CN104600138A - 太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池及其制造方法。根据本发明实施例的太阳能电池包括：基底；第一电极，形成在基底上；光活性层，形成在第一电极上并包括I族和III族元素；以及第二电极，形成在光活性层上。第一电极包括分别具有不同电阻率的第一部分和第二部分，光活性层的与第一部分和第二部分分别对应的I族与III族元素组成比彼此不同。
Description
技术领域
所描述技术的实施例的多个方面涉及一种包括CIS/CIGS基半导体的太阳能电池及其制造方法。
背景技术
太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的光电转换元件，其作为基本上无限的、无污染的下一代能源近来已受到关注。
太阳能电池通常包括p型半导体和n型半导体，并且可以用作外部电能源，其将太阳光能吸收到光活性层中以在半导体中产生电子-空穴对(EHP)，使得产生的电子和空穴分别移动到n型半导体和p型半导体以被收集在电极中。
包括I-III-VI族元素的化合物半导体可以用作光活性层。
化合物半导体可以具有高的光吸收系数和高的电光稳定性，因此可以实现具有高效率的太阳能电池。
然而，在形成化合物半导体时，因元素之间的反应性差异，而使得在光活性层内以及在光活性层的表面上各个元素的比例会大幅改变。
在这种情况下，得到的光活性层会形成为基于它们的位置而具有很大不同的组成元素的薄膜，并且因此会使太阳能电池的效率劣化。
此外，在将钠钙玻璃用作基底时，包括在基底中的钠(Na)扩散到光活性层中，从而影响太阳能电池的效率。
扩散到光活性层中的钠(Na)的量可取决于位于基底与光活性层之间的电极的电阻率(resistivity)，将要扩散的钠(Na)的量随着电极的电阻率的增大而增加。
在该背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对所描述技术的背景的理解，因此其可以包含未形成在本国内对本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
随着基底变得更大，电极的电阻率会基于在基底上的位置而改变，因此，扩散到光活性层中的钠(Na)的量会根据电阻率而改变，从而使太阳能电池的效率劣化。
所描述技术的实施例的多个方面涉及一种太阳能电池及其制造方法，该太阳能电池及其制造方法即使因基底的面积更大而导致电极的电阻率差异，也能够具有一致的效率。
根据本发明的实施例的太阳能电池包括：基底；第一电极，形成在基底上；光活性层，形成在第一电极上并包括I族和III族元素；以及第二电极，形成在光活性层上，其中，第一电极包括具有不同电阻率的第一部分和第二部分，在光活性层的与第一部分和第二部分分别对应的区域中的I族与III族元素组成比彼此不同。
第一部分的电阻率可以比第一电极的平均电阻率高或低。
当第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高时，在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比小，并且当第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低时，在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比大。
第一部分的电阻率可以比第一电极的平均电阻率高至少百分之5，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比小至少0.01。
第二部分的电阻率与第一电极的平均电阻率之间的差值可以小于百分之5。
第一部分的电阻率可以比第一电极的平均电阻率低至少百分之5，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比大至少0.01。
第二部分的电阻率与第一电极的平均电阻率之间的差值可以小于百分之5。
I族与III族元素组成比Y可以满足下面的式1。
式1
Y＝-0.0104X+1.1226
(X为第一电极的电阻率)
I族元素可以为铜(Cu)、银(Ag)或金(Au)，III族元素可以为铟(In)或镓(Ga)。
第一电极可以由钼(Mo)制成。
本发明的实施例提供了一种制造太阳能电池的方法，该方法包括：在基底上形成第一电极；在第一电极上形成包括I族和III族元素的光活性层；以及在光活性层上形成第二电极。光活性层的I族与III族元素组成比根据第一电极的电阻率而改变。
第一电极可以包括电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5的第一部分，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比小至少0.01。
第一电极可以包括电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5的第一部分，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以比光活性层的平均I族与III族元素组成比大至少0.01。
I族与III族元素组成比Y可以由下面的式1计算。
式1
Y＝-0.0104X+1.1226
(X为第一电极的电阻率)
可以通过溅射方法或蒸镀方法形成光活性层。
光活性层可以具有包括I族和III族元素的第一薄膜以及包括III族元素的第二薄膜。当第一电极的第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5时，第一薄膜的与第一部分对应的区域的厚度可以比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5，第二薄膜的与第一部分对应的区域的厚度可以比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5。
光活性层可以具有包括I族和III族元素的第一薄膜以及包括III族元素的第二薄膜。当第一电极的第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5时，第一薄膜的与第一部分对应的区域的厚度可以比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5，第二薄膜的与第一部分对应的区域的厚度可以比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5。
I族元素可以为铜(Cu)、银(Ag)或金(Au)，III族元素可以为铟(In)或镓(Ga)。
当根据本发明的实施例并使用其制造方法形成太阳能电池时，得到的太阳能电池可以能够具有一致的效率，而不存在效率劣化的区域。
附图说明
图1是根据一个实施例的太阳能电池的示意性剖视图。
图2是在钼的电阻率分别为20.5μΩ·cm、23.4μΩ·cm和25.3μΩ·cm时根据I族与III族元素组成比的改变而测量的转换效率的曲线图。
图3是示出在期望的I族与III族元素组成比下钼的电阻率的图。
图4至图6是根据一个实施例的制造工艺中的不同步骤时的太阳能电池的剖视图。
具体实施方式
在下文中将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。
如本领域技术人员将认识到的，在都不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式修改所描述的实施例。
在附图中，为了清楚夸大了层、膜、面板、区域等的厚度。
在整个说明书中，同样的附图标记表示同样的元件。
将理解的是，当诸如层、膜、区域或基底的元件被称作“在”另一元件“上”时，其可以直接在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。
相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
此外，在描述本发明的实施例时使用“可以”表示“本发明的一个或更多个实施例”。
在下文中，将参照附图详细地描述太阳能电池。
图1是根据一个实施例的太阳能电池的示意性剖视图。
如图1中所示，根据本发明的太阳能电池包括：基底100；第一电极120，形成在基底100上；光活性层140，形成在第一电极120上；缓冲层150，形成在光活性层140上；第二电极160，形成在缓冲层150上；抗反射层180，形成在第二电极160上；以及栅线电极200，连接到第二电极160。
基底100可以具有绝缘性并可以由钠钙玻璃制成。
由于钠钙玻璃包含大量的钠(Na)，所以钠可能在高温下在光活性层的沉积工艺过程中通过第一电极扩散到光活性层中。
第一电极120可以由具有耐热性、与形成光活性层的材料有优异的电接触特性、具有优异的导电性以及与基底100有优异的界面粘合性的例如钼(Mo)的金属形成。
第一电极120的不同区域基于第一电极120相对于基底100的位置可以具有不同的电阻率。在一些实施例中，第一电极120包括电阻率比第一电极120的平均电阻率高或低的第一部分以及电阻率与第一电极120的平均电阻率相同的第二部分。
第一部分可以定位为更靠近基底100的边缘，第一电极120的电阻率可以朝着边缘逐渐增大或减小。
第一部分的宽度可以为从基底100的端部开始向内延伸不超过100mm。
作为p型CIS/CIGS基半导体的光活性层140可以包含硒(Se)或硫(S)。
例如，光活性层140可以是作为I-III-VI族基半导体化合物的Cu(In1-x,Gax)(Se1-x,Sx)，其中，0≤x≤1。
光活性层140可以具有其中化合物半导体的组成基本上一致的单一相。
例如，其可以是CuInSe2、CuInS2、Cu(In,Ga)Se2、(Ag,Cu)(In,Ga)Se2、(Ag,Cu)(In,Ga)(Se,S)2、Cu(In,Ga)(Se,S)2或Cu(In,Ga)S2。
在一些实施例中，光活性层140可能包括从基底100扩散的钠(Na)。
光活性层的I族与III族元素组成比(I族原子数与III族原子数的比)可以根据第一电极120的电阻率而改变，光活性层的与第一电极120的第一部分和第二部分对应的区域的I族与III族元素组成比可以彼此不同。
在一些实施例中，第一电极120的平均电阻率等于用于形成第一电极120的金属层的以30mm间隔测量的电阻率的平均值。
光活性层140的与第一电极120的第二部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以与光活性层140的平均I族与III族元素组成比相差至多百分之5，光活性层140的与第一电极120的第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比可以与光活性层140的平均I族与III族元素组成比相差大于或小于百分之5。
当第一电极120的第一部分的电阻率比第一电极120的平均电阻率高至少百分之5时，光活性层140的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层140的平均I族与III族元素组成比小至少0.01。
相反，当第一电极120的第一部分的电阻率比第一电极120的平均电阻率低至少百分之5时，光活性层140的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层140的I族与III族元素平均组成比大至少0.01。
与第一电极120的电阻率X相关的光活性层140的I族与III族元素组成比Y可以通过下面的式1来计算。
式1
Y＝-0.0104X+1.1226
在一个实施例中，当光活性层140的I族与III族元素组成比根据第一电极120的电阻率改变时，可以改善太阳能电池的效率。
在相关的太阳能电池中，因为扩散到光活性层中的钠(Na)的量根据第一电极的电阻率而改变，所以太阳能电池的效率在光活性层的接收更大量的钠(Na)的那些区域中劣化。
这是由于在相关的太阳能电池中的光活性层的I族与III族元素组成比被固定，而不管扩散的钠(Na)的量是多少。
相反，在本发明的实施例中，光活性层140的I族与III族元素组成比可以根据第一电极120的电阻率而改变。
因此，即使扩散到光活性层140中的钠(Na)的量根据第一电极120的电阻率而改变，由于光活性层的I族与III族元素组成比也根据第一电极120的电阻率而改变，所以也没有形成具有劣化的效率的区域。
在一些实施例中，可以由图2和图3中的数据得到式1，随后将对此进行描述。
图2是在钼的电阻率分别为20.5μΩ·cm、23.4μΩ·cm和25.3μΩ·cm时相对于I族与III族元素组成比的改变而测量的光活性层的转换效率的曲线图，图3是示出在图2中列出的期望的I族与III族元素组成比的值下钼的电阻率的图。
参照图2，随着I族与III族组成比的值增大，光活性层的转换效率先增大然后减小。
在本实施例中，I族与III族组成比的值与转换效率的曲线对于不同的钼电阻率而不同。
如图2中所示，当钼的电阻率为20.5μΩ·cm、23.4μΩ·cm或25.3μΩ·cm时，最大转换效率被实现时的光活性层的I族与III族元素组成比可以分别为0.908、0.882或0.857。
如图3中所示，I族与III族元素组成比与钼的电阻率成线性反比。图3中的直线可以用于获得式1。
在一些实施例中，图3中测量的I族与III族组成比的值与由式1计算得到的I族与III族组成比的值之间可存在差异，但是该差异至多为0.003(例如，不大于0.003)，其可以被本领域技术人员认为是可忽略不计的值。
参照图1，在一些实施例中，缓冲层150补偿光活性层140与第二电极160之间的能隙。
缓冲层150由例如CdS、ZnS或InS的n型半导体材料制成。
第二电极160可以由具有高的透光率和优异的导电性的材料制成，例如，由具有百分之80或更高的透光率的ZnO制成。
在一些实施例中，可以通过用铝(Al)或硼(B)掺杂ZnO层来获得低电阻的ZnO层。
ZnO层还可以与具有优异的电光性能的ITO层层叠，或者可以形成为单层ZnO层。
ZnO层还可以在未掺杂的n型ZnO层上用低电阻n型ZnO层进行层叠。
在一个实施例中，第二电极160为n型半导体，并且与诸如光活性层的p型半导体形成p-n结。
抗反射层180可以通过减少因反射造成的入射太阳光的损失来提高太阳能电池的效率，但是基于情况可以省略该层。
在一个实施例中，抗反射层180由MgF2制成。
在形成有抗反射层180的实施例中，栅线电极200形成在抗反射层180的一端并接触第二电极160。栅线电极200从太阳能电池的表面收集电流。
栅线电极200可以由铝(Al)、镍(Ni)或其合金制成，但是基于情况可以省略栅线电极200。
当连接根据本发明的实施例的太阳能电池的第一电极和第二电极时，产生电流并且产生的电流被栅线电极收集。
在下文中，将参照上述图1与图4至图6一起详细地描述根据本发明的一些实施例的太阳能电池的制造方法。
图4至图6是根据一个实施例的制造工艺中的不同操作时的太阳能电池的剖视图。
参照图4，在由钼(Mo)制成的基底100上通过溅射方法形成第一电极120。
结下来，如图5中所示，在第一电极120上形成光活性层140。
在一个实施例中，光活性层140的I族与III族元素组成比被构造为根据第一电极120的电阻率而不同。
在一些实施例中，I族元素可以为铜(Cu)，III族元素可以为铟(In)或镓(Ga)。
可以由式1计算光活性层140的I族与III族元素组成比Y。
在由式1计算I族与III族元素组成比之后，根据计算的比例通过溅射方法与硒化方法的组合或蒸镀方法来形成光活性层140。
在使用溅射与硒化方法的组合的实施例中，溅射和硒化方法利用溅射装置顺序地形成包括I族和III族化合物的第一薄膜以及包括III族元素的第二薄膜。
在这种情况下，第一薄膜和第二薄膜是用于形成光活性层的前体薄膜。
基于情况可以在形成第一薄膜之前形成第二薄膜，第一薄膜和第二薄膜可以重复地成层同时交替地布置。
I族元素可以为铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)或它们的组合，III族元素可以为铟(In)、镓(Ga)或它们的组合。
第一薄膜的III族元素和第二薄膜的III族元素可以不同。例如，第一薄膜的III族元素可以为镓(Ga)，第二薄膜的III族元素可以为铟(In)。
在一个实施例中，I族元素可以为铜(Cu)。
在一些实施例中，光活性层中的I族与III族元素组成比根据第一电极的电阻率通过改变第一薄膜和第二薄膜各自的厚度来改变。
第一电极的第一部分是第一电极的电阻率比第一电极的平均电阻率高或低至少百分之5的部分。
在第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5的实施例中，光活性层的I族与III族元素组成比通过增加第二薄膜的与第一电极的第一部分对应的区域的厚度而被构造成小于1(即，光活性层中的III族元素的量超过I族元素的量)。换句话说，第二薄膜的与第一电极的第一部分对应的区域的厚度比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5。
同时，第一薄膜的与第一电极的第一部分对应的区域的厚度比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5。
在第一电极的第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5的实施例中，第一薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5。
同时，第二薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5。
可以通过改变沉积速度来形成基于每个区域的相对于第一电极的形成位置而具有不同厚度的区域的第二薄膜。
由于随着靶表面与磁体之间的距离减小，沉积速度通过增加磁通密度而增加，并且随着它们之间的距离增大，沉积速度通过减小磁通密度而减小，所以可以通过控制沉积速度来形成具有不同厚度的薄膜。
如果使用蒸镀方法来形成光活性层，则可以使用多个蒸镀源，并且可以通过基于形成位置改变蒸镀源的组成比来形成根据第一电极的电阻率而具有不同的I族与III族元素组成比的区域的光活性层140。
接下来，在包括诸如硒(Se)或硫(S)的VI族元素的气体氛围下在热处理工艺过程中完成由CIGS制成的光活性层140的形成。
在一些实施例中，可以在大约400℃至600℃下执行热处理工艺大约30分钟至120分钟。
接下来，如图6中所示，在光活性层140上形成缓冲层150，并且在缓冲层150上形成第二电极160。
在一个实施例中，缓冲层150由例如CdS、ZnS或InS的n型半导体材料制成。
第二电极160可以由ZnO制成，并且可以通过使用ZnO靶的直流(DC)或射频(RF)溅射方法、或者使用Zn靶的反应性溅射方法或者有机金属化学气相沉积方法来形成。
在一些实施例中，在第二电极160上形成抗反射层180。
抗反射层180可以由MgF2制成，并且可以通过电子束蒸镀方法来形成。
接下来，如图1中所示，可形成栅线电极200以电连接到第二电极160，因此完成太阳能电池。
栅线电极200可以通过溅射方法来形成，并且可以由铝或镍制成。
虽然已结合当前被认为是实际示例性实施例的内容描述了本公开，但是将理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，意图覆盖包括在权利要求书及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同布置。
附图标记的描述
100：基底 120：第一电极
140：光活性层 150：缓冲层
160：第二电极
180：抗反射层 200：栅线电极
Claims (19)
1.一种太阳能电池，包括：
基底；
第一电极，位于基底上；
光活性层，位于第一电极上并包括I族和III族元素；以及
第二电极，位于光活性层上，其中，
第一电极包括具有不同电阻率的第一部分和第二部分，
在光活性层的与第一部分和第二部分分别对应的区域中的I族与III族元素组成比彼此不同。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高或低。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中，当第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高时，在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比小，并且当第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低时，在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比大。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中，第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比小至少0.01。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其中，第二部分的电阻率与第一电极的平均电阻率之间的差值小于百分之5。
6.根据权利要求3所述的太阳能电池，其中，第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比大至少0.01。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中，第二部分的电阻率与第一电极的平均电阻率之间的差值小于百分之5。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，I族与III族元素组成比Y满足下面的式1：
式1
Y＝-0.0104X+1.1226
其中，X为第一电极的电阻率。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，I族元素为铜、银或金，III族元素为铟或镓。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中，第一电极由钼制成。
11.一种制造太阳能电池的方法，所述方法包括：
在基底上形成第一电极；
在第一电极上形成包括I族和III族元素的光活性层；以及
在光活性层上形成第二电极，
其中，光活性层的I族与III族元素组成比根据第一电极的电阻率而改变。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一电极包括电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5的第一部分，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比小至少0.01。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，第一电极包括电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5的第一部分，并且在光活性层的与第一部分对应的区域中的I族与III族元素组成比比光活性层的平均I族与III族元素组成比大至少0.01。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，I族与III族元素组成比Y满足下面的式1：
式1
Y＝-0.0104X+1.1226
其中，X为第一电极的电阻率。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，通过溅射方法或蒸镀方法形成光活性层。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，光活性层具有包括I族和III族元素的第一薄膜以及包括III族元素的第二薄膜，其中，当第一电极的第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率高至少百分之5时，第一薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5，第二薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，I族元素为铜、银或金，III族元素为铟或镓。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，光活性层具有包括I族和III族元素的第一薄膜以及包括III族元素的第二薄膜，其中，当第一电极的第一部分的电阻率比第一电极的平均电阻率低至少百分之5时，第一薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第一薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度大至多百分之5，第二薄膜的与第一部分对应的区域的厚度比第二薄膜的与第一电极的电阻率低于第一电极的平均电阻率的部分对应的区域的厚度小至多百分之5。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，I族元素为铜、银或金，III族元素为铟或镓。
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