TWI404217B - 薄膜型太陽能電池及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種太陽能電池，特別是關於一種薄膜型太陽能電池。
具有半導體特性之太陽能電池轉換光能為電能。
以下簡單解釋習知技術之太陽能電池之結構和原理。太陽能電池形成於PN-接面結構中，其中正(P)-型半導體與負(N)-型半導體形成接面。當太陽射線入射到具有PN-接面結構的太陽能電池上時，太陽射線的能量導致在半導體中產生電洞(+)和電子(-)。藉由PN-接面區域產生的電場，電洞(+)向P-型半導體方向漂移，電子(-)向N-型半導體方向漂移，其中隨著電位的出現產生電能。
太陽能電場可主要被分為晶元型(wafer type)太陽能電池和薄膜型(thin film type)太陽能電池。
晶元型太陽能電池使用晶元，其中晶元由例如矽之半導體材料製成。同時，透過在玻璃基板上形成薄膜型的半導體，可製造薄膜型太陽能電池。
考慮到效率問題，晶元型太陽能電池優於薄膜型太陽能電池。但是，在晶元型太陽能電池的實例中，由於製造製程之性能之難度，難以實現較薄之厚度。此外，晶元型太陽能電池使用高價的半導體基板，從而增加其製造成本。
雖然薄膜型太陽能電池在效率方面劣於晶元型太陽能電池，但是薄膜型太陽能電池具有可實現薄外形以及可使用低價材料之優點。因此，薄膜型太陽能電池適合批量生產。
薄膜型太陽能電池係依照以下步驟順序地被製造：形成前電極於玻璃基板上；形成半導體層於前電極上；以及形成後電極於半導體層上。
以下參考附圖描述習知技術之薄膜型太陽能電池之製造方法。
「第1A圖」、「第1B圖」、「第1C圖」以及「第1D圖」所示係為習知技術之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖。
首先，如「第1A圖」所示，前電極20形成於基板10之上。
接下來，如「第1B圖」所示，半導體層30形成於前電極20上。
然後，如「第1C圖」所示，透明導電層40形成於半導體層30之上。
然後，如「第1D圖」所示，後電極60形成於透明導電層40上。
此時，後電極60透過在透明導電層40上噴塗(printing)例如鋁或銀等金屬材料而形成，並且在預定溫度執行烘烤(baking process)製程。在烘烤製程期間，用於後電極60之例如鋁或銀等金屬材料被氧化，這樣後電極氧化物65形成於後電極60和透明導電層40之間。
後電極氧化物65包含氧化鋁或者氧化銀。然而，氧化鋁或者氧化銀之高電阻值導致後電極60的電阻增加，從而降低太陽能電池的效率。
因此，本發明係針對上述問題，本發明之目的在於提供一種薄膜型太陽能電池及其製造方法，能夠避免習知技術之一或多個問題。
本發明之目的在於提供一種薄膜型太陽能電池及其製造方法，其中緩衝層形成於後電極和透明導電層之間，從而防止後電極之氧化物之形成，以改善太陽能電池的效率。
為了獲得本發明的這些目的和其他優點，現對本發明作具體化和概括性的描述，本發明的一種薄膜型太陽能電池包含：前電極，形成於基板之上；半導體層，形成於前電極之上；透明導電層，形成於半導體層之上；後電極，形成於透明導電層上方；以及緩衝層，形成於透明導電層和後電極之間，用於降低後電極之電阻，並且增強透明導電層和後電極之間的黏著強度。
本發明之另一方面，一種薄膜型太陽能電池之製造方法包含：形成前電極於基板上；形成半導體層於前電極上；形成透明導電層於半導體層上；形成緩衝層於透明導電層上；以及形成後電極於緩衝層上。
本發明之薄膜型太陽能電池及其製造方法具有以下優點。
首先，緩衝層形成於透明導電層和後電極之間，從而降低後電極的電阻，並且增強透明導電層和後電極之間的黏著強度。
詳細地，緩衝層係由金屬材料形成，這種金屬材料的氧化度高於後電極之材料之氧化度。因此，在用於形成後電極之烘烤製程期間，具有低電阻之金屬材料之氧化物被形成以取代後電極之材料之氧化物，從而降低後電極的電阻，以改善太陽能電池的效率。此外，透明導電層和後電極之間的黏著強度可透過緩衝層所包含的金屬材料的氧化物被增強。
此外，透明導電層和緩衝層中包含的金屬材料的氧化物均由相同材料形成，形成這兩者的步驟係透過相同裝置之連續製程而完成。
另外，緩衝層的金屬材料透過使用透明導電層之材料而形成，從而簡化製造製程。
以下，將結合圖式部份對本發明的較佳實施方式作詳細說明。其中在這些圖式部份中所使用的相同的參考標號代表相同或同類部件。
以下參考附圖描述本發明之薄膜型太陽能電池及其製造方法。
「第2圖」所示係為本發明實施例之薄膜型太陽能電池之剖視圖。
如「第2圖」所示，本發明實施例之薄膜型太陽能電池包含基板100、前電極200、半導體層300、透明導電層400、緩衝層500以及後電極600。
基板100係由玻璃或透明塑膠形成。
前電極200係由透明導電材料形成，例如氧化鋅、摻硼氧化鋅(ZnO:B)、摻鋁氧化鋅(ZnO:Al)、摻氫氧化鋅(ZnO:H)、二氧化錫(SnO2)、摻氟二氧化錫(SnO2:F)或氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)。
前電極200透過締鬈製程(texturing process)具有不均勻表面較佳。透過締鬈製程，藉由使用光刻術之蝕刻製程、使用化學溶液之各向異性蝕刻製程或者機械雕繪製程，材料層的表面具有不均勻的表面即締鬈結構。因為對前電極200完成締鬈製程，由於太陽射線的射散，太陽能電池上的太陽射線反射比被降低，太陽能電池上的太陽射線吸收比被增加，從而改善太陽能電池的效率。
半導體層300係由矽基的半導體材料形成。
半導體層300形成於PIN結構中，其中PIN結構係為P-型半導體層、I-型半導體層以及N-型半導體層依照順序沈積。在具有PIN結構之半導體層300中，P-型半導體層與N-型半導體層在I-型半導體層中產生乏區，其中出現電場。因此，太陽射線產生的電子和電洞透過此電場而漂移，漂移的電子和電洞被收集在N-型半導體層與P-型半導體層中。
為了在PIN結構中形成半導體層300，首先形成P-型半導體層，然後在其上形成I-型半導體層與N-型半導體層較佳。這是因為電洞的漂移移動性低於電子的的漂移移動性。為了最大化收集入射光的效率，P-型半導體層鄰接入射光面而放置。
透明導電層400係由例如氧化鋅(ZnO)之透明導電材料而形成。
透明導電層400使得太陽射線在所有角度散射，其中太陽射線被反射在待描述之後電極上，導致半導體層300上再次入射的太陽射線增加。
緩衝層500形成於透明導電層400和後電極600之間，其中緩衝層500可降低後電極600之電阻，並且還可增強透明導電層400和後電極600之間的黏著強度。
緩衝層500係由氧化度比後電極600的材料的氧化度高的材料形成。緩衝層500包含例如鋅之透明金屬層510較佳。因此，在形成後電極600之烘烤製程期間，氧化鋅的氧化層530被形成作為透明金屬層510之氧化物。與習知技術薄膜型太陽能電池中具有大電阻的氧化鋁或氧化銀比較，氧化鋅的氧化層530之電阻相當小。
因為緩衝層500包含順序的鋅之金屬層510和氧化鋅之氧化層530，後電極600之電阻降低，這樣太陽能電池的效率提高。此外，緩衝層500中包含的氧化層530可增強透明導電層400和後電極600之間的黏著強度。
透明導電層400係由氧化鋅形成，緩衝層500之金屬層510係由鋅形成，緩衝層500的氧化層530係由氧化鋅形成。因為緩衝層500中包含的氧化層530和透明導電層400係由相同材料形成，在相同裝置中完成連續的製程(請參考「第3A圖」、「第3B圖」、「第3C圖」、「第3D圖」、「第3E圖」與「第3F圖」)，或者緩衝層500中包含的金屬層510透過使用透明導電層400而形成(請參考「第4A圖」、「第4B圖」、「第4C圖」、「第4D圖」、「第4E圖」與「第4F圖」)，從而方便且簡單地控制製程。這點可透過以下的本發明之薄膜型太陽能電池之製造方法得以理解。
後電極600係由金屬材料形成，例如銀、鋁、銀+鉬、銀+鎳(Ag+Ni)或銀＋銅。
「第3A圖」、「第3B圖」、「第3C圖」、「第3D圖」、「第3E圖」與「第3F圖」所示係為本發明實施例之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖。
首先，如「第3A圖」所示，前電極200係形成於基板100之上。
前電極200係由透明導電材料透過濺射或有機金屬化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)形成，透明導電材料的例子為氧化鋅、摻硼氧化鋅(ZnO:B)、摻鋁氧化鋅(ZnO:Al)、摻氫氧化鋅(ZnO:H)、二氧化錫(SnO2)、摻氟二氧化錫(SnO2:F)或氧化銦錫(Indium Tin Oxide；ITO)。
為了最大化太陽射線的吸收效率，前電極200透過締捲製程具有非均勻之表面。
接下來，如「第3B圖」所示，半導體層300形成於前電極200上。
半導體層300透過電漿化學氣相沈積方法由矽基半導體材料形成，其中半導體層300形成於PIN結構中，在PIN結構處P-型半導體層、I-型半導體層與N-型半導體層依照順序沈積。
如「第3C圖」所示，透明導電層400形成於半導體層300之上。
透明導電層400係透過濺射或有機金屬化學氣相沈積法由例如氧化鋅之透明導電材料形成。
如「第3D圖」所示，金屬層510形成於透明導電層400之上。金屬層510係由金屬材料形成，此金屬材料的氧化度比待描述的用於後電極的材料的氧化度高。因此，在用於形成後電極的烘烤製程期間，金屬層510之氧化層被形成以代替後電極之氧化物。
金屬層510係透過在透明導電層400上沈積一額外層而形成，可透過濺射、化學氣相沈積或原子層沈積(Atomic Layer Deposition；ALD)而形成。
首先，金屬層510透過濺射形成於透明導電層400之上。這使得能夠在用於執行「第3C圖」之製程之相同濺射裝置中完成連續製程。就是說，在「第3C圖」所示之氧氣條件下，氧化鋅的透明導電層400透過濺射製程目標鋅而形成，而金屬層510透過在「第3D圖」所示的例如氬等惰性氣體之條件下透過濺射製程目標鋅(targeting Zn)而形成。因此，僅僅改變供應至此相同濺射裝置的氣體種類，可連續執行「第3C圖」與「第3D圖」所示的製程。
其次，金屬層510透過化學氣相沈積或原子層沈積形成於透明導電層400之上。詳細地，在氫氣的條件下，鋅的金屬層510透過使用二甲鋅(Zn(CH3)2)或二乙基鋅(Zn(C2H5)2)的化學氣相沈積或原子層沈積而形成。這種情況下，鋅的金屬層510透過‘Zn(CH3)2+H2→Zn+2(CH4)’or‘Zn(C2H5)2+H2→Zn+2(C2H6)’之反應而形成。
接下來，如「第3E圖」所示，後電極材料層600a形成於金屬層510上。
後電極材料層600a透過網印(screen printing)方法、噴墨列印(inkjet printing)方法、凹印方法或微接觸(micro-contact)印刷方法由金屬材料形成，金屬材料的例子為銀、鋁、銀+鋁、銀+鎂、銀+錳、銀+銻、銀+鋅、銀+鉬、銀+鎳、銀+銅或銀+鋁+鋅。
如「第3F圖」所示，後電極600透過烘烤後電極材料層600a而形成。
當烘烤後電極材料層600a時，金屬層510的上部被氧化，從而金屬層510的氧化層530形成於其中。因此，緩衝層500被完成，其中包含金屬層510和氧化層530。
就是說，金屬層510的氧化度高於後電極材料層600a的氧化度。為此，在烘烤製程期間，金屬層510的氧化層530被形成，以代替後電極材料層600a的氧化物。如果金屬層510由鋅形成，則金屬層510的氧化層由氧化鋅形成。與習知技術薄膜型太陽能電池中的後電極之氧化物之電阻比較，本發明之薄膜型太陽能電池中的金屬層510的氧化層530的電阻則相當低，從而避免後電極600的電阻增加。此外，後電極600和透明導電層400之間的黏著強度透過烘烤製程期間產生的氧化層530極大地被增強。
「第4A圖」、「第4B圖」、「第4C圖」、「第4D圖」、「第4E圖」與「第4F圖」所示係為本發明另一實施例之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖。
金屬層510透過去氧透明導電層400之上部而形成，以代替於透明導電層400之上沈積一額外層，除此之外，「第4A圖」、「第4B圖」、「第4C圖」、「第4D圖」、「第4E圖」與「第4F圖」所示之方法與「第3A圖」、「第3B圖」、「第3C圖」、「第3D圖」、「第3E圖」與「第3F圖」所示之方法相同。因此，則省略相同或類似部分的詳細解釋。
首先，如「第4A圖」所示，前電極200形成於基板100上。
接下來，如「第4B圖」所示，半導體層300形成於前電極200上。
如「第4C圖」所示，透明導電層400形成於半導體層300上。
透明導電層400透過濺射或有機金屬化學氣相沈積法由例如氧化鋅等透明導電材料而形成。
接下來，如「第4D圖」所示，金屬層510透過去氧透明導電層400的上部而形成。
就是說，如果氫電漿處理(hydrogen plasma treatment)被應用至透明導電層400，透明導電層400中包含的氧氣在透明導電層400的上部與用於氫電漿處理的氫氣反應。當氧氣從透明導電層400中逸出時，透明導電層400的上部透過去氧變成金屬層510。例如，如果氫電漿處理被完成成為透明導電層400中包含的氧化鋅時，鋅的金屬層510透過‘ZnO+H2→Zn+H2O’的反應形成在透明導電層400的上部。
如「第4E圖」所示，後電極材料層600a形成於金屬層510之上。
如「第4F圖」所示，後電極600透過同時烘烤後電極材料層600a和包含金屬層510的緩衝層500而形成，金屬層510的氧化層530透過氧化金屬層510的上部而形成。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10．．．基板
20．．．前電極
30．．．半導體層
40．．．透明導電層
60‧‧‧後電極
65‧‧‧氧化物
100‧‧‧基板
200‧‧‧前電極
300‧‧‧半導體層
400‧‧‧透明導電層
500‧‧‧緩衝層
510‧‧‧金屬層
530‧‧‧氧化層
600‧‧‧後電極
600a‧‧‧後電極材料層
第1A圖至第1D圖所示為習知技術之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖；
第2圖所示係為本發明實施例之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖；
第3A圖至第3F圖所示為本發明實施例之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖；以及
第4A圖至第4F圖所示為本發明另一實施例之薄膜型太陽能電池之製造方法之剖視圖。
100．．．基板
200．．．前電極
300．．．半導體層
400．．．透明導電層
500．．．緩衝層
510．．．金屬層
530．．．氧化層
600．．．後電極
Claims (13)
- 一種薄膜型太陽能電池，包含：一前電極，形成於一基板之上；一半導體層，形成於該前電極之上；一透明導電層，形成於該半導體層之上；一後電極，形成於該透明導電層上方；以及一緩衝層，形成於該透明導電層和該後電極之間，用於降低該後電極之電阻，並且增強該透明導電層和該後電極之間的黏著強度，其中該緩衝層包含順序沈積的一金屬層和一氧化層，其中該金屬層包含比該後電極之材料之氧化度更高的氧化度，該氧化層係由該金屬層之一氧化物形成，其中該氧化層係形成於該金屬層與該後電極之間。
- 如請求項第1項所述之薄膜型太陽能電池，其中該緩衝層中包含的該氧化層具有比該後電極之氧化物之電阻更小的電阻。
- 如請求項第1項所述之薄膜型太陽能電池，其中該透明導電層和該緩衝層包含的該氧化層均由相同材料形成。
- 如請求項第3項所述之薄膜型太陽能電池，其中該透明導電層和該緩衝層包含的該氧化層均由氧化鋅形成。
- 一種薄膜型太陽能電池之製造方法，包含：形成一前電極於一基板上；形成一半導體層於該前電極上； 形成一透明導電層於該半導體層上；於該透明導電層上形成一金屬層；於該金屬層上形成一後電極材料層；以及烘烤該後電極材料層以形成一後電極，其中在烘烤期間該金屬層之上部被氧化，這樣於其中形成該金屬層之一氧化層，以及該金屬層與該氧化層形成一緩衝層，其中該金屬層包含比該後電極之材料之氧化度更高的氧化度，該氧化層係由該金屬層之一氧化物形成，以及其中該氧化層係形成於該金屬層與該後電極之間。
- 如請求項第5項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中用於形成該後電極的製程包含用於噴塗一後電極材料和烘烤該該噴塗後電極材料之步驟。
- 如請求項第5項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中該緩衝層中包含的該金屬層透過在該透明導電層上沈積一額外層而形成。
- 如請求項第7項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中在該緩衝層中形成該金屬層之製程包含在惰性氣體條件下透過濺射製程目標鋅而形成鋅的步驟。
- 如請求項第8項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中形成該透明導電層之製程包含在氧氣條件下透過濺射目標鋅而形成氧化鋅之步驟，其中形成該透明導電層和該緩衝層中包含的該金屬層之製程 在相同濺射裝置中連續完成。
- 如請求項第7項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中形成該緩衝層中包含的該金屬層的製程包含在氫氣條件下使用包含鋅的氣體材料透過化學氣相沈積或原子層沈積形成鋅。
- 如請求項第5項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中形成該緩衝層中包含的該金屬層之製程包含去氧該透明導電層之上部。
- 如請求項第11項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中去氧該透明導電層之上部之製程包含完成氫電漿處理，從而用供應氫電漿處理的氫氣與該透明導電層中包含的氧氣反應。
- 如請求項第5項所述之薄膜型太陽能電池之製造方法，其中該緩衝層中包含的該金屬層之該氧化層包含比該後電極之該氧化物之電阻更小的電阻。
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