CN104025305A - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据实施例的太阳能电池包括：在支撑基板上的背电极层；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，在所述前电极层上的多条金属纳米线，所述金属纳米线以网格形式被布置。
Description
技术领域
实施例涉及太阳能电池及其制造方法。
背景技术
近来，因为严重的环境污染和矿物燃料的缺少，新的可再生能源的开发已经变得重要和令人感兴趣。在该新的可再生能源中，将太阳能电池关注为用于解决未来的能量问题的无污染能源，因为它很少引起环境污染，并且具有半永久性寿命，并且存在用于太阳能电池的无限资源。
太阳能电池可以被定义为用于通过使用当光入射在P-N结二极管上时产生电子的光生伏打效应来将光能转换为电能的装置。太阳能电池可以根据构成结型二极管的材料被分类为：硅太阳能电池；化合物半导体太阳能电池，其主要包括I-III-VI族化合物或III-V族化合物；染料敏化太阳能电池；以及，有机太阳能电池。
由作为基于I-III-VI族黄铜矿的化合物半导体之一的CIGS(CuInGaSe)构成的太阳能电池表现出优越的光吸收，在薄厚度下的较高的光电转换效率和优越的电光稳定性，因此将CIGS太阳能电池关注为传统的硅太阳能电池的替代品。
通常，可以通过在玻璃基板上依序形成背电极层、光吸收层、缓冲层和前电极层来制备CIGS太阳能电池。可以通过使用诸如钠钙玻璃、不锈钢和聚酰亚胺(PI)的各种材料来制备该基板。该背电极层主要包括钼(Mo)，其具有低的电阻率和与玻璃基板类似的热膨胀系数。
光吸收层是P型半导体层，并且主要包括CuInSe2或通过将In的一部分替换为Ga而获得的Cu(InxGa1-x)Se2。可以通过诸如蒸发工艺、溅射工艺、硒化工艺或电镀工艺的各种工艺来形成光吸收层。
缓冲层被布置在光吸收层和前电极层之间，以在其间形成优越的结，该光吸收层和前电极层在晶格常数和带隙能量上表现出大的差异。缓冲层主要包括通过化学浴沉积(CBD)制备的硫化镉。
前电极层是N型半导体层，并且相对于光吸收层连同缓冲层形成PN结。另外，因为前电极层作为在太阳能电池的前表面处的透明电极，所以前电极层主要包括铝掺杂的氧化锌(AZO)，该铝掺杂的氧化锌(AZO)具有优越的透光率和导电率。在韩国专利注册No.10-0999810中详细公开了CIGS太阳能电池的结构及其制造方法。
在现有技术中被用作前电极层的掺杂的氧化锌在低的电功率下厚厚地沉积，以减小电阻，不仅降低了透射率，而且增大了工艺的不稳定和原材料的成本与设备投资。而且，当太阳能电池的宽度增大时，前电极层的串联电阻Rs增大，使得导电率降低。
发明内容
技术问题
实施例提供了一种太阳能电池及其制造方法，所述太阳能电池可以容易地被制造，并且通过将多条金属纳米线以网格形式布置在前电极层上而具有改善的电子捕获能力和光电转换效率。
技术方案
根据实施例，提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池包括：在支撑基板上的背电极层；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，在所述前电极层上的多条金属纳米线，所述金属纳米线以网格形式被布置。
根据实施例的一种用于制造太阳能电池的方法包括步骤：在支撑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；并且，以网格形式在所述前电极层上形成多条金属纳米线。
有益效果
根据实施例的太阳能电池，在前电极层上布置了多条金属纳米线。该等金属纳米线具有比前电极层优越的电特性。即，较之于根据现有技术的仅包括前电极层的太阳能电池，根据实施例的太阳能电池可以捕获更多的在光吸收层中形成的电子。
以纳米大小来制造在根据实施例的太阳能电池中的金属纳米线，使得入射到太阳能电池内的光可以透过太阳能电池而不从太阳能电池被反射。而且，因为在前电极层上形成金属纳米线，所以可以减小前电极层的厚度。即，可以以更薄的厚度来制造根据实施例的太阳能电池，由此改善透光率。
因此，根据实施例的太阳能电池可以不仅改善透光率，而且增大导电率和光电转换效率。
附图说明
图1是示出根据实施例的太阳能电池的截面图；
图2和图3是示出根据实施例的太阳能电池的形状的透视图；并且
图4至图8是图示根据实施例的用于制造太阳能电池的方法的截面图。
具体实施方式
在实施例的描述中，可以明白，当基板、层、膜或电极被称为在另一个基板、另一个层、另一个膜或另一个电极“上”或“下”时，它可以“直接地”或“间接地”在该另一个基板、另一个层、另一个膜或另一个电极上，或者也可以存在一个或多个介入层。已经参考附图描述了每个组件的这样的位置。为了方便或清楚，可能夸大、省略或示意地示出在附图中所示的每个组件的厚度和大小。另外，元件的大小不完全反映实际大小。
图1是示出根据实施例的太阳能电池的截面图。参见图1，根据实施例的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、高电阻缓冲层500、前电极层600和多条金属纳米线700。
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、高电阻缓冲层500、前电极层600和多条金属纳米线700。
支撑基板100可以是透明的，以及刚性的或柔性的。
支撑基板100可以是绝缘体。例如，支撑基板100可以是玻璃基板、塑料基板或金属基板。详细而言，支撑基板100可以是钠钙玻璃基板。
另外，支撑基板100可以包括陶瓷基板(包括氧化铝)、不锈钢或具有柔性性质的聚合物。
背电极层200被设置在支撑基板100上。背电极层200是导电层。背电极层200可以包括选自由下述材料构成的组中的一种：钼(Mo)、金(Au)、铝(Al)、铬(Cr)、钨(W)和铜(Cu)。在上面的材料中，Mo具有与支撑基板100类似的热膨胀系数，因此Mo可以改善粘结性，并且防止背电极层200从支撑基板100剥落。如上所述，可以整体满足背电极层200所需的特性。
而且，背电极层200可以包括两层或两层以上的层。这些层可以分别由相同的材料或不同的材料形成。
在背电极层200上设置了光吸收层300。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CIGSS(Cu(IN,Ga)(Se,S)2)晶体结构、CISS(Cu(IN)(Se,S)2)晶体结构或CGSS(Cu(Ga)(Se,S)2)晶体结构。
在光吸收层300上设置了缓冲层400。缓冲层400可以包括CdS、ZnS、InXSY或InXSeYZn(O,OH)。缓冲层400可以具有在大约50nm至大约150nm的范围中的厚度和在大约2.2电子伏特至大约2.4电子伏特的范围中的带隙能量。
在缓冲层400上布置了高电阻缓冲层500。高电阻缓冲层500包括未掺杂杂质的i-ZnO。高电阻缓冲层500可以具有在大约3.1电子伏特至大约3.3电子伏特的范围中的带隙能量。高电阻缓冲层500可以被省略。
可以在光吸收层300上设置前电极层600。例如，前电极层600可以与在光吸收层300上形成的高电阻缓冲层500直接接触。
前电极层600可以包括透明导电材料。另外，前电极层600可以具有N型半导体的特性。在这种情况下，前电极层600连同缓冲层400形成N型半导体，以与作为P型半导体层的光吸收层300形成PN结。例如，前电极层600可以包括铝掺杂的氧化锌(AZO)。
前电极层600可以具有在大约100nm至大约500nm的范围中的厚度。可以通过在前电极层600上布置金属纳米线700来减小前电极层600的厚度。详细而言，前电极层600的厚度可以在100nm至300nm的范围中。将连同金属纳米线700一起在下面进一步描述这样的前电极层600的厚度。
在前电极层600上布置了金属纳米线700。金属纳米线700可以被布置成使得金属纳米线700可以直接地接触前电极层600。
金属纳米线700包括导电材料。金属纳米线700允许从太阳能电池设备的光吸收层300产生的电荷的迁移，使得电流可以流出太阳能电池设备。为此，金属纳米线700可以具有高的导电率和低的电阻率。
即，金属纳米线700在捕获通过太阳光在光吸收层300中形成的电子的能力上良好，使得可以最小化电流损耗。
而且，金属纳米线700可以不仅最小化电流损耗，而且减小前电极层600的厚度。即，通过使用具有优良的导电率的金属纳米线700，可以以更薄的厚度来形成前电极层600，使得可以以薄的厚度来制造太阳能电池。
可以通过使用各种金属来形成金属纳米线700，而没有任何特定限制，只要该金属在本领域中普遍被用来形成电极。例如，金属纳米线700可以包括选自由下述物质构成的组的材料：Ag、Al、Ca、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ru、In、W及其组合。详细而言，金属纳米线700可以包括Ag，但是实施例不限于此。
在根据实施例的太阳能电池中，可以以纳米尺寸来形成金属纳米线。即，每条金属纳米线700的直径可以在大约20nm至大约55nm的范围中，并且每条金属纳米线700的长度可以是大约30微米至60微米的范围中。虽然金属纳米线700可以形成为具有几十纳米的直径，但是可以获得具有优越的电特性的金属纳米线700。
而且，具有纳米尺寸的金属纳米线700可以容易地透射被入射到太阳能电池内的太阳光，而不反射或阻挡该光。因此，根据实施例的太阳能电池可以不仅改善透光率，而且增大导电率和光电转换效率。
图2和图3是示出根据实施例的太阳能电池的形状的透视图。
如图2中所示，可以不规则地分布金属纳米线700，或者，如图3中所示，可以规则地对齐金属纳米线700。例如，可以以网格或栅格的形式来制备多条金属纳米线700。当金属纳米线700具有网格形状时，金属纳米线700可以包括在第一方向上延伸的多条第一金属纳米线710和在与第一方向相交的第二方向上延伸的多条第二金属纳米线720。
图4至图8是图示根据实施例的用于制造太阳能电池的方法的截面图。基于关于太阳能电池的上述说明来作出与该制造方法相关的说明。通过引用来实质上在此包含关于太阳能电池的上述说明。
参见图4，可以在支撑基板100上形成背电极层200。可以通过使用Mo来沉积背电极层200。可以通过PVD(物理气相沉积)工艺或电镀工艺来形成背电极层200。
另外，可以在支撑基板100和背电极层200之间形成诸如扩散阻挡层的额外层。
参见图5，在背电极层200上形成光吸收层300。
可以通过各种方案来形成光吸收层300，该各种方案例如是：通过同时或分别蒸发Cu、In、Ga和Se来形成基于Cu(In,Ga)Se2(CIGS)的光吸收层300的方案；以及，在已经形成金属前体层后执行硒化工艺的方案。
关于在金属前体层的形成后的硒化工艺的细节，通过使用Cu靶、In靶或Ga靶的溅射工艺来在背电极层200上形成金属前体层。
然后，对金属前体层进行硒化工艺，使得形成基于Cu(In,Ga)Se2(CIGS)的光吸收层300。
另外，使用Cu靶、In靶和Ga靶的溅射工艺和硒化工艺可以同时执行。
而且，可以通过仅使用Cu和In靶或仅使用Cu和Ga靶的溅射工艺和硒化工艺来形成基于CIS或CIG的光吸收层300。
参见图6，在光吸收层300上形成缓冲层400和高电阻缓冲层500。
其后，可以通过经由CBD(化学浴沉积)方案在光吸收层300上沉积CdS来形成缓冲层400。
另外，可以通过溅射工艺来在缓冲层400上沉积ZnO，由此形成高电阻缓冲层500。
参见图7，在高电阻缓冲层500上形成前电极层600。为了形成前电极层600，在高电阻缓冲层500上层叠透明导电材料。例如，该透明导电材料可以包括掺杂了铝或硼的氧化锌。可以在常温至300℃的范围中的温度下执行用于形成前电极层600的工艺。
参见图8，在前电极层600上形成金属纳米线700。可以通过包括下述步骤的工艺来制造金属纳米线700：步骤S10，加热溶剂；步骤S20，向溶剂内添加封端剂和催化剂，并且加热该溶剂；以及，步骤S30，通过向溶剂内添加金属化合物来形成金属纳米线700。
在加热溶剂的步骤S10中，在适合于形成金属纳米线700的反应温度下加热溶剂。该溶剂可以包括多羟基化合物。该多羟基化合物可以作为温和的还原剂以及混合不同材料的溶剂，由此促进金属纳米线的形成。该多羟基化合物可以包括乙二醇(EG)、丙二醇(PG)、一缩二丙二醇、甘油、1,3-丙二醇、丙三醇或葡萄糖。
可以基于溶剂和金属化合物的类型和特性来不同地调整反应温度。当通过使用丙二醇(PG)作为溶剂来形成银纳米线时，反应温度可以在大约80℃至大约140℃的范围中。当反应温度小于80℃时，反应速率低，使得反应不能顺利进行，延长了工艺时间。而且，当反应温度超过140℃时，可能因为凝聚而难以具有金属纳米线形状，并且可能降低产物收率。
在向溶剂添加封端剂和催化剂的步骤S20中，向溶剂添加用于引发金属纳米线的形成的封端剂和催化剂。如果用于金属纳米线形成的还原太快，则金属可能凝聚，使得可能会不形成线形状。因此，封端剂通过将在溶剂中包含的材料适当地分散来防止金属凝聚。
封端剂可以包括各种材料。例如，封端剂可以包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)和聚丙烯酰胺(PAA)。
可以以基于金属化合物的100重量份的60重量份至330重量份的含量来添加封端剂。如果以小于60重量份的含量来添加封端剂，则不能充分地防止凝聚。如果以超过330重量份的含量来添加封端剂，则可以以球体形状或立方体形状形成金属纳米颗粒，并且在所制造的金属纳米线中会剩有封端剂，使得导电率可能降低。
该催化剂可以包括选自由下述物质构成的组的材料：AgCl、KBr、KI、CuCl2、PtCl2、H2PtCl4、H2PtCl6、AuCl、AuCl3、HAuCl4、HAuCl2及其组合。可以以基于金属化合物的100重量份的0.005重量份至0.5重量份的含量来添加封端剂。如果以小于0.005重量份的含量来添加催化剂，则可能未充分地加速反应。另外，如果以超过0.5重量份的含量来添加催化剂，则银的还原迅速地执行，使得可能产生金属纳米颗粒，或者，可能增大纳米线的直径并且可能缩短纳米线的长度。另外，在所制造的金属纳米线中会剩有催化剂，使得导电率可能降低。
在向溶剂添加金属化合物的步骤S30中，通过向溶剂添加金属化合物来形成反应溶液。在这种情况下，可以向具有封端剂和催化剂的溶剂添加被溶化在独立溶剂中的金属化合物。该独立溶剂可以包括与在初始阶段中使用的物质相同或不同的物质。可以在从添加催化剂的时间起过去预定时间后添加金属化合物。这就需要将温度稳定到期望的反应温度。
在此，金属化合物包括包含用于制造期望的金属纳米线的金属的化合物。为了形成银纳米线，金属化合物可以包括AgCl、AgNO3或KAg(CN)2。如上所述，如果向具有封端剂和催化剂的溶剂添加金属化合物，则反应发生，使得金属纳米线的形成开始。
然后，在向溶剂添加常温溶剂的步骤S40中，向其中开始反应的溶剂添加常温溶剂。常温溶剂可以包括与在初始阶段中使用的物质相同或不同的物质。例如，常温溶剂可以包括多元醇，诸如乙二醇和丙二醇。
当连续加热其中开始反应的溶剂以便保持恒定的反应温度时，可能在反应的过程中提高温度。如上所述，可以通过下述方式来更恒定地保持反应温度：通过向其中开始反应的溶剂添加常温溶剂来暂时性地降低溶剂的温度。
通过考虑反应溶液的反应时间和温度，可以一次或几次地执行添加常温溶剂的步骤S40。因为添加常温溶剂的步骤S40并非必需，所以可以省略步骤S40。
最后，可以另外执行精制金属纳米线的步骤S50。更详细地，如果向反应溶液添加作为用作非极性溶剂的丙酮而不是水，则金属纳米线因为在金属纳米线的表面上剩余的封端剂而沉淀在溶液的下部。这是因为虽然封端剂在溶剂中充分溶解，但是封端剂在丙酮中不溶解，而是凝聚和沉淀。其后，当丢弃溶液的上部时，去除了封端剂和纳米颗粒的一部分。
如果向剩余的溶液添加蒸馏水，则金属纳米线和金属纳米颗粒会分散。另外，如果更多地添加丙酮，则金属纳米线沉淀，并且，金属纳米颗粒分散在溶液上部。其后，如果丢弃溶液的上部，则丢弃封端剂和凝聚的金属纳米颗粒的一部分。在通过反复执行上面的工艺而收集金属纳米线后，金属纳米线存储在蒸馏水中。通过在蒸馏水中存储金属纳米线，可以防止金属纳米线重新凝聚。
根据实施例的太阳能电池，在前电极层600上形成金属纳米线700。金属纳米线700具有比前电极层优越的电特性。即，较之于根据现有技术的仅包括前电极层的太阳能电池，根据实施例的太阳能电池可以捕获更多的在光吸收层中形成的电子，使得可以改善光电转换效率。
根据实施例的用于制造太阳能电池的方法可以如上所述以纳米尺寸来制造金属纳米线，使得入射到太阳能电池内的光可以透射而不被反射。而且，因为形成了金属纳米线，所以可以减小前电极层的厚度。因此，可以以更薄的厚度来制造根据实施例的太阳能电池。
在本说明书中对于“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的任何引用表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中的各个位置中的这样的短语的出现不必然全部指的是同一实施例。而且，当结合任何实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合本发明其他实施例来实现这样的特征、结构或特性属于本领域技术人员的范围内。
虽然已经参考其多个说明性实施例而描述了本发明，但是应当明白，本领域内的技术人员可以设计落在本公开的精神和原理范围内的多种其他修改和实施例。更具体地，在本公开、附图和所附的权利要求的范围内的主组合布置的部件部分和/或布置中，各种改变和修改是可能的。除了在部件部分和/或布置中的改变和修改之外，替代使用对于本领域内的技术人员也是显然的。
Claims (14)
1.一种太阳能电池，包括：
在支撑基板上的背电极层；
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
在所述前电极层上的多条金属纳米线，所述金属纳米线以网格形式被布置。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述金属纳米线中的每条具有在20nm至55nm的范围中的直径和在30微米至60微米的范围中的长度。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述金属纳米线包括选自由下述物质构成的组的材料：银(Ag)、铝(Al)、钙(Ca)、铬(Cr)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、钼(Mo)、钌(Ru)、铟(In)、钨(W)和它们的组合。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述金属纳米线包括：
在第一方向上延伸的多条第一金属纳米线；以及
在与所述第一方向相交的第二方向上延伸的多条第二金属纳米线。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述前电极层具有在100nm至500nm的范围中的厚度。
6.一种用于制造太阳能电池的方法，所述方法包括：
在支撑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
以网格形式在所述前电极层上形成多条金属纳米线。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，形成所述金属纳米线包括：
加热溶剂；
向所述溶剂内添加封端剂和催化剂，并且加热所述溶剂；以及
通过向所述溶剂内添加金属化合物来形成所述金属纳米线。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在所述形成所述金属纳米线之后精制所述金属纳米线。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述封端剂包括选自由下述物质构成的组的材料：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、聚丙烯酰胺(PAA)和它们的组合。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，以基于金属化合物的100重量份的60重量份至330重量份的含量来添加所述封端剂。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述催化剂包括选自由下述物质构成的组的材料：AgCl、KBr、KI、CuCl2、PtCl2、H2PtCl4、H2PtCl6、AuCl、AuCl3、HAuCl4、HAuCl2和它们的组合。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，以基于金属化合物的100重量份的0.005重量份至0.5重量份的含量来添加所述催化剂。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，所述溶剂包括选自由下述物质构成的组的材料：丙二醇(PG)、1,3-丙二醇、一缩二丙二醇和它们的组合。
14.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属纳米线包括：
在第一方向上延伸的多条第一金属纳米线；以及
在与所述第一方向相交的第二方向上延伸的多条第二金属纳米线。
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