TW201421725A - 太陽能電池及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種太陽能電池的形成方法，前述方法包括：提供一含有銦及鋁的銦鋁標靶；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於前述背接點層之上，前述形成包括濺射前述銦鋁標靶之材料至前述太陽能電池基板上的前述背接點層之上；以及熱處理以轉換前述金屬前驅層為一吸收層。
Description
本發明係有關於一種太陽能電池，以及在太陽能電池中形成多層吸收層的方法及系統。
太陽能電池係可直接從陽光產生電流的光伏發電材料。由於目前對乾淨能源的需求逐漸增加，近年來的太陽能電池的生產劇烈地持續擴展。目前已存有各種形式的太陽能電池並持續進行開發。太陽能電池包括吸收陽光並將其轉換成電流的吸收層。因此吸收層的品質與效能表現最為重要。吸收層的組成與結構為電流效率極大化的重要關鍵。因此吸收層的形成以及其在太陽能電池的放置亦為關鍵步驟。
其中一種相當受歡迎的吸收材料種類為銅銦鎵硒為主的吸收材料。銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se2，CIGS)，是一種受歡迎的硫族元素半導體，銅銦鎵硒為主的材料具有多種用途，但在作為太陽能電池的吸收層方面之表現尤為出色。銦層的形成一般皆是藉由從銦濺射標靶將銦濺射至基板上而完成。銅銦鎵硒的其他材料當然係藉由其他製程步驟形成吸收層。而銦層的形成上具有其缺點，銦金屬層一般都會在表面上產生彼此分
散的大顆粒而因此造成不理想的粗糙表面型態。這通常都被認為是由於銦本身的高表面張力及低熔點所造成的低潤濕性所造成。
不理想的粗糙表面型態包括凸起物並減少吸收層從陽光光子製造電流的效率。
目前已嘗試以各種不同的濺射製程條件以改善銦層表面型態，亦即減低表面粗糙度。但此些嘗試皆無法成功改善表面型態，且一般都相當耗時並造成低產能。
本發明提供一種太陽能電池的形成方法，前述方法包括：提供一含有銦及鋁的銦鋁標靶；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於前述背接點層之上，前述形成包括濺射前述銦鋁標靶之材料至前述太陽能電池基板上的前述背接點層之上；以及熱處理以轉換前述金屬前驅層為一吸收層。
本發明亦提供一種太陽能電池的形成方法，前述方法包括：提供一包括銦的標靶，以及另一材料，前述另一材料係選自Al、Zn、Cr、Ni以及Ta之族群；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於前述背接點層之上，前述形成包括濺射前述標靶之材料至前述太陽能電池基板上的前述背接點層之上；以及熱處理以轉換前述金屬前驅層為一吸收層。
本發明另提供一種太陽能電池，包括一吸收層設置於一太陽能電池基板之上，前述吸收層包括一銅銦鎵鋁硒為
主的材料。
2‧‧‧基板
4、8‧‧‧上表面
6‧‧‧背接點層
10‧‧‧金屬前驅物層
12‧‧‧下金屬前驅物層
14‧‧‧銅鎵材料
16‧‧‧銦為主的材料
18‧‧‧箭頭
20、26、28、34‧‧‧厚度
24‧‧‧上金屬前驅物層
32‧‧‧吸收層
38‧‧‧熱處理步驟
40‧‧‧硒化步驟
110、112、114、116、118、120、122‧‧‧步驟
第1圖所示為一系列根據本發明之太陽能電池的形成方法的各個製程步驟截面圖實施例；第2圖所示為第1圖之截面圖之更細部的實施例；以及第3圖所示為根據本發明之一實施例的一系列製程步驟流程圖。
本發明提供一種新穎的方法，其包括提供一含銦濺射標靶，其亦包括鋁或其他合宜的金屬。濺射標靶係用以濺射一金屬前驅物層至一太陽能電池之上。金屬前驅物層有利地結合其他金屬前驅物材料並熱處理之以形成太陽能電池所需的黃銅礦為主的吸收層。在含銦標靶中納入鋁或其他金屬提供多種好處，如因含銦層的平滑型態而加強了黃銅礦為主的太陽能電池效率以及含銦金屬前驅物層的組成均勻度上的提升。在一些實施例中，控制所添加的銅或其他金屬含量以形成具有雙梯度的黃銅礦能帶隙。
第1圖為一系列的從步驟A至步驟E的流程圖。在每一步驟中皆提供太陽能電池次結構的截面圖實施例。第1圖之步驟A所示為一具有上表面4之基板2。在一實施例中，基板2為一玻璃基板，並在一特定實施例中，為一鹼石灰玻璃基板(soda lime glass)。但亦可利用其他業界中用於太陽能電池的基板材質。步驟B所示為背接點(back contact)層6直接設置於上表
面4，但在其他實施例中，一層額外的薄膜或層形成於上表面4之上，因此係插入於基板2以及背接點層6之間。在一些實施例中，一阻障層(未繪出)插入於前述兩者間。在其他實施例中，矽層、氧化物層、或兩者插入於基板2以及背接點層6之間。在一些實施例中，背接點層6係以鉬形成，但亦可利用其他合宜之材料。背接點層6包括上表面8。
第1圖之步驟C所示為金屬前驅物層10形成於背接點層6之上。步驟C亦示意金屬前驅物層10係形成自銅鎵材料14以及銦為主之材料16。根據一實施例，銅鎵材料14以及銦為主之材料16皆為濺射標靶，而箭頭18代表由銅鎵材料14以及銦為主之材料16濺射至基板2上之材料，更具體而言，係濺射至背接點層6之上表面8上。在一實施例中，濺射自銅鎵材料14的材料為形成一金屬前驅物層，而接著濺射自銦為主之材料16的材料為形成一含銦金屬前驅物層。在另一實施例中，銅鎵材料14以及銦為主之材料16之濺射係以同時或交替進行的方式。
在一實施例中，銅鎵材料14係具有約14-25原子百分比的鎵，但在其他實施例中可使用其他材料組成比例。可使用多種合宜的濺射製程條件將銅鎵材料14之銅與鎵濺射至背接點層6上。
在一些實施例中，銦為主之材料16較佳為一單一濺射標靶。在一實施例中，銦為主之材料16為一銦鋁標靶。在一些實施例中，標靶係藉由將鋁摻雜入銦標靶。在一實施例中，銦為主之材料16係摻有1原子百分比之鋁的銦鋁標靶。在其他實施例中，銦為主之材料16為一銦鋁標靶，其包括約
0.05-30原子百分比的鋁。在其他實施例中，銦為主之材料16包括銦與下列其一或多者的組合，Zn、Cr、Ni、Ta、或其他合宜之材料。銦為主之材料16的組成包括介於約0.05-30原子百分比之非銦添加材料之各種比例實施例。一旦沈積後，銦為主前驅物層包括一平滑表面型態、一大致均勻之組成，並基本上不存在凸起物。
在另一實施例中，銦為主之材料16代表具有來自兩種不同來源的材料，例入兩種標靶。根據此實施例，具有一銦標靶以及另一標靶，其係由Al、Zn、Cr、Ni、Ta、或其他合適之材料、或前述之組合。根據此實施例，由另一標靶所形成之薄膜先濺射於背接點層6或先前形成之一金屬前驅物層之上作為間層(inter-layers)。此濺射沈積步驟之後即進行銦之濺射沈積。由於存在先前沈積之其他材料薄層的關係，如Al、Zn、Cr、Ni、Ta、或其他材料，而降低了後續所沈積之銦層的粗糙度。
如上述，金屬前驅物層10所代表的是多層各種實施例中的前驅物層。第2圖為一此種結構之實施例。第2圖所示為基板2以及背接點層6形成於上表面4之上。在一第2圖之實施例中，金屬前驅物層10包括兩層，但在其他實施例中，係應用不同層數之金屬前驅物層。在第2圖中，下金屬前驅物層12為一具有25原子百分比之鎵的銅鎵金屬前驅物層之實施例，但在其他實施例中，係使用其他材料。在一實施例中，下金屬前驅物層12包括一約為500nm之厚度20，但在其他實施例中，係使用介於100-2000nm之間之其他厚度。上金屬前驅物層24可為
一銦為主材料層，並在一實施例中，係為銦鋁。在其他實施例中，銦為主材料層，例如上金屬前驅物層24，包括銦以及前述所列出的金屬材料。在一實施例中，上金屬前驅物層24包括一約100nm之厚度26，並在其他實施例中係使用介於50-1000nm之間的厚度。要注意的是，在其他實施例中包括下金屬前驅物層12以及上金屬前驅物層24以外的一或多層。在前述之一實施例中，上金屬前驅物層24為一銦層以及一金屬薄層，如Al、Zn、Cr、Ni、Ta，內插於下金屬前驅物層12以及上金屬前驅物層24之間。
參照回第1圖，步驟D所示為一金屬前驅物層10，在各個實施例中，其具有一總厚度約介於100-3000nm。當金屬前驅物層10形成於該處後，執行一熱處理步驟以將之轉換為吸收層32。
步驟E顯示熱處理步驟的進行並顯示出吸收層32形成自金屬前驅物層10。熱處理步驟38包括一廣泛的操作溫度，並在一些實施例中，係介於約400-600℃間，但其他更廣泛的溫度範圍亦可行。在各實施例中，熱處理步驟的執行時間介於15分鐘至數個小時之間。在一實施例中，熱處理步驟38為一硒化步驟40。在硒化步驟之實施例中，係加熱一硒源將硒趨入金屬前驅物層中以轉化為吸收層32。硒源可為H2Se氣體或其他氣體或固體，並且係在各種溫度條件下利用各種技術將硒趨入金屬前驅物層10中以形成吸收層32。在一些實施例中，吸收層32為一銅銦鎵硒為主的材料。銅銦鎵硒為主的材料包括銅、銦、鎵、硒並為一具有黃銅晶體結構的四面體鍵結半導體。在
一些實施例中，銅銦鎵硒為主的材料具有化學計量比(stoichimetric)，但在其他實施例中，銅銦鎵硒為主之吸收層32為一非化學計量比組成。在一些實施例中，銅銦鎵硒為主之吸收層32為CuInSe與CuGaSe的固相溶液，以Cu(In,GA)Se2表示。在一些實施例中，在硒化步驟後進行一硫化步驟，其使用H2S或其他材料作為硫源，以之與硒化步驟同時或先後進行以調整吸收層產生的能帶隙。
在一些實施例中，吸收層32為一銅銦鎵鋁硒(CIGAS)為主的材料，亦即一包括銅、銦、鎵、硒的材料。CIGAS之實施例同時包括鎵及銅。在其他實施例中，一銅銦鎵硒(CIGS)材料形成。在一些實施例中，吸收層32為CuInSe與CuGaSe的固相溶液，以Cu(In,GA)Se2表示。以鋁取代鎵而產生的吸收層32具有理想的能帶隙。在一些實施例中，在CIGAS材料中的鋁量較佳少於鎵量。在一實施例中，CIGAS材料係以CuIn(1-x-y)GaxAlySe2表示。在一些實施例中，y小於x，而x之範圍約落於0.2-0.35間，但在其他實施例中使用了其他組成比例。能量隙可藉由控制CIGS吸收層32的組成比例控制。在一些實施例中，CIGS吸收層32係形成包括因銅銦鋁硒(CIAS)材料以及CIGS材料、及其中間組成之雙梯度的黃銅礦能帶隙。能帶隙可於吸收層32間變化，並在其層邊緣達最高點而同時具有雙梯度並在層內部達到最低點。CIGS或CIGAS吸收層32的雙梯度相較於單一能帶隙的CIGS吸收層，在不顯著犧牲短路電流JSC的前提下，改善開路電壓VOC。雙梯度藉由達到相對較高的JSC以提供較佳性能，JSC係取決於裝置中最小的能帶隙，並同時，由
於在空間電荷區域(space charge region)局部增加的能帶隙而達到較高的VOC。在一實施例中，雙梯度係藉由在金屬前驅物層10之下部濺射銅鎵、以及在其上部濺射銦鋁。根據一實施例，沈積步驟係以能夠製造出金屬前驅物層10的V型分佈輪廓的方式進行。在一實施例中，能帶隙與鋁濃度輪廓皆包括此種組成梯度變化。在一些實施例中，銅鎵標靶係與包括鋁的銦標靶結合使用以提供鋁源來形成一CIGAS吸收層32，使其能夠在熱處理步驟將金屬前驅物層10轉換成吸收層32後形成如前述之組成及能帶隙梯度分佈。在一些實施例中，V型輪廓係自形成的(self-forming)。在各個實施例中，吸收層32具有一厚度34約介於0.5-2μm或0.5-3μm間。
如第1圖之步驟E所示為形成太陽能電池的後續製程步驟的執行。在一實施例中，鎘硫緩衝層形成在吸收層之上，以及一窗層形成於鎘硫緩衝層之上，但在其他實施例中，亦形成其他後續膜層。CIGAS吸收層或其他CIGS吸收層提供高效率的太陽能至電流間之轉換。
第3圖所示為本發明之形成太陽能電池的方法之一流程圖實施例。在步驟110提供一太陽能電池基板以及可於其上設置一或多層結構。在步驟112，一背接點層，如第1圖中之背接點層6，形成在太陽能基板之上或其上方，如基板2。在步驟114，係為金屬前驅物層的形成，其涉及一或數個沈積步驟。其數個沈積步驟可同時或先後進行。在第3圖之實施例中，步驟116為銅鎵之濺射，而步驟118為銦鋁之濺射，前述二者可同時進行，或使步驟116先於或後於步驟118進行。在其他實施
例中亦進行不同或額外的金屬前驅物層形成。例如，銦與鋁可分別進行濺射。在一實施例中，鋁在銦之前進行濺射沈積。在其他實施例中(未示意於第3圖)，可在沈積銦層前預先沈積薄層，如Zn、Cr、Ni、Ta或其他合宜材料，作為金屬前驅物層中的間層，以加強層間附著並減少後續沈積銦層之粗糙度。
根據一方面，提供一種太陽能電池的形成方法。此方法包括：提供一含有銦及鋁的銦鋁標靶；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於前述背接點層之上，前述形成包括濺射前述銦鋁標靶之材料至前述太陽能電池基板上的前述背接點層之上；以及熱處理以轉換前述金屬前驅層為一吸收層。
根據另一方面，提供一種太陽能電池的形成方法。此方法包括：提供一包括銦的標靶，以及另一材料，前述另一材料係選自Al、Zn、Cr、Ni以及Ta之族群；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於前述背接點層之上，前述形成包括濺射前述標靶之材料至前述太陽能電池基板上的前述背接點層之上；以及熱處理以轉換前述金屬前驅層為一吸收層。
根據另一實施例中，提供一種太陽能電池。此太陽能電池包括一吸收層設置於一太陽能電池基板之上，前述吸收層包括一CIGAS為主的材料。
以上大略說明本發明實施例的廣泛概念。任何所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解到所揭示的概念及特定實施例可輕易作為其它結構或製程的變更或設計基礎，以進行
相同於本發明的目的，也可理解與上述等同的結構或製程並未脫離本發明之精神和保護範圍內。此外，說明書所載之實例及條件語句皆是為了教示並幫助讀者理解本發明之概念並藉以推動本領域，任何實例及條件皆非用以限定本發明。
詳細的實施例敘述係配合圖式說明，其為說明書的一部分。在說明書中，在空間上的相關用語，例如”下”、”上”、”水平”、”垂直”、”上方”、”下方”、”向上”、”向下”、”頂部”、”底部”等等及其派生詞(例如，”水平地”、”向下地”、”向上地”等等)係用以容易表達出本說明書中的特徵與額外特徵的關係。這些空間上的相關用語涵蓋了具有某些特徵的裝置的不同方位。於聯結及附著等等有關的用語，如”連接”、”互連”，係代表當裝置以直接或透過中介裝置間接連結時的關係，除非特別指名，亦可以為可動或固定式的連結關係。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。反之，其所附之權利要求項應以廣泛的方式呈現，並包括本發明之實施例及其他變化。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發明之精神和範圍內作任意之更動、替代與潤飾。
110、112、114、116、118、120、122‧‧‧步驟
Claims (10)
- 一種太陽能電池的形成方法，該方法包括：提供一標靶，該標靶包括銦以及另一材料，該另一材料係選自Al、Zn、Cr、Ni以及Ta之族群；提供具有一背接點層在其上的一太陽能電池基板；形成多個金屬前驅物層於該背接點層之上，該形成包括濺射該標靶之材料至該太陽能電池基板上的該背接點層之上；以及熱處理以轉換上述金屬前驅層為一吸收層。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的形成方法，其中該標靶包括0.05-30原子百分比之該另一材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的形成方法，其中該標靶包括約1原子百分比之該另一材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的形成方法．其中該熱處理包括一硒化處理，以及其中該吸收層包括硒。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池的形成方法，其中該背接點層包括鉬，更包括在該背接點層以及上述金屬前驅物層間形成一緩衝層，以及形成一窗層於該吸收層之上。
- 一種太陽能電池，包括一吸收層設置於一太陽能電池基板之上，該吸收層包括一銅銦鎵鋁硒材料。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該吸收層包括一黃銅礦晶體結構，更包括一背接點層設置在該太陽能電池基板以及該吸收層間，以及一窗層設置於該吸收層之上。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該銅銦鎵鋁硒材料包括CuIn(1-x-y)GaxAlySe2，其中y小於x，x係在0.2-0.35之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該銅銦鎵鋁硒材料包括較鋁更大量的鎵，更包括一鉬背接點層設置於該太陽能電池基板以及該吸收層間。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該吸收層包括一雙梯度能帶隙。
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