤ST60中，在缓冲层上（详细地，在高阻缓冲层37上）形成第二电极层39（或窗口层）。
第二电极层39是透明的，因此光可以入射到第二电极层39中。通过使用作为电极的透光导电材料可以形成第二电极。此外，第二电极层39具有N型半导体特性，因此第二电极层39可以与缓冲层35一起形成N型半导体层，并且可以与作为P型半导体层的光吸收层33一起形成PN结。
为此，例如，第二电极层39可以通过使用诸如掺杂Al的氧化锌（AZO）、掺杂氟的氧化锡（FTO）、掺杂镓的氧化锌（GZO）或掺杂硼的氧化锌（BZO）的透明导电材料形成。第二电极层39可以通过不同方法形成。
根据上述方法制造的太阳能电池可以包括衬底10、第一电极层31、光吸收层33、经退火的缓冲层35和第二电极层39。另外，高阻缓冲层37可以布置在经退火的缓冲层35与第二电极层39之间。
经退火的缓冲层35可以包含CdS或ZnS，并且氧含量可以在2%的原子百分比至5%的原子百分比的范围内。
由于经退火的缓冲层35中的氧含量等于或小于5%的原子百分比，因此可以提高太阳能电池的光电转换效率。如果经退火的缓冲层35中的氧含量超过5%的原子百分比，则经退火的缓冲层35中的氧会起电子陷阱的作用，降低光电转换效率。因此，根据实施例，经退火的缓冲层35中的氧含量保持在5%的原子百分比以内，由此提高光电转换效率。
此外，由于经退火的缓冲层35中的氧含量等于或大于2%的原子百分比，因此可以有效地防止经退火的缓冲层35与光吸收层33之间的界面发生再结合。通常，氧化物（例如，氧化钠）防止经退火的缓冲层35与光吸收层33之间的界面发生再结合。如果经退火的缓冲层35中的氧含量过低，会减少氧化物的量，因此会发生再结合。因此，根据实施例，经退火的缓冲层35中的氧含量保持为不低于2%的原子百分比，由此防止在光吸收层33的界面处发生再结合。
图8是示出太阳能电池的相对效率随着缓冲层中的氧含量变化的曲线图。参照图8，如果缓冲层35中的氧含量低于2%的原子百分比或超过5%的原子百分比，太阳能电池的相对效率小于90%。另外，如果缓冲层35中的氧含量保持在2%的原子百分比至5%的原子百分比的范围内，太阳能电池的相对效率大于90%。就是说，根据实施例，通过控制缓冲层35中的氧含量可以提高太阳能电池的效率。
本说明书中涉及的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中不同位置的这些词语的出现不必要都指代同一实施例。此外，当结合任意实施例描述特定特征、结构或特性时，应当认为结合其它实施例实现这些特征、结构或特性在本领域技术人员的能力范围内。
尽管已参照本发明的若干示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本领域技术人员可以推导出的许多其它改进和实施例都将落在本公开的原理的精神和范围内。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求的范围内可以对所讨论的组合排列的组成部件和/或排列方式进行各种变型和改进。除了对组成部件和/或排列方式进行变型和改进之外，替换使用对本领域技术人员来说也是显而易见的。
Claims (8)
1.一种太阳能电池的制造方法，所述方法包括：
在衬底上形成第一电极层；
在所述第一电极层上形成光吸收层；
在所述光吸收层上形成缓冲层；
对所述缓冲层进行退火以降低所述缓冲层中的氧含量；以及
在所述缓冲层上形成第二电极层，
其中，所述缓冲层在所述退火之前的氧含量为6％的原子百分比或更多，并且所述缓冲层在所述退火之后的氧含量在2％的原子百分比至5％的原子百分比的范围内，
其中，所述光吸收层包括非硅半导体材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火包括快速热退火(RTA)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，退火温度在250℃至400℃的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火在真空气氛或氢气氛中进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲层通过化学浴沉积(CBD)方法来形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲层包含CdS或ZnS。
7.一种太阳能电池，包括：
衬底；
在所述衬底上的第一电极层；
在所述第一电极层上的光吸收层；
退火后的缓冲层，形成在所述光吸收层上并且氧含量在2％的原子百分比至5％的原子百分比的范围内；以及
在所述缓冲层上的第二电极层，
其中，通过对氧含量为6％的原子百分比或更多的退火之前的所述缓冲层进行退火以降低所述缓冲层中的氧含量，来获得退火后的所述缓冲层，
其中，所述光吸收层包括非硅半导体材料。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中，所述缓冲层包含CdS或ZnS。
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