TW201521214A - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Tzu-Huan Cheng
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Abstract

本揭露描述太陽能電池裝置及其製造方法。此太陽能電池包括背接觸，於背接觸上有吸收層，以及吸收層上有前接觸。背接觸包括背電極層及石墨烯層。

Description

太陽能電池及其製造方法
本揭露是有關於光伏太陽能電池及模組及其製造方法，且特別是有相關於提升裝置效能之太陽能電池次結構，例如：含有背接觸之結構。
太陽能電池是經由光伏(photovoltaic,PV)作用，自陽光直接產生電流之電子裝置。太陽能電池包括介於前及後接觸層之間的吸收層。吸收層吸收陽光轉換為電流，前及背接觸層協助光捕捉與光電流萃取，並提供電接觸至太陽能電池。背接觸層接觸吸收層反相於照光處之一側。可經由個別之內連接結構串聯複數個太陽能電池形成太陽能模組，且複數個太陽能模組可連接形成陣列。
有鑑於對乾淨能源的需求成長，太陽能電池的製造於近年內急遽地擴張，並持續拓展中。目前已有各種型態之太陽能電池及太陽能電池次結構，且未來亦持續進行開發以致力於提昇太陽能電池、模組及系統之效能。
在一些實施例中，提供一種太陽能電池。此太陽能電池包括背電極層及至少一層石墨烯層之背接觸、位於背接觸上之吸收層、及位於吸收層上之前接觸。
在一些實施例中，石墨烯層係於背電極層之上。
在一些實施例中，石墨烯層係於背電極層之下。
在一些實施例中，石墨烯層係具有介於約10-6Ω．cm至約10-4Ω．cm之電阻值。
在一些實施例中，石墨烯層具有介於1nm~100nm之厚度。
在一些實施例中，背電極層包括金屬。
在一些實施例中，背電極層具有介於約10-4Ω．cm至約10-2Ω．cm之電阻值。
在一些實施例中，背電極層形成分佈式布拉格反射器。
在一些實施例中，背電極層包括複數個堆疊之分佈式布拉格反射層。
在一些實施例中，複數個堆疊之分佈式布拉格反射層包括一介於2到10層之偶數層。
在一些實施例中，複數個堆疊之分佈式布拉格反射層具有一光學反射為80%或更高。
在一些實施例中，提供一種製造太陽能電池之方法。此方法包括於基底上形成背接觸層，經由沈積背電極層及石墨烯層於基底上；形成吸收層於背接觸層上；以及形成前接觸層於吸收層上。
在一些實施例中，背電極層包括金屬，其具有比鉬(Mo)更高之電阻值。
在一些實施例中，沈積步驟之執行係為一次序依 序包括：沈積背電極層；以及沈積石墨烯層於背接觸層上。
在一些實施例中，沈積步驟之執行係為一次序依序包括：沈積石墨烯層；以及沈積背電極層於石墨烯層上。
在一些實施例中，沈積背電極層之步驟包括沈積複數個分佈式布拉格反射(DBR)層於基底上。
在一些實施例中，分佈式布拉格反射層沈積步驟包括：沈積第一分佈式布拉格反射材料於基底上及沈積第二分佈式布拉格反射材料於第一分佈式布拉格反射材料上。
在一些實施例中，分佈式布拉格反射層沈積步驟之執行係為一次序依序包括：沈積第一分佈式布拉格反射材料於基底上及沈積第二分佈式布拉格反射材料於第一分佈式布拉格反射材料上，並重複此次序至少一次。
在一些實施例中，提供一種製造太陽能電池之方法。此方法包括：提供基底；形成背接觸於基底上，經由沈積背電極層及石墨烯層於基底上；形成吸收層於背接觸上；形成緩衝層於吸收層上；以及形成前接觸層於緩衝層上。
在一些實施例中，石墨烯層直接接觸於背電極層之上表面或下表面；且石墨烯層之電阻值較背電極層更低。
10‧‧‧太陽能電池
15‧‧‧基底
20‧‧‧背接觸
21‧‧‧背電極層
22‧‧‧分佈式布拉格反射層
22a‧‧‧第一分佈式布拉格反射材料
22b‧‧‧第二分佈式布拉格反射材料
23‧‧‧分佈式布拉格反射層
25‧‧‧石墨烯層
30‧‧‧吸收層
40‧‧‧緩衝層
50‧‧‧前接觸
110、120、128、130、140、145、150、155、160‧‧‧步驟
121、125‧‧‧次步驟
以下搭配附圖對本揭露作詳細說明。須強調的是，根據常規的作法，圖式中各種特徵並未依比例繪示。相反地，為清楚起見，各種特徵之尺寸可能任意擴張或縮小。說明書及圖式中以相似之元件符號標示相似之特徵。
第1圖為文中所述太陽能電池剖面圖。
第2圖為文中所述太陽能電池背接觸層及吸收層剖面示意圖。
第3圖為文中所述太陽能電池背接觸層及吸收層剖面示意圖。
第4圖為文中所述太陽能電池背接觸層及吸收層剖面示意圖。
第4A圖為第4圖中背接觸層及吸收層示例之剖面示意圖。
第5圖為文中所述太陽能電池之背接觸層及吸收層之剖面示意圖。
第6圖為文中所述製造太陽能電池之方法流程圖。
第7圖為文中所述製造太陽能電池之方法流程圖。
於描述中，相對性用語例如：”較低”、”較高”、”上方”、”之上”、”之下”、”上”、”下”、”頂部”、”底部”及其衍生詞(例如：”向下”、”向上”等)，應依據後續所描述或該討論所附圖式所顯示之位向建構。這些相對用語是方便描述而非限制裝置必須建構或操作於一特定方向。關於連接、耦合及其類似用詞，例如：”連接的”和”相互連接的”，除非另有明確說明，其指的是結構之間可直接地或透過中間結構間接地，彼此固定或貼合，並包含可移動的或不可移動的貼合或關係。
本揭露提供改良之光伏太陽能電池裝置，以及製造此裝置及次結構之方法。串聯電阻(Rs)及短路電流密度(Jsc)是功率提升之主要因素，而本揭露提供薄膜太陽能電池改善之短路電流密度及較低串聯電阻以提升模組效率。雖以下描述特 定薄膜太陽能電池之示例，但文中所述之結構及方法可應用於廣泛之薄膜太陽能電池種類，包括：黃銅礦基(chalcopyrite-based)太陽能電池，例如：銅銦鎵硒[Cu(In,Ga)Se2,CIGS]、銅銦硒(CuInSe2)、銅鎵硒(CuGaSe2)、銅銦鎵硒[Cu(In,Ga)(Se,S)2]、及其相似者、非晶形矽薄膜、含pn接面之碲化鎘(cadmium telluride,CdTe)、p-i-n結構、MIS結構、多接面(multi-junction)、或其相似者。
第1圖根據本揭露顯示太陽能電池裝置10。太陽能 電池10包括：背接觸20、位於背接觸20上之吸收層30、以及位於吸收層30上之前接觸50。在一些實施例中，太陽能電池10包括：基底15、位於基底15上之背接觸20、位於背接觸20上之吸收層30、位於吸收層30上之緩衝層40，以及位於緩衝層上之前接觸50。
在一些實施例中，基底15可包括：玻璃[例如：鈉 鈣玻璃或無鈉(高應變點)玻璃]、可撓金屬箔片或高分子[例如：聚醯亞胺(polyimide)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalene,PEN)]、或其他合適之基底材料。
在一些實施例中，背接觸20為集成(integrated)背接觸20，包括：背電極層21與石墨烯層(Graphene)25之集成。石墨烯為碳的同素異形體，其碳原子排列成六邊形圖案。石墨烯層25包含石墨烯或含有石墨烯的化合物，例如：石墨烯氧化物。在一些實施例中，石墨烯層具有介於約1-100nm之厚度。於本文中，用語”約”包括相對於額定值(nominal value)具有微 小偏移之厚度。例如：正/負1nm或正/負2nm或正/負5nm之偏移。在一些實施例中，石墨烯層25可具有低串聯電阻。舉例而言，石墨烯層25可具有介於約10-6Ω．cm至約10-4Ω．cm之電阻值，或石墨烯層25可具有介於約10-6Ω．cm至約10-5Ω．cm之電阻值。
於本文中，”集成”之用語是指石墨烯層25相鄰或連 接至背電極層21形成背接觸20。第2-5圖顯示太陽能電池10中石墨烯層25及背電極層21之各種組態。為使繪圖簡潔容易，第2-5圖並未繪示切割線(scribe line)P1-P3。在一些實施例，如第2圖所示，石墨烯層25與背電極層21沿著背電極層之上表面集成。在一些實施例，如第3圖所示，石墨烯層25與背電極層21沿著背電極層之下表面集成。其他實施例中(未顯示)，石墨烯層25與背電極層21沿著背電極層之部份上表面或部份下表面或於背電極層21之內集成。
背電極層21包括適合之導電材料，例如：金屬及 金屬前驅物。在一些實施例中，背電極層21可包括：鉬(Mo)、鉑(Pt)、金(Au)、鎳(Ni)、或銅(Cu)。在其他實施例中，可選用較高反射率(reflectivity)之金屬作為背電極層21。在一些實施例中，背電極層21可包含反射率高於鉬之材料。舉例而言：鉭(Ta)及鈮(Nb)具有比鉬更高之平均反射。因此，背電極層21可較佳包括鎢(W)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、銀(Ag)、鉻(Cr)、釩(V)、鈦(Ti)、或錳(Mn)。
在一些實施例如第4-5圖所示，背電極層21包括堆 疊層22形成分佈式布拉格反射器(distributed Bragg reflector, DBR)。堆疊層22可包括多層交錯具有不同折射率(refractive index)之材料22a、22b，或週期性變化某些介電質波導(dielectric waveguide)之特性，使波導中有效折射率產生週期性變化。各分佈式布拉格反射層邊界導致光波之部份反射。對於波長接近四倍分佈式布拉格反射層光學厚度的波，這些層可作為高品質反射器，其許多反射將與建設性干涉結合。例如：背電極層21可包括第一分佈式布拉格反射材料22a及第二分佈式布拉格反射材料22b，且第一分佈式布拉格反射材料22a及第二分佈式布拉格反射材料22b可堆疊成配對23，藉此，第一分佈式布拉格反射材料22a及第二分佈式布拉格反射材料22b形成交替層，如第4A圖所示。舉例而言，第一分佈式布拉格反射材料22a可包括碲化鋅(ZnTe)，且第二分佈式布拉格反射材料22b可包括硒化鋅(ZnSe)。背電極層21可包括任何數量之配對23。在一些實施例中，分佈式布拉格反射層22之數量可為2以上，4以上，6以上，8以上，10以上，12以上，16以上，或20以上。在一些實施例中，分佈式布拉格反射層22之數量介於2到10之間。此複數個堆疊之分佈式布拉格反射層22可具有70%以上之光學反射，或75%以上，或80%以上，或85%以上，或90%以上。例如：堆疊之分佈式布拉格反射材料可為20對ZnTe/ZnSe，並具有高於90%之反射率。
在一些實施例中，背電極層21具有介於約50nm 至2μm之厚度。在一些實施例中，背電極層21具有介於約10-4Ω．cm至約10-2Ω．cm之電阻值。於其他實施例中，背電極層21可具有高於石墨烯層25之電阻值。
在一些實施例中，吸收層30可包括p型半導體，例 如：銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe2,CIS)、銅鎵硒(CuGaSe2,CGS)、銅銦鎵硒[Cu(In,Ga)(Se,S)2,CGIS]或不定形矽。在一些實施例中，吸收層30具有介於約0.3μm至約8μm的厚度。
在一些實施例中，緩衝層40可包括n型半導體，例 如：硫化鎘(cadmium sulphide)、硫化鋅(zinc sulphide)、硫化銦[indium(III)sulfide]、硒化銦(indium selenide)、鋅鎂氧化物(Zn1-xMgxO)例如：氧化鋅、或其他適合之緩衝層材料，在一些實施例中，緩衝層40具有介於約1nm至約500nm之厚度。
在一些實施例中，前接觸50可包括適合之前接觸 材料，例如：金屬氧化物(如：銦氧化物)及摻雜之金屬氧化物(如：摻硼之氧化鋅)。適合作為前接觸50材料之範例，包括但不限於：透明導電氧化物，如：銦錫氧化物(indium tin oxide,ITO)、氟摻雜錫氧化物(fluorine-doped tin oxide,FTO)、鋁摻雜鋅氧化物(aluminum-doped zinc oxide,AZO)、鎵摻雜氧化鋅(gallium doped ZnO,GZO)、鋁鎵共摻雜氧化鋅(alumina and gallium co-doped ZnO,AGZO)、硼摻雜氧化鋅(boron doped ZnO,BZO)、及上述之組合。適合作為前接觸層50之材料亦可為複合材料，包括至少一種透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)及另一種不會明顯降低前接觸50導電性或透光性之導電材料。在一些實施例中，前接觸50為切割線P2外側約5nm至約3μm之厚度，切割線P2側壁約0.5nm至約3μm之厚度，及切割線P2底部上(直接位於背接觸層20上)約5nm至約3μm 之厚度。
如第1圖所示，太陽能電池10包括內連接結構，其 中包含稱之為P1、P2及P3的三切割線。切割線P1延伸穿過背接觸層20，並被吸收層材料填滿。切割線P2延伸穿過緩衝層40及吸收層30，並被前接觸層材料填滿。切割線P3延伸穿過前接觸層50、緩衝層40及吸收層30。
根據一些實施例，第6圖為描述製造太陽能電池10 之概括的方法100流程圖。於步驟120，背接觸20形成於基底15上。在一些實施例中，沈積背接觸層20可經由物理化學沈積(PVD)(例如：濺鍍)金屬，如：鉬(Mo)、鉭(Ta)或鎢(W)於太陽能電池基底15之上。
形成背接觸20之步驟120可包括：於次步驟121沈 積背電極層21，及於次步驟125沈積石墨烯層25。於次步驟121，沈積背電極層21可經由物理氣相沈積(PVD)(例如：濺鍍)、化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、或其他適於薄膜沈積之技術。於次步驟125，沈積石墨烯層25可經由物理氣相沈積(PVD)(例如：噴塗或旋轉塗佈)、化學氣相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、或其他適於石墨烯沈積之技術。在一些實施例中，依序執行沈積步驟121、125，包括背電極層沈積121於石墨烯層沈積125之前。於其他實施例中，石墨烯層沈積125可於背電極層沈積121之前。於其他實施例中，石墨烯層沈積125可於背電極層沈積121之前，而另一石墨烯層沈積125可於背電極層沈積121之後。
於背電極層21形成分佈式布拉格反射器22之實施 例中，沈積背電極層20之步驟121包括沈積複數個分佈式布拉格反射層23。在一些實施例中，依序執行沈積步驟121，包括沈積第一分佈式布拉格反射材料22a於基底上，再沈積第二分佈式布拉格反射材料22b於第一分佈式布拉格反射材料上。亦可重複執行此次序，即：第一分佈式布拉格反射材料22a再第二分佈式布拉格反射材料22b，以形成複數組23的層22，如第4-5圖所示。此次序可重複執行至少1次，形成4個分佈式布拉格反射層23；重複執行至少2次，形成6個分佈式布拉格反射層23；重複執行至少4次，形成10個分佈式布拉格反射層23；或5次或更多次。
步驟130，形成吸收層30於背接觸20之上。在一些 實施例中，吸收層30包括銅銦鎵硒。在一些實施例中，濺鍍複數個銅銦鎵硒前驅物於背接觸層20上。在一些實施例，濺鍍銅銦鎵硒前驅物包括銅/銦、銅鎵/銦及/或銅銦鎵。吸收層材料填滿P1切割線。於前驅物濺鍍後接續執行硒化。
步驟150，形成前接觸50於吸收層30之上。在一些 實施例，前接觸層50為濺鍍之i-ZnO或AZO。其他實施例中，前接觸層50為金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)之BZO。此前接觸層材料順應性塗佈於P2切割線之側壁及底部。
在一些實施例如第7圖所示，方法100亦可包括額 外步驟。於步驟110，可提供基底15。步驟120，如前所述，可形成背接觸20於基底15之上。步驟128，在背接觸沈積結尾時，亦形成(如：切割或蝕刻)穿過背接觸之P1切割線。步驟130，形成吸收層30於背接觸20上及填滿P1線。
步驟140，可形成緩衝層40於吸收層30之上。舉例 而言，在一些實施例中，可經由化學浴沈積(chemical bath deposition,CBD)形成緩衝層40之硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)或硫化銦(InS)。其他實施例中，沈積緩衝層40經由濺鍍或原子層沈積。沈積緩衝層40後，於步驟145形成(如：切割或蝕刻)穿過吸收層30及緩衝層40之P2切割線。
於步驟150，如前所述，可形成前接觸50於緩衝層 40之上。沈積前接觸50後，於步驟155形成(如：切割或蝕刻)穿過吸收層30、緩衝層40及前接觸50之P3切割線。
在一些實施例中步驟160，太陽能電池可經過額外 程序操作以完成此裝置及/或耦合至其他太陽能電池形成太陽能模組。舉例而言，更進一步之程序可能包括：施加乙烯醋酸乙烯酯樹脂/丁基橡膠(EVA/butyl)、疊層(lamination)、後端製程(back end processing)及形成模組。相反地，太陽能模組可串聯或並聯耦合至另一太陽能模組形成陣列。
根據本揭露之太陽能電池提供改良之電子傳輸， 例如：串聯電阻及短路電流密度。短路電流密度通常受限於銅銦鎵硒於長波區之吸收(例如：靠近能隙)。然而，本文揭露之集成背接觸可經由較高反射之材料進一步調控反射率，在避免或降低背接觸產生高串聯電阻下改善短路電流密度。尤其此集成背接觸降低背接觸電阻損失，同時降低串聯電阻及填充係數(fill factor)。
總結而言，此製造太陽能電池裝置及次結構之方 法，經由集成背接觸之高反射率及低電阻值，提昇太陽能模組 效率。此集成背接觸提供改良之串聯電阻及短路電流密度得到更高之裝置效能。此外，此高效率和有效的方法易於施行於現行之太陽能電池製造程序。舉例而言，此方法易於整合於目前銅銦鎵硒生產線。因此，本揭露之方法可於低額外成本下提供明顯之裝置改善。
對於實施例示例描述之製造技術執行，可使用任 何常見用於太陽能電池裝置製造之適宜市售儀器，或者，使用未來開發之儀器及技術。
前文僅描述本揭露之原則。應理解的是，所屬領 域之技藝人士當可設計各種排列方式，以實施本揭露之原則，而其雖未明確描述或顯示於本文之中，亦仍包括於本揭露之精神及範圍。再者，本文所有實施例和所引用之條件語言，其主旨乃僅用於明確之教示目的，及幫助讀者理解本揭露之原理和發明人對現有技術貢獻的概念，而不限於這些具體引用的示例和條件。此外，本文中原則引述、面相、本揭露之實施例以及特例舉例之敘述，亦意圖包括其結構和功能上之等同物實施方式。另外，這些等同物包括目前已知及未來開發者，亦即，不論其構造，任何可執行相同功能之元件。
雖然本揭露已由示例性實施例進行描述，但並不 侷限於此。相反地，應廣泛地解釋所附之權利要求，以包括所屬領域之技藝人士，在不脫離本揭露之範圍或其等同物範圍下，所製造之其他變化及實施例。
15‧‧‧基底
20‧‧‧背接觸
22a‧‧‧第一分佈式布拉格反射材料
22b‧‧‧第二分佈式布拉格反射材料
23‧‧‧分佈式布拉格反射層
25‧‧‧石墨烯層
30‧‧‧吸收層
40‧‧‧緩衝層
50‧‧‧前接觸

Claims (10)

  1. 一種太陽能電池，包括：一背接觸層包括一背電極層及至少一石墨烯層；一吸收層於該背接觸層上；以及一前接觸於該吸收層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該石墨烯層位於該背電極層之上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該石墨烯層位於該背電極層之下。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該石墨烯層具有一介於約10-6Ω．cm至約10-4Ω．cm之電阻值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該背電極層包括一分佈式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該背電極層包括複數個堆疊之分佈式布拉格反射(DBR)層。
  7. 一種製造太陽能電池之方法，包括：經由沈積一背電極層及一石墨烯層於一基底上，以於該基底上形成一背接觸層；形成一吸收層於該背接觸層上；以及形成一前接觸層於該吸收層上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之製造太陽能電池之方法，其中依一次序執行該沈積步驟，包括：(a)沈積該背電極層；以及 (b)沈積該石墨烯層於該背接觸層上。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之製造太陽能電池之方法，其中依一次序執行該沈積步驟，包括：(a)沈積該石墨烯層；以及(b)沈積該背電極層於該石墨烯層上。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之製造太陽能電池之方法，其中沈積該背電極層之步驟包括沈積複數個分佈式布拉格反射(DBR)層於該基底上。
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