CN103227232A - 糙化透明导电基板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种糙化透明导电基板的制造方法。该制造方法主要包括下列步骤：沉积一透明导电层于一透明基板；及被覆于该透明基板的一面，该透明导电层经雷射源雕刻花纹以糙化其表面。以此糙化透明导电基板制成的薄膜太阳能电池，能有效提升其电流与效率。

Description

糙化透明导电基板的制造方法

技术领域

本发明涉及一种糙化透明导电基板的制造方法，特别涉及一种使用雷射源雕刻一花纹结构于透明导电层上的技术，藉此，可有效增加入射光的捕捉及光的利用率。

背景技术

由于能源危机与环保意识的抬头，使太阳能电池受到大家的重视。此外，由于人们对于硅原料的制作及组件加工技术的经验累积，使硅原料成为理想的太阳能电池材料。然而，以硅晶做成的太阳能电池的转换效率，因其仅能吸收1.1电子伏特(eV)以上的太阳光能的限制、反射光造成的损失、材料对太阳光的吸收能力不足、载子在尚未被导出之前就被材料中的缺陷捕捉而失效，或是载子受到材料表面的悬浮键结捕捉产生复合等诸多因素，皆使其效率下降。因此，现在市售硅晶太阳能电池的转换效率仅约16％，即表示硅晶太阳能电池的高效率化其实还有相当大的空间。

参照美国公告专利第6,380,479号，标题为：光伏单元组件及其制作方法(Photovoltaic element and method for manufacturing methodt hereof)，其主要公开了一种太阳能电池的制造方法。其利用糙化的基板以增加入射光的使用率，藉以改善电流特性，进而把反射光的比率降到10％以下，并增加电池整体的光电转换效率。

此外，美国公告专利第7,199,395号，标题为：光伏组件及其制作方法(Photovoltaic cell and method for fabricating the same)，其主要公开了一种太阳能电池的制造方法。主要将PN接面制作于同一平面，进而使电极可制作于太阳能电池的一平面，使太阳能板的受光面不受电极的遮蔽，进而增加电池整体的光电转换效率。

上述专利的透明导电基板其糙化制作都使用湿式蚀刻的方式，不易控制蚀刻图形，如蚀刻深度为深V型，容易因电浆增强式化学气相沉积(PECVD)制程表面披覆性不佳形成缺陷，导致组件特性表现下降。此外，湿式蚀刻制程变异性大，不容易控制相同制程与蚀刻效果。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的主要目的在于提供一种糙化透明导电基板的制造方法，藉由其糙化表面增加入射光的捕捉及光的利用率。

为达上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种糙化透明导电基板的制造方法，其步骤包括：提供一透明基板；沉积一透明导电层于该透明基板的一表面；以一雷射源于该透明导电层上雕刻一花纹结构；其中该花纹结构为圆形、三角形、矩型、多边形或不规则形之一；其中该花纹结构的深度介于30至300奈米之间。

根据本发明的一特征，该透明导电层为氧化铟锡(ITO)。

根据本发明的一特征，沉积该透明导电层的方法为化学气相沉积法、热蒸镀法、溶胶凝胶法、射频(RF)磁控溅镀法或直流(DC)磁控溅镀法之一。

本发明的一种糙化透明导电基板的制造方法具有下列功效：

该制造方法所使用的雷射源的制程容易控制，可精确掌握雕刻花纹结构的宽度、间距及深度。

雷射雕刻的图型花纹结构，可达到糙化的效果，增加电浆增强式化学气相沉积(PECVD)制程表面的披覆性，且薄膜不易形成缺陷，光捕捉性强，能有效提升光电组件电性。

该制造方法所使用的雷射制程简单迅速安全，能有效将低蚀刻成本，也没有湿式蚀刻的危险。

附图说明

图1为糙化透明导电基板剖面图。

【主要组件符号说明】

1糙化透明导电基板          2雷射头      11透明导电层  12透明基板

h雷射头至透明导电层距离    W1花纹间距   W2花纹宽度    d花纹深度

具体实施方式

请参阅图1，本发明糙化透明导电基板1包括：一透明基板12；及一透明导电层11被覆于该透明基板12的一面，该透明导电层11经雷射源2雕刻花纹以糙化其表面。

该透明基板12为玻璃、树脂或可挠性透明材质。若透明基板12皆为玻璃，其所制造的薄膜太阳能电池，可应用于绿能建筑窗户。不仅可以降低室内光照，又可产生电能供建筑物使用；若以树脂或可饶性透明材料为基板，则可做为携带式太阳能电池，方便充电。

此外，热应力主要的原因来自不同材料对受热或冷却后，所进行的膨胀与缩小程度不同所致，若薄膜热膨胀系数高于基板，则冷却后薄膜承受在一张应力之下.反之，若薄膜热膨胀系数低于基板，冷却后的薄膜承受在一压应力之下。这个因彼此热膨胀系数不同所衍生的热应力，其关系式如下。

σTh＝Er″ΔT(αFilm-αsub)

其中σTh为薄膜的热应力，Er为薄膜的杨氏系数，ΔT为温差，αFilm、αsub各为薄膜和基板的热膨胀系数。由于热膨胀系数的不同，将造成基板的变形与熔融，所以以下将氧化铟锡(ITO)薄膜、玻璃基板与塑料基板(PC)作比较，了解热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion.CTE)不同的重要性。已知氧化铟锡(ITO)薄膜的CTE为7.2×10^-6cm/℃；玻璃基板的CTE为4.6×10^-6cm/℃；塑料基板(PC)的CTE为70.2×10^-6cm/℃；上述可知塑料基板的热膨胀系数与氧化铟锡(ITO)薄膜相差许多，而玻璃基板则与氧化铟锡(ITO)薄膜差不多。因此在固定的溅镀温度，塑料基板的σTh比玻璃基板的σTh大，所以薄膜在玻璃基板上几乎没有热应力的问题，但在塑料基板上影响就很大。玻璃基板几乎不会有热应力的影响而使基板弯曲或变形，但塑料基板会受到热应力(应力型式为压应力)的影响而驱使基板弯曲。

透明基板12上被覆的透明导电层11可为氧化铟锡(ITO)薄膜、掺氟氧化锡(FTO)薄膜、氧化铝锌(AZO)薄膜、氧化铟锌(IZO)薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜或氧化锗锌(GZO)薄膜，其厚度为50至350奈米。

较佳，透明导电层11为氧化铟锡(ITO)薄膜。氧化铟锡(ITO)薄膜是由氧化铟(In₂O₃)掺杂氧化锡(SnO₂)所组成，一般氧化铟锡(ITO)在In₂O₃/SnO₂＝90/10时，拥有最低的电阻比及最高的光穿透率，可见光穿透率可达到90～95％之间。

此外，氧化铟锌(IZO)为In₂O₃加入7-10％的ZnO所组成的材料，其优点在于可以低温成膜，在室温制程下得到的IZO为非晶质。

ZnO为母材所组成的导电材料，因为Zn(锌)金属较I n(铟)产量丰富而低廉，同时较无毒性且比氧化铟锡(ITO)容易蚀刻，近年来成为备受瞩目的透明导电材料。但因纯ZnO的电阻过高，当环境温度高于150℃以上，其电性的稳定度不佳，而为了得到低电阻，可掺杂微量元素如In、Al、Ga等。目前ZnO产品最大的挑战在于大面积制程下，ZnO薄膜的导电度均匀性比氧化铟锡(ITO)差且透射率低。

透明导电层11可以化学气相沉积法、热蒸镀法、溶胶凝胶法、RF磁控溅镀法或DC磁控溅镀法被覆于透明基板上。磁控溅镀法为目前和IC制造技术兼容性较高的技术，而且具有可连续生产高质量薄膜的特性，制造温度也比其他技术来的低，且适合用在大面积的各种基板上。因此目前所使用的磁控溅镀法相当普遍的薄膜制造技术。因成本较低且制程控制容易，目前量产的ITO膜大都采用直流(DC)放电方式，一般常看到的发光放电技术，有直流(DC)磁控溅镀法和射频(RF)磁控溅镀法，另外亦有直接利用离子枪作为离子源。但I TO靶材必顸非常的致密以减少放电阻抗，使用射频(RF)放电方式所形成的电浆密度较高，放电电压低，可得到比直流(DC)放电制程电阻值更低的ITO薄膜，且所制成出来的薄膜厚度较为均匀。

雷射源2可为二氧化碳雷射、固态晶体雷射或半导体雷射。二氧化碳雷射采用放电方式激发的高功率雷射，目前商品化的已达万瓦。这种雷射中的气体，以氦及氮为主，介质气体二氧化碳反而最少，原因是大量的氦和氮，才能帮助少量的二氧化碳进入群数反转。二氧化碳雷射的效率，也就是输出光功率和输入电功率的比值可达15％，较氦氖雷射高约百倍。输出的波长是10.6微米(1μm＝10^-6m)红外线。

固体雷射可用钕-钇铝石榴石晶体(Nd：YAG)雷射，掺钕(Nd)钇铝石榴石(YAG)的波长为1064nm，并具有高强度、高方向性(High oriented)、及高单色性(Mono-chromatity)等特性，故可在极短的时间内作用到材料上，瞬间形成极高的温度及瞬间回复到常温。就特点而言，Nd：YAG雷射不但具高振荡频率(Repetition rate)(50KHz)，大输出功率(规格100W)的特性外，而且非常稳定，是目前技术最成熟，应用范围最广的一种固体激光器，经由脉冲宽度的控制，可精准控制激光束与对象的接触时间，以避免对象过热，缩小热影响区，提高操作质量。

半导体雷射或称雷射二极管具有体积轻巧、效益高、消耗功率小、使用寿命长、以及容易由电流大小来调制其输出功率、调制频率可达十亿赫兹等特性。这些特性使它广泛应用于信息处理、光纤通讯、家电用品及精密测量上。而且，因制作精细、技术层次高，对于整体光电产业而言，具有举足轻重的地位，也是关键性组件。

故其雷射源2功率可由10至1000瓦，速率50至3000毫米每秒。实施时该雷射源的2口距离透明导电层11高度h为1至20厘米，随雷射源2的功率與速度不同而调整高度h。

雷射源2雕刻花纹为圆形、三角形、矩型、多边形或不规则形。可依所制造的太阳能电池尺寸、形状而改变，尽量以花纹涵盖面积最大化为原则。该花纹宽度10至1,000微米，花纹间距10至1,000微米，花纹深度30至300奈米。亦即，花纹越密集，短路电流越佳，光捕捉性也越高。

以下为本发明较佳实施例，分别说明如下：

实施例一

首先将玻璃基板放入超音波震荡机，使用酒精震荡10分钟，主要目的是将玻璃表面多余的有机及非有机物质去除，接着放入纯水震荡10分钟，以去除残留于玻璃基板表面上的酒精，再使用氮气枪将玻璃基板表面上水分吹干，将玻璃基板表面上多余的水分吹掉，最后将玻璃基板放置电浆清洗机(O2-Plasma)中，腔体抽至一定的真空值，通入电流产生电浆(Plasma)。以中功率模式清洁5分钟，用来去除氧化层或较厚的碳化层，并且可活化玻璃表面的氧化铟锡(ITO)，避免过多氧气残留，影响整个备制的过程。

用射频(RF)磁控溅镀机，将氧化铟锡透明导电薄层11沉积于玻璃基板上，选用的靶材In₂O₃和SnO₃成分比例为90/10的氧化铟锡(ITO)合金靶材，纯度为99.9％，均质制造，规格为2寸，厚度为6厘米。

射频(RF)磁控溅镀机功率60瓦，溅镀氧化铟锡(ITO)膜厚100奈米于玻璃基板上。溅镀完成后，以钳夹将氧化铟锡(ITO)玻璃放入二氧化碳雷射源2中，进行雷射雕刻花纹。

输入雷射源参数如下，速度150厘米每秒；功率10瓦；雷射雕刻精密度(VPPI)值为7；高度h为5公分。雕刻花纹以绘图软件制作成花纹宽度20微米；花纹间距20微米；花纹深度30奈米的矩型图样，放入雷射源2的操作计算机中，确定后启动，进行雕刻。

制作出的糙化透明导电基板1其透光率为94.23％，以此制造的非晶硅薄膜太阳能电池短路电流由8.88mA/cm2提升至9.87mA/cm2，效率由4.59％提升至5.19％，整体薄膜太阳能电池组件效率提升约13％。

实施例二

实施例二大致如实施例一的步骤，其主要差异系溅镀氧化铟锡(ITO)膜厚150奈米于玻璃基板上，进行雷射雕刻。制作出的糙化透明导电基板1其透光率为93.54％，制程的非晶硅薄膜太阳能电池短路电流由8.83mA/cm2提升至9.48mA/cm2，效率由4.32％提升至4.86％，整体太阳能电池组件效率提升约7％。

实施例三

实施例三大致如实施例一的步骤，其主要差异为溅镀氧化铟锡(ITO)膜厚200奈米于玻璃基板上，进行雷射雕刻。制作出的糙化透明导电基板1其透光率为92.84％，制造的非晶硅薄膜太阳能电池短路电流由8.77mA/cm2提升至9.1mA/cm2，效率由3.74％提升至4.56％，整体太阳能电池组件效率提升约3.8％。

实施例四

实施例四大致如实施例一的步骤，其主要差异为溅镀氧化铟锡(ITO)膜厚250奈米于玻璃基板上，进行雷射雕刻。制作出的糙化透明导电基板1其透光率为90.37％，制造的非晶硅薄膜太阳能电池短路电流由8.69mA/cm2提升至8.91mA/cm2，效率由3.74％提升至4.08％，整体太阳能电池组件效率提升约2％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，包括：

(a)提供一透明基板；

(b)沉积一透明导电层于该透明基板的一表面；以及

(c)以一雷射源在该透明导电层上雕刻一花纹结构；

该花纹结构选自圆形、三角形、矩型、多边形或不规则形之一；

该花纹结构的深度介于30至300奈米之间。

2.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述透明导电层选自于氧化铟锡、掺氟氧化锡、氧化铝锌、氧化铟锌、氧化锌或氧化锗锌之一。

3.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述透明导电层为氧化铟锡(ITO)。

4.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述沉积一透明导电层于该透明基板的一表面的步骤选自化学气相沉积法、热蒸镀法、溶胶凝胶法、射频磁控溅镀法或直流磁控溅镀法之一。

5.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述透明导电层厚度介于50至350奈米之间。

6.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述雷射源选自二氧化碳雷射、固态晶体雷射或半导体雷射之一。

7.根据权利要求6所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述雷射源的功率介于10至1000瓦之间。

8.根据权利要求6所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述雷射源的速率介于50至3000毫米/每秒之间。

9.根据权利要求1所述的糙化透明导电基板的制造方法，其特征在于，所述花纹结构的宽度介于10至1,000微米之间，且所雕刻花纹间距介于10至1,000微米之间。