CN103875083A - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池及其制造方法。所述太阳能电池包括背电极层、在背电极层上的光吸收层、在光吸收层上的前电极层、以及在前电极层中或者在光吸收层和前电极层之间的多个光路改变颗粒。

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
一种用于太阳能发电的太阳能电池的制造方法如下。首先，准备好基板后，在基板上形成背电极层并用激光将背电极层图案化，从而形成多个背电极。
然后，在背电极上依次形成光吸收层、缓冲层和高阻缓冲层。为了形成光吸收层，广泛采用过各种方案，例如，通过同时或分别蒸发铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）和硒（Se）形成Cu(In,Ga)Se2（CIGS）基光吸收层的方案，以及形成金属前体膜之后进行硒化过程的方案。光吸收层的能带隙在大约1eV到1.8eV的范围内。
然后，通过溅射过程在光吸收层上形成包括硫化镉（CdS）的缓冲层。缓冲层的能带隙可以在约2.2eV到2.4eV的范围内。之后，通过溅射过程在缓冲层上形成包括氧化锌（ZnO）的高阻缓冲层。高阻缓冲层的能带隙在约3.1eV到约3.3eV的范围内。
然后，在光吸收层、缓冲层和高阻缓冲层中可以形成凹槽图案。
然后，透明导电材料层压在高阻缓冲层上，并填充在凹槽内。因此，在高阻缓冲层上形成透明电极层，并且在凹槽图案中形成连接线。构成透明电极层和连接线的材料可以包括掺铝氧化锌（AZO）。透明电极层的能带隙可以在约3.1eV到约3.3eV的范围内。
然后，在透明电极层中形成凹槽图案，从而可以形成多个太阳能电池。透明电极和高阻缓冲层与电池相对应。透明电极和高阻缓冲层可以以带状或矩阵形式设置。
透明电极和背电极彼此不对齐，从而透明电极通过连接线与背电极电连接。因此，太阳能电池可以彼此串联电连接。
如上所述，为了将太阳光转化成电能，已经制造和使用了各种太阳能电池装置。韩国未审查专利公布No.10-2008-0088744公开了一种太阳能电池装置。
发明内容
技术问题
本发明提供一种可以提高光电转化效率的太阳能电池及其制造方法。
技术方案
根据实施例，提供一种太阳能电池，其包括背电极层、在背电极层上的光吸收层、在光吸收层上的前电极层、以及在前电极层中或者在光吸收层和前电极层之间的多个光路改变颗粒。
根据实施例，提供一种太阳能电池的制造方法。该方法包括在基板上形成背电极层、在背电极层上形成光吸收层、在光吸收层上形成前电极层，以及在光吸收层和前电极层之间或者在前电极层中形成多个光路改变颗粒。
有益效果
如上所述，根据实施例所述的太阳能电池包含设置在前电极层中或者设置在前电极层和光吸收层之间的光路改变颗粒。
光路改变颗粒可以改变入射到光吸收层上的光的路径。特别地，光路改变颗粒可以将沿垂直方向入射到光吸收层上的光的路径改变为沿水平方向传播的光的路径。
因此，光可以入射到光吸收层上，同时由于光路改变颗粒之故呈现出较长的光学路径。因此，根据实施例所述的太阳能电池可以将光吸收层中的光的路径最大化，并可以呈现出提高的光电转化效率。
附图说明
图1是剖视图，示出了第一实施例所述的太阳能电池；
图2到图5是剖视图，示出了第一实施例所述的太阳能电池的制造方法；
图6是剖视图，示出了第二实施例所述的太阳能电池；以及
图7到图9是剖视图，示出了第二实施例所述的太阳能电池的制造方法。
具体实施方式
在实施例的描述中，应该明白，当某一基板、层、膜、或者电极被称作是在另一基板、另一层、另一膜或者另一电极“之上”或者“之下”时，它可以是“直接”或“间接”地在该另一基板、层、膜或电极之上或之下，或者也可以存在一个或更多的中间层。层的这种位置参照附图进行了描述。每个部分的尺寸并不完全反映实际的尺寸。
图1是剖视图，示出了第一实施例所述的太阳能电池。
参考图1，所述太阳能电池包括支撑基板100、背电极层200、光吸收层300、缓冲层400、高阻缓冲层500、多个光路改变颗粒700、以及前电极层600。
支撑基板100具有平板形状并且支撑背电极层200、光吸收层300、缓冲层400、高阻缓冲层500、以及前电极层600。
支撑基板100可以包括绝缘体。支撑基板100可以包括玻璃基板、塑料基板、或者金属基板。更详细地讲，支撑基板100可以包括钠钙玻璃基板。支撑基板100可以是透明的，或者可以是刚性的或可弯曲的。
背电极层200设置在支撑基板100上。背电极层200可以是导电层。背电极层200可以包括金属，例如钼（Mo）。
另外，背电极层200可以包括至少两层。这种情况下，这些层可以使用同种金属或不同种金属来形成。
光吸收层300设置在背电极层200上。光吸收层300包括Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物。例如，光吸收层300可以具有Cu(In,Ga)Se2（CIGS）晶体结构、Cu(In)Se2晶体结构、或者Cu(Ga)Se2晶体结构。
光吸收层300具有约1eV到约1.8eV范围内的能带隙。
缓冲层400设置在光吸收层300上。缓冲层400与光吸收层300直接接触。缓冲层400包括CdS并且具有约1.9eV到约2.3eV范围内的能带隙。
高阻缓冲层500设置在缓冲层400上。高阻缓冲层500可以包括iZnO，iZnO是不掺杂杂质的氧化锌。高阻缓冲层500具有约3.1eV到约3.3eV范围内的能带隙。
前电极层600设置在光吸收层300上。更详细地讲，前电极层600设置在高阻缓冲层500上。
前电极层600设置在高阻缓冲层500上。前电极层600是透明的。前电极层600可以包括例如掺Al的ZnO（AZO）、铟锌氧化物（IZO）或铟锡氧化物（ITO）等材料。
前电极层600可以具有大约500nm到大约1.5μm的厚度。另外，如果前电极层600包括AZO，那么，可以掺杂约2.5wt%到约3.5wt%含量的铝（Al）。前电极层600为导电层。
光路改变颗粒700设置在光吸收层300和前电极层600之间。详细地讲，光路改变颗粒700可以设置在缓冲层400和前电极层600之间。更详细地讲，光路改变颗粒700可以设置在高阻缓冲层500和前电极层600之间。
详细地讲，光路改变颗粒700可以设置在高阻缓冲层500的上表面。换句话说，光路改变颗粒700可以直接设置在前电极层600和前电极层600下面的层之间的界面上。
例如，如果省略缓冲层400和高阻缓冲层500，也就是，如果前电极层600和光吸收层300彼此直接接触，那么，光路改变颗粒700可以直接设置在光吸收层300和前电子层600之间的界面上。另外，如果前电子层600与缓冲层400直接接触，那么，光路改变颗粒700可以直接设置在缓冲层400和前电极层600之间的界面上。
换句话说，光路改变颗粒700可以设置在同一平面上。换句话说，光路改变颗粒700可以散布在一个平面上。俯视时，光路改变颗粒700可以覆盖光吸收层300的上表面的整个面积的约5%到约30%。
前电极层600可以覆盖光路改变颗粒700。换句话说，前电极层600可以填充在光路改变颗粒700之间。光路改变颗粒700可以直接与前电极层600接触。
光路改变颗粒700可以是导电颗粒。更详细地讲，光路改变颗粒700可以是金属颗粒。更详细地讲，光路改变颗粒700可以包括金、银、或铝。
另外，光路改变颗粒700的直径可以在约1nm到约40nm的范围内。更详细地讲，光路改变颗粒700的直径可以在约1nm到约50nm的范围内。
光路改变颗粒700可以改变入射光的路径。详细地讲，光路改变颗粒可以使入射光发生散射。更详细地讲，如果光路改变颗粒700可以包括直径约400nm的金属颗粒，那么，入射光的路径可以由表面等离子体效应而改变。入射光的路径可以因光路改变颗粒700和前电极层600之间的界面上的表面等离子体效应而容易地改变。另外，光路改变颗粒700可以改变入射光的波长。
另外，由于光路改变颗粒700是导电颗粒，因此，可以改善前电极层600的电学特性。特别地，当光路改变颗粒700设置在同一平面上时，垂直方向上的透射损失可以最小化，而水平方向上的导电性可以最大化。
另外，当光路改变颗粒700包括铝（Al）时，包含在光路改变颗粒700中的一部分铝（Al）可以分散到前电极层600上。因此，前电极层600的下部的铝浓度可以相对地增大。
如上所述，在本实施例所述的太阳能电池中，在前电极层600和光吸收层300之间设置光路改变颗粒700。光路改变颗粒700可以改变入射到光吸收层300上的光的路径。特别地，光路改变颗粒700可以将垂直于光吸收层300而入射到光吸收层300上的光的路径改变为水平路径。
因此，光可以入射到光吸收层300上，同时由于光路改变颗粒700之故呈现出较长的光学路径。因此，在本实施例所述的太阳能电池中，在光吸收层300中光的路径可以最大化，并可以呈现出提高的光电转化效率。
因此，通过采用光路改变颗粒700，本实施例所述的太阳能电池可以呈现出提高的光学性能和提高的电学性能。
图2到图5是剖视图，示出了第一实施例所述的太阳能电池的制造方法。本实施例所述的太阳能电池的制造方法将参照上述太阳能电池进行描述。上述太阳能电池的描述可以结合在本实施例所述的太阳能电池的制造方法的描述中。
参照图2，通过溅射过程将金属，诸如钼（Mo），沉积在支撑基板100上，从而形成背电极层200。可以通过工艺条件彼此不同的两个过程来形成背电极层200。
在支撑基板100和背电极层200之间可以插入附加层，例如防反射层。
参照图3，在背电极层200上形成光吸收层300。
光吸收层300可以通过溅射过程或者蒸发过程来形成。
例如，光吸收层300可以通过各种方案来形成，例如通过同时或分别蒸发Cu、In、Ga和Se形成Cu(In,Ga)Se2（CIGS）基光吸收层300的方案，以及形成金属前体膜之后进行硒化过程的方案。
至于形成金属前体层形成之后硒化过程的细节，采用Cu靶、In靶或Ga靶通过溅射过程在背接触电极200上形成金属前体层。
然后，金属前体层经历硒化过程，从而形成Cu(In,Ga)Se2（CIGS）基光吸收层300。
另外，采用Cu靶、In靶或Ga靶的溅射过程与硒化过程可以同时进行。
另外，通过只采用Cu靶和In靶或者只采用Cu靶和Ga靶的溅射过程以及硒化过程可以形成CIS或者CIG光吸收层300。
然后，在光吸收层300上形成缓冲层400和高阻缓冲层500。
缓冲层400可以通过化学浴沉积法（CBD）形成。例如，在光吸收层300形成之后，将光吸收层300浸入到含有用于形成硫化镉（CdS）的物质的溶液中，从而在光吸收层300上形成包括CdS的缓冲层400。
然后，通过溅射过程在缓冲层400上沉积氧化锌，从而形成高阻缓冲层500。
参照图4，在高阻缓冲层500上设置多个光路改变颗粒700。光路改变颗粒700直接设置在高阻缓冲层500上。
另外，当省略高阻缓冲层500时，光路改变颗粒700可以直接设置在缓冲层400上。另外，当缓冲层400和高阻缓冲层500都省略时，光路改变颗粒700可以直接设置在光吸收层300上。
通过下述方法，可以将光路改变颗粒700直接设置在高阻缓冲层500上。
首先，形成光路改变颗粒700。可以通过溶胶-凝胶方案或液相合成方案以纳米金属颗粒的形式形成光路改变颗粒700。
然后，在光路改变颗粒700均匀地分散到溶剂中后，光路改变颗粒700就可以涂布在高阻缓冲层500上。
然后，通过加热蒸发溶剂，从而只有光路改变颗粒700留在高阻缓冲层500的上表面上。溶剂蒸发后，对光路改变颗粒700进行热处理，从而可以使光路改变颗粒700固定在高阻缓冲层500的上表面上。在这种情况下，可以在约150℃到约250℃的温度下对光路改变颗粒700进行热处理。
参看图5，在高阻缓冲层500上形成前电极层600。前电极层600通过层压透明导电材料来形成，从而前电极层600覆盖高阻缓冲层500上的光路改变颗粒700。所述透明导电物质可以包括掺Al氧化锌、铟锌氧化物或铟锡氧化物。
因此，前电极层600形成在高阻缓冲层500的上表面和光路改变颗粒700之间。
然后，前电极层600和光路改变颗粒700可以经历热处理。例如，前电极层600和光路改变颗粒700可以在250℃的温度下经历热处理。
如上所述，通过光路改变颗粒700的简单涂布过程可以得到呈现出更好的电学和光学特性的太阳能电池。
图6是剖视图，示出了第二实施例所述的太阳能电池。在下文中，将参照所述太阳能电池的描述及其制造方法的描述对本实施例进行描述，而前电极层会另外加以描述。除了变型部之外，上述实施例的描述将结合在本实施例的描述中。
参照图6，光路改变颗粒700设置在前电极层600上。详细地讲，前电极层600包括设置在光吸收层300上的第一前电极层610和设置在第一前电极层610上的第二前电极层620。在此情况下，光路改变颗粒700设置在第一前电极层610和第二前电极层620之间。
光路改变颗粒700与第一前电极层610和第二前电极层620之间的界面601直接接触。换句话说，光路改变颗粒700可以与第一前电极层610的上表面601直接接触。
第一前电极层610和第二前电极层620可以包含相同的材料。因此，在第一前电极层610和第二前电极层620之间可以没有明确的界面601。在此情况下，光路改变颗粒700可以设置在前电极层600中的同一虚拟平面上。
第一前电极层600的厚度可以随着组成光路改变颗粒700的金属的不同或者随着光路改变颗粒700直径的不同而不同。例如，第一前电极层610的厚度可以占前电极层600厚度的约5%到约95%。
如上所述，光路改变颗粒700设置在前电极层600中，从而可以呈现出最佳的光学和电学特性。换句话说，光路改变颗粒700设置在距高阻缓冲层500希望的高度处，从而使入射太阳光的路径可以改变到希望的方向上。
另外，在本实施例所述的太阳能电池中，光路改变颗粒700设置在希望的高度处，并且在特定的高度处电导率可以最大化。因此，在本实施例所述的太阳能电池中，前电极层600的电学特性可以最大化。
图7到图9是剖视图，示出了第二实施例所述的太阳能电池的制造方法。在下文中，将参照上述太阳能电池及其制造方法的描述对本实施例所述的太阳能电池的制造方法进行描述。上述太阳能电池及其制造方法的描述将结合在本实施例所述的太阳能电池的制造方法的描述中。
参照图7，背电极层200、光吸收层300、缓冲层400及高阻缓冲层500设置在支撑基板100上。之后，透明导电材料沉积在高阻缓冲层500上，从而形成第一前电极层610。第一前电极层600可以包括掺Al氧化锌、铟锌氧化物或铟锡氧化物。
参照图8，光路改变颗粒700设置在第一前电极层610上。光路改变颗粒700均匀地分散到溶剂中，从而光路改变颗粒700涂布在第一前电极层610的上表面上。此后，溶剂蒸发，光路改变颗粒700留在第一前电极层610上。
参照图9，通过在第一前电极层610上沉积导电透明材料形成第二前电极层620。第二前电极层620可以包括与第一前电极层610相同的材料。因此，第一前电极层610和第二前电极层620之间的界面没有明确地形成，但可以模糊地形成。
适当地调整第一前电极层610的厚度和第二前电极层620的厚度，使得光路改变颗粒700可以设置在最佳高度处。
因此，依照本实施例制造的太阳能电池可以呈现出提高的光电转化效率。
在本说明书中每提及“一个实施例”，“某个实施例”，“示例性实施例”等时意味着，结合该实施例描述的具体特征、结构、或特性包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中不同地方出现的此类短语不一定都是指同一实施例。另外，当结合某一实施例描述具体的特征、结构、或特性时，应当认为，结合其它实施例实现该特征、结构或特性落入本领域技术人员的能力范围内。
虽然参照本发明的若干说明性实施例描述了实施例，但应该知道，本领域技术人员可以构思出很多其它的变型和实施例，这些变型和实施例落入本发明原理的精神和范围内。更具体地讲，在本发明公开、附图和所附权利要求书的范围内，可以对主题组合结构的组成部分和/或排列作出各种改变和变型。除了所述组成部分和/或排列的改变和变型之外，其它用途对于本领域技术人员而言也是显然的。

Claims (17)

1.一种太阳能电池，包括：
背电极层；
在所述背电极层上的光吸收层；
在所述光吸收层上的前电极层；以及
在所述前电极层中或者在所述光吸收层与所述前电极层之间的多个光路改变颗粒。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒用作导体。
3.如权利要求2所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒包括金属。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒包括从金（Au）、银（Ag）和铝（Al）所构成的组里选出的材料。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，每个光路改变颗粒的直径为约1nm到约50nm。
6.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒散射入射光。
7.如权利要求1所述的太阳能电池，进一步包括位于所述光吸收层和所述前电极层之间的缓冲层，其中，所述光路改变颗粒直接设置在所述缓冲层的上表面上。
8.如权利要求1所述的太阳能电池，进一步包括：
在所述光吸收层和所述前电极层之间的缓冲层；以及
在所述缓冲层和所述前电极层之间的高阻缓冲层，
其中，所述光路改变颗粒直接设置在所述高阻缓冲层和所述前电极层之间的界面上。
9.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒设置在同一平面上。
10.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述前电极层包括：
在所述光吸收层上的第一前电极层；以及
在所述第一前电极层上的第二前电极层，并且
其中，所述光路改变颗粒插入所述第一和第二前电极层之间。
11.如权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述光路改变颗粒覆盖所述光吸收层的上表面的整个面积的5%到30%。
12.一种太阳能电池的制造方法，该方法包括：
在基板上形成背电极层；
在所述背电极层上形成光吸收层；
在所述光吸收层上形成前电极层；以及
在所述光吸收层和所述前电极层之间或者在所述前电极层中形成多个光路改变颗粒。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在所述光吸收层和所述前电极层之间或者在所述前电极层中形成所述光路改变颗粒中，所述光路改变颗粒设置在所述光吸收层上，并且所述前电极层覆盖所述光路改变颗粒。
14.如权利要求12所述的方法，其中，在所述光吸收层和所述前电极层之间或者在所述前电极层中形成所述光路改变颗粒中，将所述光路改变颗粒分散在溶剂中，并且将分散有所述光路改变颗粒的所述溶剂涂布在所述光吸收层上，然后将所述溶剂去除。
15.如权利要求12所述的方法，其中，在所述光吸收层上形成所述前电极层包括：
在所述光吸收层上形成第一前电极层；
在所述第一前电极层上设置所述光路改变颗粒；以及
在所述光路改变颗粒上形成第二前电极层。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一和第二前电极层包括相同的材料。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述光路改变颗粒和所述前电极层经历热处理。
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