TWI381537B - 太陽能電池裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於太陽能電池裝置的製作，且特別係關於具有較佳抗電漿特性之透明導電薄膜結構之一種太陽能電池裝置及其製造方法。
近年來透明導電薄膜的應用領域及需求量不斷地擴大，其不僅應用於如平面顯示面板(Fat Display Panel)中的液晶顯示器(Liquid Crystal Display)、電致發光顯示面板(Electro Luminescence Panel)、電漿顯示面板(Plasma Display Panel)、場發射顯示器(Field Emission Display)、觸控式面板等顯示裝置方面，其亦應用於如太陽能電池之其他電子產品的應用。
第1圖為一剖面圖，顯示了於一習知太陽能電池裝置內之透明導電薄膜的應用情形。如第1圖所示，在此太陽能電池裝置係繪示為一矽薄膜太陽能電池(silicon thin film solar cell)裝置100，包括依序堆疊於玻璃基板102上之氟氧化錫(fluorine tin oxide,FTO)材質之透明導電層104、非晶矽薄膜(amorphous silicon thin film)光電轉換元件150與電極層112等主要構件。在此，非晶矽薄膜光電轉換元件150包括依序堆疊設置於透明導電層104上之一p型非晶矽層106、一本徵(intfinsic)非晶矽層108與一n型非晶矽層110等構件。
請參照第1圖，採用氟氧化錫材質之透明導電層104具有良好的光捕獲特性，因而有助於提升非晶矽薄膜光電轉換元件150對於來自於玻璃基板102外如太陽光之入射光180的光使用率。然而，於矽薄膜太陽能電池裝置100的製作過程中，由於光電轉換元件150內p型非晶矽層106、本徵非晶矽層108與n型非晶矽層110等膜層係採用電漿加強型化學氣相沈積程序所形成，而透明導電層104內之氟氧化錫對於上述電漿加強型化學氣相沈積程序內所應用之氫電漿的耐受度不佳，故常於光電轉換元件150形成後劣化了透明導電層104的導電度及透光度，進而對於透明導電層104內之氟氧化錫材質造成毀損，如此將會影響矽薄膜太陽能電池裝置100的光電轉換效率。
因此，便需要一種電漿耐受度較佳之透明導電層，以利應用電漿薄膜製程之太陽能電池裝置的製作。
有鑑於此，本發明提供了一種太陽能電池裝置及其製造方法，已解決上述習知問題。
依據一實施例，本發明提供了一種太陽能電池裝置，包括：一透明基板；一複合透明導電層，設置於該透明基板之上，其中該透明導電層包括堆疊於該透明基板上一第一透明導電層以及一第二透明導電層，而該第一透明導電層之材質為鋰摻雜氟氧化錫，而該第二透明導電層之材質係擇自氧化鋅與二氧化鈦所組成族群；一光電轉換元件，設置於該複合透明導電層之上；以及一電極層，設置於該光電轉換元件之上。
依據另一實施例，本發明提供了一種太陽能電池裝置之製造方法，包括：提供一透明基板；形成一第一透明導電層於該透明基板上，其中該第一透明導電層之材質為鋰摻雜氟氧化錫；形成一第二透明導電層於該第一透明導電層上，其中該第二透明導電層之材質係擇自氧化鋅與二氧化鈦所組成族群；形成一光電轉換元件於該第二透明導電層之上；以及形成一電極層於該光電轉換元件之上。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
本發明之實施例將藉由下文並配合第2-9圖加以解說。
請參照第2-5圖，顯示了依據本發明一實施例之太陽能電池裝置之製造方法。
請參照第2圖，首先提供一透明基板202，例如一玻璃基板、高分子膜片基板或一軟性基板。接著，施行一薄膜沈積程序204，以於透明基板202上形成第一透明導電膜層206。薄膜沈積程序204例如為化學噴霧程序或大氣化學合成程序，所形成之第一透明導電層206之材質例如為鋰摻雜氟氧化錫(lithium doped fluorine tin oxide,Li-F:SnO2
)，且第一透明導電層206具有約介於10-3000奈米之厚度。於一實施例中，當採用化學噴霧程序形成第一透明導電層204時，可於介於200℃~650℃之溫度下利用如震盪頻率介於1.5KHz~2.6MHz之霧化器或具有小於10微米開口之精密噴嘴將混有如空氣、氧氣、氮氣之載氣與如Sn(OH)4
、NH4
F、LiF、Li(OH)等反應氣體之混合氣體所產生之尺寸介於0.1~50微米之霧滴形成經加熱之透明基板202上，進而形成了第一透明導電層204。
請參照第3圖，接著施行一薄膜沈積程序208以於第2圖所示結構之第一透明導電膜層206上形成第二透明導電膜層210。在此，沈積程序208例如為濺鍍程序、化學凝膠程序、噴霧程序或蒸鍍程序，而所形成之第二透明導電層210之材質例如為氧化鋅或二氧化鈦，且第二透明導電層210具有約介於10-3000奈米之厚度。
在此，第一透明導電層206與第二透明導電層210構成一複合透明導電層212，其中第一透明導電層206之晶粒尺寸大於該第二透明導電層210之晶粒尺寸，故第一透明導電層206之表面較為粗糙且具有較高之霧度(haze level)，藉以散射入射於太陽能電池裝置內之光線(未顯示)至後續膜層之中及提升光電轉換效率。於第二透明導電層210內可更摻雜有鋁、鎵、硼、氟、鋰或其組合元素。第一透明導電層206之表面粗糙度不低於15RMS，其較佳值介於45~60RMS，第二透明導電層210表面粗糙度不高於20RMS，其較佳值介於8~15(RMS)。
藉由上述組合，複合透明導電層212可具有不高於30Ω/□之片電阻以及不低於60%之可見光穿透率，其片電阻較佳地介於3~15Ω/□，以及可見光穿透率較佳地介於60~70%。
請參照第4圖，接著施行一薄膜沈積程序214以於第3圖所示結構之第二透明導電膜層210上形成光電轉換元件250。在此，光電轉換元件250係繪示為一非晶矽p-i-n光電結構，但並不以此結構加以限定本發明，其亦可採用如染料敏化太陽電池(Dye Sensitized Solar Cell，DSSC)、微晶矽(Nanocrystalline silicon)、多層堆疊(Tandem)之其他形態之光電結構。於薄膜沈積程序214中首先形成一p型非晶矽層216於第二透明導電層210上，接著形成一本徵(intrinsic，即未經摻質摻雜)非晶矽層218於p型非晶矽層216上，接著形成一n型非晶矽層220於本徵非晶矽層218上。薄膜沈積程序214可於同一製程機台內完成，而構成光電轉換元件250之三個膜層可臨場地於薄膜沈積時完成特定電性摻質之摻雜而不需要施行額外之離子佈植步驟，因而可簡化光電轉換元件250之製程。在此，薄膜沈積程序214例如為電漿加強型化學氣相沈積法，其應用矽甲烷作為反應氣體，故會產生氫電漿。
請參照第5圖，接著施行一薄膜沈積程序222以於第4圖所示結構內之光電轉換元件250上形成電極層224。在此，薄膜沈積程序222例如為濺鍍法，而電極層224之材質則例如為鋁(Al)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、銀(Ag)。如第5圖所示，製程至此，便大體完成了一太陽能電池裝置200的備，來自於外界之光線280則可穿過透明基板202與複合透明導電層212後抵達光電轉換元件250處進行生電反應。於本發明中，太陽能電池裝置200係應用了包括之複合透明導電層212，其內係使用鋰摻雜氟氧化錫材質之第一透明導電層206以及如氧化鋅材質之第二透明導電層210，其利用鋰摻雜氟氧化錫材質對於光線之良好光捕獲性質以製作出具有不同表面形貌與霧度(Haze)膜層，並利用後續形成於其上之氧化鋅材質之第二透明導電層210以提供良好的導電特性與絕佳的抗氫電漿裂化的性質，結合這兩種材料的特殊性質製作出同時具有良好光捕獲性、高導電率與高氫電漿耐受性的複合高效能透明導電電極，此種新型結構之透明電極將可以提升太陽能電池裝置之元件效能。
混合0.5莫耳的SnCl2
‧5H2
O與0.125莫耳的NH4
F摻雜，加入25%的LiCl並將之與水溶液置於一容器內。另以空氣同時通入微型液滴霧化器，藉由霧化器將Sn(OH)4
與空氣做一均云混合後，調整霧化器噴出之流量為20L/min，以得到一尺寸介於5~8微米之氣懸膠氣流。接著，將氣懸膠氣流直接導入於被加熱之結構化玻璃材質試片做化學氣相沈積，以形成氧化錫主成份的透明導電膜。上述霧化器之震盪頻率為1000KHz。上述導入氣懸膠氣流於被加熱之結構化試片之溫度為400℃。
混合0.5莫耳醋酸鋅與0.1莫耳硝酸鋁摻雜，與水溶液置於一容器內。另以空氣同時通入微型液滴霧化器，藉由霧化器將Zn(OH)2與空氣做一均云混合後，調整霧化器噴出之流量為20L/min，以得到一尺寸介於5~8微米之氣懸膠氣流。接著，將氣懸膠氣流直接導入於被加熱之結構化玻璃材質試片做化學氣相沈積，以形成鋁氧化鋅(AZO)成份的透明導電膜。上述霧化器之震盪頻率為1000KHz。上述導入氣懸膠氣流於被加熱之結構化試片之溫度為500℃。或利用磁控濺鍍方式，利用150瓦的電漿能量在5mTorr的操作壓力與200℃的溫度下，將鋁氧化鋅薄膜沉積在鋰摻雜氟氧化錫薄膜上，其沉積時間為5~10min。
混合0.4莫耳的SnCl2
‧5H2
O與0.1莫耳的NH4
F摻雜與水溶液置於一容器內。另以空氣同時通入微型液滴霧化器，藉由霧化器將Sn(OH)4
與空氣做一均云混合後，調整霧化器噴出之流量為20L/min，以得到一尺寸介於5~8微米之氣懸膠氣流。接著，將氣懸膠氣流直接導入於被加熱之結構化玻璃材質試片做化學氣相沈積，以形成氧化錫主成份的透明導電膜。上述霧化器之震盪頻率為1000KHz。上述導入氣懸膠氣流於被加熱之結構化試片之溫度為420℃。
第6圖為比較例1與實施例1的霧度測試光譜，其採用氘氣燈源與可見光譜電荷耦合元件偵測器(CCD detector)與ASTM D1003-95量測方法，在可見光波長(400~700nm)間可發現實施例1的霧度值較比較例1高約4倍。
第7圖為比較例1與實施例1的可見光穿透光譜分析，其採用氘氣燈源與可見光譜電荷耦合元件偵測器(CCD detector)與ASTM C1649量測方法，在可見光波長(400~700nm)間實施例1與比較例1的穿透率相差不高於5%，而於光波長於550nm的可見光穿透率約為78%。
第8圖與第9圖為實施例1內之試片在氫氣電漿處理後片電阻與可見光(550nm)穿透率的分析，氫氣電漿處理採用電漿輔助化學氣相沉積系統(PECVD)通入100%氫氣氣體處理1~30分鐘，在片電阻變化率上可以清楚的看到實施例1之薄膜結構，對於氫氣電漿的處理不但不會損害其電阻特性反而會有改善的效果，片電阻值由原先的7.8Ω/□下降至6.7Ω/□，同樣的現象也發生在光穿透率的圖譜上，其可見光穿透率由原先的75%提升至80%。
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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．矽薄膜太陽能電池裝置
102．．．玻璃基板
104．．．氟氧化錫材質之透明導電層
106．．．p型非晶矽層
108．．．本徵非晶矽層
110．．．n型非晶矽層
112．．．電極層
150．．．光電轉換元件
180．．．入射光
200．．．非晶矽太陽能電池裝置
202．．．透明基板
204、208、214、222．．．薄膜沈積程序
206．．．第一透明導電層
210．．．第二透明導電層
212．．．複合透明導電層
216．．．p型非晶矽層
218．．．本徵非晶矽層
220．．．n型非晶矽層
224．．．電極層
250．．．光電轉換元件
280．．．光線
第1圖為一剖面圖，顯示了一種習知太陽能電池裝置；
第2-5圖顯示了依據本發明一實施例之太陽能電池裝置之製造方法；
第6圖顯示了依據本發明一實施例與一比較例之太陽能電池裝置內所應用之透明導電層之霧度測試結果；
第7圖顯示了依據本發明一實施例與一比較例之太陽能電池裝置內所應用之透明導電層之可見光穿透率測試結果；
第8圖顯示了依據本發明一實施例太陽能電池裝置內所應用之透明導電層之氫電漿處理之片電阻測試結果；以及
第9圖顯示了依據本發明一實施例太陽能電池裝置內所應用之透明導電層之氫電漿處理之可見光穿透率測試結果。
200．．．太陽能電池裝置
202．．．透明基板
222．．．薄膜沈積程序
206．．．第一透明導電層
210．．．第二透明導電層
212．．．複合透明導電層
216．．．p型非晶矽層
218．．．本徵非晶矽層
220．．．n型非晶矽層
224．．．電極層
250．．．光電轉換元件
280．．．光線
Claims (23)
- 一種太陽能電池裝置，包括：一透明基板；一複合透明導電層，設置於該透明基板之上，其中該透明導電層包括堆疊於該透明基板上一第一透明導電層以及一第二透明導電層，而該第一透明導電層之材質為鋰摻雜氟氧化錫，而該第二透明導電層之材質係擇自氧化鋅與二氧化鈦所組成族群；一光電轉換元件，設置於該複合透明導電層之上；以及一電極層，設置於該光電轉換元件之上。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該第一透明導電層之晶粒尺寸大於該第二透明導電層之晶粒尺寸。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該透明基板為一玻璃基板、高分子膜片或一軟性基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該第二透明導電層摻雜有鋁、鎵、硼、氟、鋰或其組合元素。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該第一透明導電層具有介於10-3000奈米之一厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該第二透明導電層具有介於10-3000奈米之一厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該光電轉換元件包括依序堆疊於該複合透明導電層上之一p型非晶矽層、一本徵非晶矽層與一n型非晶矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該電極層包括鉬金屬。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該複合透明導電層具有不高於30Ω/□之片電阻。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池裝置，其中該複合透明導電層具有不低於60%之可見光穿透率。
- 一種太陽能電池裝置之製造方法，包括：提供一透明基板；形成一第一透明導電層於該透明基板上，其中該第一透明導電層之材質為鋰摻雜氟氧化錫；形成一第二透明導電層於該第一透明導電層上，其中該第二透明導電層之材質係擇自氧化鋅與二氧化鈦所組成族群；形成一光電轉換元件於該第二透明導電層之上；以及形成一電極層於該光電轉換元件之上。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第一透明導電層係藉由化學噴霧法或大氣化學合成法所形成。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第二透明導電層係藉由濺鍍法、化學凝膠法、噴霧法或蒸鍍法所形成。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中形成該光電轉換元件於該第二透明導電層之上包括：形成一p型非晶矽層於該第二透明導電層上；形成一本徵非晶矽層於該p型非晶矽層上；以及形成一n型非晶矽層於該本徵非晶矽層上。
- 如申請專利範圍第14項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該p型非晶矽層、該本徵非晶矽層與該n 型非晶矽層係藉由電漿加強型化學氣相沈積法。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第一透明導電層之晶粒尺寸大於該第二透明導電層之晶粒尺寸。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該透明基板為一玻璃基板、高分子膜片或一軟性基板。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第二透明導電層更摻雜有鋁、鎵、硼、氟、鋰或其組合元素。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第一透明導電層具有介於10-3000奈米之一厚度。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第二透明導電層具有介於10-3000奈米之一厚度。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該電極層包括鉬金屬。
- 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該第一透明導電層與該第二透明導電層構成一複合透明導電層，而該複合透明導電層具有不高於30Ω/□之片電阻。
- 如申請專利範圍第22項所述之太陽能電池裝置之製造方法，其中該複合透明導電層具有不低於60%之可見光穿透率。
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