TW201507180A - 光伏發電裝置及其製作方法 - Google Patents

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Jyh-Lih Wu
Wen-Tsai Yen
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Abstract

一種光伏發電裝置，包括：一基底；一背接觸層，位於基底上；一吸收光之吸收層，位於背接觸層上；一緩衝層，位於吸收層上；一前接觸層，位於緩衝層上；一電漿子奈米結構層，具有複數個奈米粒子，其中電漿子奈米結構層位於背接觸層之一最頂層之表面和吸收層間。

Description

光伏發電裝置及其製作方法
本揭示係有關於一種光伏發電裝置及其製作方法，特別是有關於一種薄膜光伏發電裝置及其製作方法。
光伏發電裝置(亦稱為太陽能電池)係吸收太陽光線且將光線能量轉成電。光伏發電裝置及其製作方法係持續的發展，以較薄的設計提供較高的轉換效率。
薄膜太陽能電池係依據一層或多層沉積於一基板上之光伏發電材料薄膜。光伏發電材料的厚度可以為數奈米至數十微米。光伏發電材料之範例包括CdTe、CIGS和α-Si，而這些材料的功能是用來吸收光線。一光伏發電裝置可更包括其他的薄膜，例如緩衝層、背接觸層或前接觸層。
根據上述，本揭示於一實施例提供一種光伏發電裝置，包括：一基底；一背接觸層，位於基底上；一吸收光之吸收層，位於背接觸層上；一緩衝層，位於吸收層上；一前接觸層，位於緩衝層上；一電漿子奈米結構層，具有複數個奈米粒子，其中電漿子奈米結構層位於背接觸層之一最頂層之表面和吸收層間。
本揭示於一實施例提供一種光伏發電裝置之製作方法，包括：形成一背接觸層於一基底上；形成一吸收光之吸 收層於背接觸層上；形成一緩衝層於吸收層上；以一濕式製程，形成具有複數個奈米粒子之一電漿子奈米結構層於背接觸層上方；及形成一前接觸層於緩衝層上。
2‧‧‧方法
4‧‧‧步驟
6‧‧‧步驟
8‧‧‧步驟
10‧‧‧步驟
12‧‧‧步驟
100‧‧‧光伏發電裝置
105‧‧‧基底
110‧‧‧背接觸層
120‧‧‧吸收層
130‧‧‧緩衝層
140‧‧‧電漿子奈米結構層
150‧‧‧奈米粒子
160‧‧‧前接觸層
第1圖係顯示一光伏發電裝置製作方法的流程圖。
第2圖顯示本揭示一實施例部分光伏發電裝置的剖面圖。
第3圖顯示本揭示另一實施例部分光伏發電裝置的剖面圖。
第4圖顯示本揭示另一實施例部分光伏發電裝置的剖面圖。
第5圖顯示本揭示另一實施例部分光伏發電裝置的剖面圖。
第6圖顯示本揭示另一實施例部分光伏發電裝置的剖面圖。
在下面的描述中，所述的具體的細節係用來提供本公開的實施例的透徹理解。然而，在本技術領域的普通技術人員可了解到，沒有這些具體細節的情況下可以實施本公開的實施例中，在某些情況下，沒有詳細描述公知的結構和過程，以避免不必要地模糊本揭示的實施例。
在整個說明書中對“一個實施例”或“實施例”表示結合該實施例中所描述的特定圖樣、結構或特性。因此，在本說明書的多個地方出現“在一個實施例”或“在一個實 施例中”未必都指相同的實施例。此外，特定的特徵，結構或特性可以任何合適的方式組合在一個或多個實施例中。應理解的是，下面的圖式不是按比例繪製，而這些圖式是用於說明的目的。
本揭示提供一光伏發電裝置及其製作方法。在此光伏發電裝置中，一電漿子(plasmonic)奈米結構層係用來與背接觸層、吸收層、緩衝層和緩衝層上的前接觸層結合，以改善吸收層的光吸收效率。因此，形成的光伏發電裝置具有較佳的光電轉換效率。本揭示亦提供包括電漿子奈米結構層之光伏發電裝置之製作方法，其電漿子奈米結構層係使用濕式製程製作，例如旋轉塗佈和浸泡塗佈。在準備電漿子奈米顆粒時，使用濕式製程(wet processing)的方法可避免對光伏發電裝置造成損壞(例如傳統的濺鍍或熱蒸鍍方法)。
第1圖係為一光伏發電裝置之製作方法2的流程圖，其在本揭示各觀點中具有一基底、一背接觸層、一吸收層、一緩衝層、一電漿子奈米結構層和一前接觸層。請參照第1圖，方法2包括步驟4，形成一背接觸層於基底上。方法2包括步驟6，形成用來吸收光的吸收層於背接觸層上。方法2包括步驟8，形成一緩衝層於吸收層上。方法2包括步驟10，形成一電漿子奈米結構層，其中電漿子奈米結構層具有複數個奈米顆粒。方法2包括步驟12，形成前接觸層於緩衝層上。
在各實施例中，步驟4至12可以不同的順序進行。在一實施例中，步驟係依4-6-8-10-12之順序進行，所以電漿子奈米結構層形成在緩衝層和前接觸層間(以下將參照第2圖描 述)。在另一實施例中，步驟係依4-10-6-8-12之順序進行，所以電漿子奈米結構層形成在背接觸層和吸收層間(以下將參照第3圖描述)。在另一實施例中，步驟係依4-6-10-8-12之順序進行，所以電漿子奈米結構層形成在吸收層和緩衝層間(以下將參照第4圖描述)。在另一實施例中，步驟係依4-6-8-12-10-12之順序進行，所以電漿子奈米結構層形成在前接觸層之兩個子層間(以下將參照第5圖描述)。在另一實施例中，步驟係依4-6-8-12-10之順序進行，所以電漿子奈米結構層形成在前接觸層上(以下將參照第6圖描述)。
可理解的是，可在第1圖之步驟4-12前、中或後可進行額外的製程(例如形成內連線結構用的切割道(scribe line)，未繪示)，以完成太陽能電池之製作。然而，為簡化，這些額外的製程在此不詳細的描述。
第2-6圖顯示以第1圖之方法2之各實施例製作之部分光伏發電裝置的剖面圖。可以理解的是，第2-6圖係經過簡化，以更容易了解本揭示的概念。值得注意的是，材料、尺寸、結構和製程僅用來做示範性的說明，不用來限制本揭示。熟悉本技術領域的人士在了解本揭示後，可進行許多調整。
首先，請參照第2圖，光伏發電裝置100包括一基底105、一背接觸層110、一吸收層120、一位於吸收層120上之緩衝層130、一電漿子奈米結構層140和一位於緩衝層上方之前接觸層160。
基底105可包括任何適用於薄膜光伏發電裝置的材料。適用於基底105之材料包括但不限於：玻璃(例如鈉鈣玻 璃)、聚合物(例如聚亞醯胺)薄膜、金屬箔(例如不銹鋼)。基底105的厚度可以為任何適合之範圍，例如在一些實施例中介於約0.1mm至5mm之間。
可依據薄膜光伏發電裝置之種類選擇背接觸層110。在一些實施例中，背接觸層110包括Mo，且其上可形成一CIGS吸收層120。在一些實施例中，Mo背接觸層110是以濺鍍形成。其他的實施例包括其他適合的背接觸材料，例如Pt、Au、Ag、Ni或Cu取代Mo。例如，在一些實施例中，提供Cu或Ni之背接觸層110，且在其上可形成一CdTe吸收層。背接觸層的厚度為奈米或微米的級數，例如在一些實施例中，為約100nm至約20μm。在一些實施例中，光伏發電裝置100具有金屬箔基板，其可作為基板105與背接觸層110。在此實施例中，可省略背接觸層110的使用。
形成用作吸收光的光吸收層120於背接觸層110上。在一些實施例中，吸收層120是包括Cu(In,Ga)Se2(CIGS)之黃銅礦為主(Chalcopyrite-based)的吸收層120，其厚度約為1微米或更多。在一些實施例中，使用CuGa作為濺鍍靶材(未繪示)和銦為主的濺鍍靶材(未繪示)濺鍍形成吸收層120。在其他的實施例中，首先濺鍍CuGa材料形成一金屬前驅物層且後續濺鍍銦為主的金屬前驅物層於CuGa金屬前驅物層上。在其他的實施例中係同時濺鍍CuGa材料和銦為主的材料，或交換濺鍍的順序。
在其他的實施例中，吸收層120包括Cu、Ga、In、Al、Se、硒化物(selenide)及/或上述之組合。在其他的實施例 中，吸收層120包括不同的材料，例如CulnSe2(CIS)、CuGaSe2(CGS)、Cu(In,Ga)Se2(CIGS)、Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSS)、CdTe和非晶矽。其他的實施例可包括其他的吸收層材料。
在又另一實施例中，可藉由不同的技術形成吸收層120，以提供適合之組成均勻性。例如共同蒸鍍(coevaporate)Cu、In、Ga和Se2且同時藉由化學氣相沉積法(CVD)供給，後續加熱至400℃~600℃之溫度。在其他的實施例中，先供給Cu、In和Ga，後續將吸收層於Se氣氛下進行退火(溫度為400℃~600℃)。
在其他的實施例中使用例如化學氣相沉積法、印刷法、電極沈積(electrodeposition)或類似的技術形成吸收層120。
吸收層120之厚度為奈米或微米的級數，例如為約0.5nm至約10μm。在一些實施例中，吸收層120之厚度為約500nm至約2μm。
形成緩衝層130於吸收層120上。在一些實施例中，緩衝層130可以為CdS、ZnS、ZnSe、In2S3、In2Se3或Zn1-xMgxO(例如ZnO)。本揭示可使用其他適合之緩衝層材料。緩衝層130之厚度為奈米的級數，例如在一些實施例中，為約5nm至約100nm。
可使用適合的製程形成緩衝層130，例如濺鍍法或化學氣相沉積法。例如，在一些實施例中，緩衝層130可以為例如包括CdS、ZnS或混合CdS和ZnO之層，其可以水熱反應 (hydrothermal reaction)或化學浴沉積法(chemical bath deposition)於一溶液中形成。例如，在一些實施例中，緩衝層130為包括ZnS之薄膜，形成於包括CIGS之吸收層120上。緩衝層130可於包括ZnSO4、氨和硫脲之水溶液中於攝氏80度形成。在一些實施例中，適合的溶液條件為0.16M的ZnSO4、7.5M的氨和0.6M的硫脲。
包括複數個奈米粒子150(例如金屬奈米粒子)之電漿子奈米結構層140可幫助光伏發電裝置100更有效率的吸收光。矽本身不能非常有效率的吸收光。因此，希望能形成更多的散射光穿過基底的表面，以增加吸收。金屬奈米粒子可幫助將入射的光散射穿過基底表面。當光線之光子撞擊這些金屬奈米粒子(在其表面電漿共振激發)，光會散射成許多不同的方向。這會使得光穿過光伏發電裝置100，且於基底105和奈米粒子150間反彈，使得光伏發電裝置100吸收更多的光。在另一實施例中，金屬奈米粒子之表面電漿共振可以激發金屬奈米粒子周圍之局部電磁場增強的效應(local field enhancement)，而此現象亦增加光吸收層吸收光子的量。於光伏發電裝置100使用電漿子奈米結構層140可不需使用厚的吸收層120(特別是對於薄膜式太陽能電池)。
可使用適合的濕式製程於光伏發電裝置100形成電漿子奈米結構層140，例如旋轉塗佈、沉浸塗佈、噴射塗佈、刮刀塗佈、滾軸塗佈、網版塗佈或類似的技術。在一實施例中，將四氯金酸三水合物(HAuCl4．3H2O)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和檸檬酸三鈉(Na3C6H5O7．2H2O)溶解於純水中製備金 奈米粒子溶液，後續於110℃之溫度進行退火。溶液於6000rpm之轉速進行離心20分鐘，以移除剩餘的CTAB界面活化劑。將上層溶液倒出之後，將沈澱物再次分散於去離子水中，以進行另一次分離。所形成之金奈米粒子尺寸為約30nm至約50nm。使用的金奈米粒子的最終濃度為1012cm-3。旋轉塗佈例如金奈米粒子溶液於緩衝層130的頂部，以600RPM之轉速進行60秒，以製作電漿子奈米結構層140。後續將樣品於110℃退火30分鐘。
在一些實施例中，沉積分散於溶液中之奈米粒子150形成電漿子奈米結構層140。例如，於一包括金奈米粒子中溶液中在一電場下於一緩衝層130上沉積電漿子奈米結構層140。在其他的實施例中，可對金屬薄膜(一般小於20nm)進行熱退火製備電漿子奈米結構層140，然而，此方法可能會對裝置造成熱損壞，因此降低裝置的效能。
電漿子奈米結構層140之奈米粒子150可以為奈米管(nanotube)、奈米板(nanoplatelet)、奈米棒(nanorod)、奈米顆粒(nanoparticle)、奈米片(nanosheet)的型態或任何其他的形狀或上述的組合。電漿子奈米結構層140之奈米粒子150可包括碳、石墨、金屬或任何無機或有機之導電材料。在一些實施例中，電漿子奈米結構層140之奈米粒子150包括以下金屬：例如Au、Ag、Cu、Pt、Al，上述之組合或類似的材料。在一些實施例中，電漿子奈米結構層140之奈米粒子150包括以下介電材料：例如SiO2、Si3N4或TiO2。在另外其他實施例中，電漿子奈米結構層140之奈米粒子150包括石墨奈米片、奈米碳管或銀奈 米粒子。根據一實施例，奈米碳管可分散於一水溶液中，其包括例如界面活性劑之擴散劑。例如：在一些實施例中，奈米碳管使用界面活性劑分散於去離子水中。界面活性劑之範例包括但不限於丁氧乙醇(butoxyethanol)、四甲基-5-癸炔-4,7-二醇(tetramethyl-5-decyne-4,7-diol)、α-(4-壬基苯基)-ω-羥基聚(氧基-1,2-亞乙基)(alpha-(nonylphenyl)-omega-hydroxy-poly(oxy-1,2-ethanediyl))。在一些實施例中，奈米粒子150的尺寸可以為約5nm至約250nm。
光伏發電裝置100係沉浸於包括分散奈米粒子150的溶液中，且分散奈米粒子150係沉積於緩衝層130的表面。
在一實施例中，如第2圖所示，電漿子奈米結構層140形成於緩衝層130上。在另一實施例中，如第3圖所示，電漿子奈米結構層140形成於背接觸層110上。第3圖的結構可具有較大的效能優勢，理由是其排除了可能產生的光損失之背散射不良效應。在又另一實施例中，如第4圖所示，電漿子奈米結構層140形成於吸收層120上。在又另一實施例中，如第5圖所示，電漿子奈米結構層140鑲嵌於前接觸層160之兩個子層間。在又另一實施例中，如第6圖所示，電漿子奈米結構層140形成於前接觸層160上。
請再參照第2圖，在於緩衝層130上形成電漿子奈米結構層140之後，形成前接觸層160於光伏發電裝置100上。前接觸層160可包括單一層或形成於電漿子奈米結構層140上之複數層。前接觸層160適合材料之範例包括但不限於透明導電氧化物、例如氧化銦錫(ITO)、摻雜氟之氧化銦錫(FTO)、摻 雜鋁之氧化鋅(AZO)、摻雜鎵之氧化鋅(GZO)、鋁和鎵共摻雜之氧化鋅(AGZO)、摻雜硼之氧化鋅(BZO)和任何上述之組合。前接觸層160適合之材料亦可為為一複合材料，包括至少一透明導電氧化物(TCO)和其他的導電材料，其不會顯著的減少前接觸層160之導電性和光學穿透特性。前接觸層160之厚度是奈米或微米的等級，例如在一些實施例中約0.3nm至2.5μm的範圍。
本揭示實施例包括以下之一個或多個優點。
藉由避免使用濺鍍或熱蒸鍍方法形成電漿子金屬奈米粒子層，本揭示之一個或多個實施例避免對太陽能電池造成額外的損害。
藉由避免使用濺鍍或熱蒸鍍方法形成電漿子金屬奈米粒子層，本揭示之一個或多個實施例避免高製作成本。
雖然以上描述特定的範例，在此描述的方法和結構可應用於廣泛的薄膜電晶體電池，例如矽薄膜電池；硒化銅銦鎵(CIGS)太陽能電池；異質接面薄本質層太陽能電池；有機薄膜太陽能電池；銅銦鎵硒(CuInGaSe2)薄膜太陽能電池或類似的太陽能電池。
本揭示描述各種的示範實施例。根據一實施例，一種光伏發電裝置，包括：一基底；一背接觸層，位於基底上；一吸收光之吸收層，位於背接觸層上；一緩衝層，位於吸收層上；一前接觸層，位於緩衝層上；一電漿子奈米結構層，具有複數個奈米粒子，其中電漿子奈米結構層位於背接觸層之一最頂層之表面和吸收層間。
在一些實施例中，複數個奈米粒子包括不同尺寸的粒子。
在一些實施例中，複數個奈米粒子包括不同形狀的粒子。
在一些實施例中，複數個奈米粒子包括不同金屬成份的粒子。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層包括以下型態的粒子：奈米管、奈米板、奈米棒、奈米顆粒、奈米片或上述之組合。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層包括石墨奈米片、奈米碳管(CNT)或銀奈米粒子。
在一些實施例中，奈米粒子包括以下金屬粒子：Au、Ag、Cu、Pt、Al或上述之組合。
在一些實施例中，上述奈米粒子之尺寸為約5nm至約250nm。
在一些實施例中，上述奈米粒子包括不同尺寸的粒子、不同形狀的粒子和不同金屬成分的粒子。
根據另一實施例，本揭示提供一種光伏發電裝置之製作方法，包括：形成一背接觸層於一基底上；形成一吸收光之吸收層於背接觸層上；形成一緩衝層於吸收層上；以一濕式製程，形成具有複數個奈米粒子之一電漿子奈米結構層於背接觸層上方；及形成一前接觸層於緩衝層上。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層係形成於背接觸層和吸收層間。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層係形成於吸收層上。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層係形成於緩衝層上。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層係形成於前接觸層中。
在一些實施例中，電漿子奈米結構層係形成於前接觸層上。
在一些實施例中，濕式製程包括化學浴沉積法、旋轉塗佈、沉浸塗佈、噴射塗佈、刮刀塗佈、滾軸塗佈、網版塗佈或印刷製程。
在一些實施例中，濕式製程包括使用含金奈米粒子之溶液旋轉塗佈電漿子奈米結構層於緩衝層上，含金奈米粒子之溶液之金奈米粒子尺寸為約30nm至約50nm，且金奈米粒子的濃度為約1012cm-3。
在一些實施例中，上述方法更包括對旋轉塗佈之電漿子奈米結構層進行退火。
在一些實施例中，濕式製程包括於一包括金奈米粒子之溶液中沉積奈米粒子，該沉積係於一電場下進行。
雖然本揭示之較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本揭示，任何熟習此領域之技術者，在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光伏發電裝置
105‧‧‧基底
110‧‧‧背接觸層
120‧‧‧吸收層
130‧‧‧緩衝層
140‧‧‧電漿子奈米結構層
150‧‧‧奈米粒子
160‧‧‧前接觸層

Claims (10)

  1. 一種光伏發電裝置，包括：一基底；一背接觸層，位於該基底上；一吸收光之吸收層，位於該背接觸層上；一緩衝層，位於該吸收層上；一前接觸層，位於該緩衝層上；以及一電漿子奈米結構層，具有複數個奈米粒子，其中該電漿子奈米結構層位於該背接觸層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光伏發電裝置，其中該些奈米粒子可以包括不同尺寸的粒子，不同形狀的粒子，不同金屬成分的粒子，或上述之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光伏發電裝置，其中該電漿子奈米結構層包括以下型態的粒子：奈米管、奈米板、奈米棒、奈米顆粒、奈米片或上述之組合。
  4. 一種光伏發電裝置之製作方法，包括：形成一背接觸層於一基底上；形成一吸收光之吸收層於該背接觸層上；形成一緩衝層於該吸收層上；以一濕式製程，形成具有複數個奈米粒子之一電漿子奈米結構層於該背接觸層上方；以及形成一前接觸層於該緩衝層上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該電漿子奈米結構層係形成於該背接觸層和該吸收層 間。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該電漿子奈米結構層係形成於該吸收層上。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該電漿子奈米結構層係形成於該緩衝層上。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該電漿子奈米結構層係形成於該前接觸層中。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該電漿子奈米結構層係形成於該前接觸層上。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之光伏發電裝置之製作方法，其中該濕式製程包括於一包括金奈米粒子之溶液中沉積奈米粒子，該沉積係於一電場下進行。
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