CN103168365A - 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：在衬底上的透明电极层；在所述透明电极层上的图案层，所述图案层包括多个具有倾斜侧面的图案部；在所述图案层上的光吸收层；以及在所述光吸收层上的背面电极层。

Description

太阳能电池及其制造方法
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
太阳能电池将太阳能转化为电能。近年来，随着对能量需求的增长，太阳能电池得到了广泛的商业化使用。
太阳能电池根据其结构可以分为超直型（super straight type）和亚直型（substraight type）。超直型太阳能电池具有光从透明衬底入射的结构。因此，超直型太阳能电池依次包括透光衬底、透明电极层、光吸收层、背面电极层。
为了提高太阳能电池的光电转换效率，应当增大PN结表面的面积。然而，构成PN结表面的光吸收层通常设置为与衬底平行。因此，存在使光电转换效率最大化的限制。
发明内容
技术问题
本发明提供一种太阳能电池及其制造方法，在所述太阳能电池中，光吸收层的有效面积增大，以提高光电转换效率。
技术方案
在一个实施例中，一种太阳能电池包括：在衬底上的透明电极层；在所述透明电极层上的图案层，所述图案层包括多个具有倾斜侧面的图案部；在所述图案层上的光吸收层；以及在所述光吸收层上的背面电极层。
在另一个实施例中，一种太阳能电池包括：在衬底上的透明电极层；在所述透明电极层上的图案层，所述图案层包括多个具有倾斜侧面的图案部；在所述图案层上的光吸收层，所述光吸收层包括与所述图案部对应的第一图案；以及在所述光吸收层上的背面电极层，所述背面电极层包括与所述图案部对应的第二图案。
在又一个实施例中，一种太阳能电池的制造方法包括：在衬底上形成透明电极层；在所述透明电极层上形成包括多个具有倾斜侧面的图案部的图案层；在所述图案层上形成光吸收层；以及在所述光吸收层上形成背面电极层。
在附图和以下说明书中说明一个或多个实施例的细节。其它特征通过说明书和附图以及通过权利要求书变得明显。
有益效果
在根据实施例所述的太阳能电池中，在透明电极层上可以布置包括图案部的图案层，以增大布置在透明电极层上的光吸收层的有效表面积。因此，根据实施例所述的太阳能电池可以具有提高的光电转换效率。
此外，入射到透明电极层中但未被光吸收层吸收的光可以通过图案部的侧面发生漫反射，并且再次被光吸收层吸收。就是说，在根据实施例所述的太阳能电池中，由于图案部之故可以提高光的漫反射效率，从而进一步提高太阳能电池的效率。
附图说明
图1是根据一个实施例所述的太阳能电池的剖视图；
图2是根据一个实施例所述的透明电极层的平面图；
图3是剖视图，示出了根据一个实施例所述的透明电极层的主要部分；
图4是曲线图，示出了根据一个实施例所述的太阳能电池的效率；
图5至图7是剖视图，示出了一个实施例所述的透明电极层的改进例子；
图8是根据另一实施例所述的太阳能电池的剖视图；
图9至12是剖视图，示出了根据一个实施例所述的太阳能电池制造过程。
具体实施方式
在实施例的描述中，应该理解，当板、线、电池、表面、或图案被表述为在另一板、线、电池、表面或图案“之上”或“之下”时，它可以直接在另一层或衬底之上或之下，也可以存在中间层。此外，将基于附图述及在各个组件层“之上”和“之下”。此外，为了进一步理解本发明，可以夸大元件的尺寸和元件之间的相对尺寸。
图1是根据一个实施例所述的太阳能电池的剖视图。图2是根据一个实施例所述的透明电极层的平面图。图3是剖视图，示出了根据一个实施例所述的透明电极层的主要部分。
参照图1，根据一个实施例所述的太阳能电池包括衬底100、在衬底100上的透明电极层200、在透明电极层200上的图案层210、在图案层210上的缓冲层300、在缓冲层300上的光吸收层400以及在光吸收层400上的背面电极层500。此外，尽管未示出，但在透明电极层200与缓冲层300之间可以额外地设置高阻缓冲层。
衬底100可以具有平板形状以支撑透明电极层200、图案层210、缓冲层300、光吸收层400和背面电极层500。
衬底100可以是透明的。另外，衬底100可以是刚性或挠性的。
衬底100可以是电绝缘体。例如，衬底100可以是玻璃衬底、塑料衬底或金属衬底。详细地说，衬底100可以是含有钠成分的钠钙玻璃衬底。另一方面，衬底100可以由陶瓷材料（诸如氧化铝）、不锈钢或挠性聚合物形成。
透明电极层200可以由透光导电材料形成。此外，透明电极层200可以具有N型半导体的特性。这里，透明电极层200与缓冲层300一起可以形成N型半导体层。此外，透明电极层200可以附着到作为P型半导体层的光吸收层400，以形成PN结。
例如，透明电极层200可以由掺杂铝的氧化锌形成。但是本公开不限于透明电极层200的所述材料。例如，透明电极层200可以由具有高透射率和电导率的ZnO、SnO2和ITO中的一种形成。此外，透明电极层200可以具有约100nm至约500nm的厚度。
图案层210布置在透明电极层200上。图案层210可以包括多个具有倾斜侧面的图案部220。图案层210可以有效地捕获入射到衬底100中的太阳光，以提高太阳能电池的效率。稍后将参照附图详细描述具有上述结构的图案层210。
缓冲层300布置在透明电极层200上。缓冲层300可以减小光吸收层400与稍后描述的背面电极层500之间的能隙差。
缓冲层300可以包括硫化镉、ZnS、InXSY和InXSeYZn(O,OH)。缓冲层300可以具有约50nm至约150nm的厚度。此外，缓冲层300的能带间隙可以在约2.2eV至约2.4eV的范围内。
或者，在缓冲层300上可以额外地布置高阻缓冲层。高阻缓冲层可以具有高阻，以防止缓冲层300与透明电极层200电接触或者防止由于冲击而损坏。高阻缓冲层可以由未掺杂杂质的氧化锌（i-ZnO）形成。高阻缓冲层的能带隙可以在约3.1eV至约3.3eV的范围内。
光吸收层400布置在缓冲层300上。光吸收层400可以由基于I-III-VI族的化合物（如，CIGS、CIS、CGS和CdTe中的至少一种）形成。例如，光吸收层400可以由选自CdTe、CuInSe2、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In,Ga)(Se,S)2、Ag(InGa)Se2、Cu(In,Al)Se2和CuGaSe2组成的组中的至少一种形成。
背面电极层500布置在光吸收层400上。背面电极层500可以是导电层。背面电极层500可以由钼（Mo）、金（Au）、铝（Al）、铬（Cr）、钨（W）和铜（Cu）中的一种形成，但不限于此。
如图2和图3所示，图案层210布置在透明电极层200上。图案层210布置在透明电极层200的一个表面上。具体地，图案层210与透明电极层200的上表面直接接触。图案层210和透明电极层200可以彼此一体地形成，但不限于此。
图案层210包括多个具有倾斜侧面的图案部220。多个图案部220从透明电极层200向上突出。例如，图案部220可以具有华夫格（waffle），但不限于此。
如图2和图3所示，多个图案部220可以在透明电极层200上彼此间隔预定距离。就是说，多个图案部220可以规则地排列在透明电极层200上。但是本公开不限于此。例如，多个图案部220可以不规则地布置在透明电极层200上。更详细地，优选的是，多个图案部220可以规则地排列在透明电极层200上。
多个图案部220中的每个具有与衬底100平行的水平表面222和倾斜侧面224。倾斜侧面224可以相对于透明电极层200或衬底100倾斜预定角度。就是说，图案部220的侧面224可以朝外向下倾斜。
多个图案部220通过倾斜侧面224互相连接。更详细地，一个图案部220的倾斜侧面224的下部末端连接到与该图案部220相隔的另一个图案部220的倾斜侧面224的下部末端。通过上述结构，图案部220互相连接。
每个图案部220的高度h2与透明电极层200的厚度h1相对应。例如，图案部220的高度h2可以是透明电极层200的厚度h1的约0.5倍到约1.5倍，但不限于此。更详细地，图案部220的高度h2可以等于透明电极层200的厚度h1，但不限于此。此外，图案部220的长度L1可以与图案部220之间的长度L2相对应。此外，图案部220的中心之间的距离d可以在约2μm至约4μm的范围内，但不限于此。
图案部220所夹的角θ，即图案部220的侧面224所夹的角θ，可以根据透明电极层200和图案层210的厚度之和h以及图案部220的中心之间的距离d来确定。更详细地，图案部220所夹的角θ可以由以下公式1来确定。
[公式1]
θ＝a1+a2
这里，当图案部220的侧面224具有相同的高度时，a1和a2可以具有相同的角。因此，图案部220之间所夹的角θ可以通过以下公式2至4来确定。
[公式2]
θ＝a1X2
[公式3]
a 1 = tan - 1 ( d / 4 ) ( h / 2 ) = ( d ) ( 2 h )
[公式4]
θ = tan - 1 d h
因此，优选地，最终图案部之间的角θ小于通过公式4确定的角θ。
图4是曲线图，示出了一个实施例（a）和一个对比例（b）所述的太阳能电池的效率。更详细地，图4是曲线图，示出了一个实施例所述的包含图案层的太阳能电池（a）和现有技术的太阳能电池（b）的电流密度与电压之间的关系。参照图4，一个实施例所述的包含图案层210的太阳能电池（a）的效率比未设置有图案层210的现有技术的太阳能电池（b）的效率高约20%。
就是说，可以看出，根据一个实施例所述的太阳能电池（a）包括在透明电极层200上的图案层210以增大其有效面积，从而提高了效率。具体地，参照公式1至4，可以优化图案层210的结构，以增大光捕获性能，由此与现有结构相比显著提高了太阳能电池的效率。
图5至图7是剖视图，示出了根据一个实施例所述的透明电极层200的改进例子。参照图5，具有华夫格结构的多个图案部220可以布置在透明电极层200上，以形成图案层210。每个图案部220的上表面222可以与衬底100平行，而每个图案部220的侧面224可以相对于透明电极层200倾斜。此外，一个图案部的侧面可以连接到与该图案部相隔的另一个图案部的侧面。因此，多个图案部220可以具有以预定角度倾斜的侧面。这里，多个图案部220所夹的角θ可以根据透明电极层200的厚度以及图案部220的中心之间的距离来确定。此外，图案部220所夹的角θ可以通过上述方法得到。
参照图5，可以在每个图案部220的表面上额外地布置粗糙部。就是说，可以进一步将粗糙部布置在图案部220的上表面222和侧面224上，以增大有效的表面积。粗糙部可以具有各种形状。例如，粗糙部的截面可以是多边形、球形、半球形、椭圆形及其结合中的一种。此外，粗糙部可以规则或不规则地布置在图案部220的表面上。
如上所述，布置在透明电极层200上包含粗糙部的图案层210可以进一步增大太阳能电池的有效面积，从而显著提高太阳能电池的效率。
如图6所示，根据一个实施例，在透明电极层200上可以布置包括多个图案部220、该图案部220只具有以预定角度倾斜的侧面的图案层210。参照图6，每个图案部220的上部可以是三角形。此外，图案部可以具有倾斜侧面。这里，多个图案部220所夹的角θ可以根据透明电极层200的厚度以及图案部220的中心之间的距离来确定。根据上述结构，可以按照预定距离布置多个图案部220，以提高太阳能电池的效率。具体地，图案部220可以只具有倾斜侧面，以增大光的漫反射，由此进一步提高太阳能电池的效率。
参照图7，根据一个实施例所述的太阳能电池可以额外地包括台阶部226。就是说，图案层210可以布置在透明电极层200上，在该图案层210上布置具有华夫格结构的多个图案部220。图案部220的侧面可以具有台阶部226。如图7所示，台阶部226可以包括水平部。另一方面，台阶部226可以包括垂直部。尽管图7中图案部220的侧面上设置一个台阶部226，但本公开不限于此。例如，在图案部220的侧面上可以设置两个或更多台阶部。此外，尽管图7中图案部220的上部具有山的形状，但本公开不限于此。例如，图案部220的上部可以与衬底100平行。
根据上述结构，在图案部220的侧面上可以布置一个或多个台阶部226，以增大太阳能电池的有效表面积，由此提高太阳能电池的效率。
图8是根据另一实施例所述的太阳能电池的剖视图。参照图8，根据另一个实施例所述的太阳能电池包括：在衬底100上的透明电极层200；图案层210，布置在透明电极层200上并且包括多个具有倾斜侧面的图案部220；缓冲层300，布置在图案层210上并且包括与各个图案部220对应的第三图案；光吸收层400，布置在缓冲层300上并且包括与各个图案部220对应的第一图案；以及背面电极层500，布置在光吸收层400上并且包括与各个图案部220对应的第二图案。第一图案到第三图案中的每者都可以与图案部220相对应。即，第一图案到第三图案中的每者的形状都可以与图案部220的形状相同。例如，第一图案到第三图案中的每者都可以具有华夫格形状，但不限于此。
就是说，根据另一实施例所述的太阳能电池包括在透明电极层200上的图案层210。因此，布置在图案层210上的各个层就可以具有与图案层210的结构相对应的结构。
图9至12是剖视图，示出了根据一个实施例所述的太阳能电池的制造过程。下面将参照太阳能电池的以上描述来描述该制造过程。关于太阳能电池的以上描述可以应用于根据另一实施例所述的制造方法的描述中。
参照图9，当准备了衬底100时，在衬底100的一个表面上形成透明电极层200。可以通过利用AZO的溅射过程在衬底100上沉积透明电极层200。此外，透明电极层200的厚度可以沉积为约2μm至约4μm，但不限于此。
接着，参照图10，在透明电极层200上形成图案层210。可以刻蚀透明电极层200的一部分，以形成图案层210。更详细地，可以刻蚀透明电极层200上部的一部分，以形成图案层210。就是说，透明电极层200和图案层210可以彼此一体地形成。
例如，可以在透明电极层200上设置掩模，以执行曝光过程和/或湿法刻蚀过程，由此形成图案层210。这里，可以以相同的垂直和水平刻蚀率来执行湿法刻蚀过程，以形成图案层210的倾斜侧面224。就是说，倾斜侧面224可以通过湿法刻蚀过程中的倾斜刻蚀自然形成。
尽管到目前为止描述了湿法刻蚀过程作为形成图案层210的例子，但本公开不限于此。例如，可以进行本领域通常使用的各种刻蚀过程，作为形成图案层210的方法。例如，可以进行使用等离子体的物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）过程替代湿法刻蚀过程，应用到图案层210的倾斜表面224，但不限于此。
参照图11，在形成有图案层210的透明电极层200上形成缓冲层300和光吸收层400。
可以进行溅射过程或化学浴沉积（CBD）过程来沉积硫化镉，由此形成缓冲层300。
光吸收层400可以由基于I-III-VI族的化合物形成。更详细地，光吸收层400可以由Cu(In,Ga)Se2（CIGS）基化合物形成。或者，光吸收层400可以由CuInSe2（CIS）基化合物或CuGaSe2（CGS）基化合物形成。
例如，为了在缓冲层300上形成光吸收层400，可以利用Cu靶、In靶和Ga靶在缓冲层300上形成CIG基金属前体膜。之后，金属前体膜可以通过硒化过程与Se反应，形成光吸收层400。
或者，可以利用Cu、In、Ga和Se执行共蒸发过程，以形成光吸收层400。
之后，如图12所示，在光吸收层400上形成背面电极层500。这里，可以通过溅射过程以预定厚度（如，约1μm）沉积Mo，以形成背面电极层500。
当背面电极层500完全形成时，根据一个实施例所述的太阳能电池的制造过程就可以完成了。
在上述实施例中描述的特征、结构和效果并入本公开的至少一个实施例中，但不限于仅仅一个实施例。此外，本领域技术人员可以容易地将一个实施例中例示的特征、结构和效果结合并且改进为另一实施例。因此，这些结合和改进应当被认为落在本公开的范围内。
尽管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构思出许多其它的落在本公开的原理的精神和范围内的改进和实施例。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安排的组成部件和/或安排方式进行各种变型和改进。除了组成部件和/或安排方式的变型和改进之外，替换使用对本领域技术人员来说也是显而易见的。

Claims (18)

1.一种太阳能电池，包括：
在衬底上的透明电极层；
在所述透明电极层上的图案层，所述图案层包括多个具有倾斜侧面的图案部；
在所述图案层上的光吸收层；以及
在所述光吸收层上的背面电极层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述多个图案部通过所述倾斜侧面互相连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，每个所述图案部的厚度是所述透明电极层厚度的约0.5倍到约1.5倍。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述多个图案部规则排列。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，在每个所述图案部的表面上额外地布置粗糙部。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其中，所述粗糙部的截面是多边形、球形、半球形和椭圆中的一种。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，每个所述图案部的上表面包括与所述衬底平行的水平表面。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，每个所述图案部的所述侧面包括台阶部。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，每个所述侧面的倾斜角度小于由下面公式确定的角度：
θ = tan - 1 d h
其中，h表示所述透明电极层和所述图案层的厚度之和，d表示所述图案部之间的距离。
10.一种太阳能电池，包括：
在衬底上的透明电极层；
在所述透明电极层上的图案层，所述图案层包括多个具有倾斜侧面的图案部；
在所述图案层上的光吸收层，所述光吸收层包括与所述图案部对应的第一图案；以及
在所述光吸收层上的背面电极层，所述背面电极层包括与所述图案部对应的第二图案。
11.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述多个图案部通过所述倾斜侧面互相连接。
12.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，每个所述图案部的厚度是所述透明电极层厚度的约0.5倍到约1.5倍。
13.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，所述多个图案部规则排列。
14.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，在每个所述图案部的表面上额外地布置粗糙部。
15.根据权利要求14所述的太阳能电池，其中，所述粗糙部的截面是多边形、球形、半球形和椭圆中的一种。
16.根据权利要求10所述的太阳能电池，其中，每个所述侧面的倾斜角度小于由下面公式确定的角度：
θ = tan - 1 d h
其中，h表示所述透明电极层和所述图案层的厚度之和，d表示所述图案部之间的距离。
17.一种太阳能电池的制备方法，所述方法包括：
在衬底上形成透明电极层；
在所述透明电极层上形成包括多个具有倾斜侧面的图案部的图案层；
在所述图案层上形成光吸收层；以及
在所述光吸收层上形成背面电极层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过刻蚀所述透明电极层的一部分来形成所述图案层。
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