TWI430466B - 高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構 - Google Patents

高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構 Download PDF

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Description

高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構
本發明係關於一種薄膜太陽能電池之元件結構，特別是關於一種高效率碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池之元件結構。
目前已達到或接近量產階段的半導體薄膜太陽能電池材料主要有非晶矽、碲化鎘(CdTe)及銅銦鎵硒Cu(In,Ga)Se2 (簡稱CIGS)等三種，其中非晶矽是最先製成太陽能電池模組量產者；而CdTe及CIGS太陽能電池小面積元件之能源轉換效率已分別達到16.5%與20.3%以上，兩者均已有大面積模組之產品問世。
就現有的碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池而言，在此係以柯達(Kodak)公司於1980年6月10號公告之美國公告第4,207,119號發明專利所揭露之一多晶薄膜硫化鎘/碲化鎘太陽能電池(Polycrystalline thin film CdS/CdTe photovoltaic cell)為例，請參照第1圖所示，一薄膜太陽能電池之元件結構10依序包含：一玻璃基板11；一透光導電膜12，包含高摻雜氧化銦(InO)材料；一n-型緩衝層13，包含硫化鎘(CdS)材料；一p-型主吸收層14，包含碲化鎘(CdTe)材料；一背電極15，例如為金(Au)鍍層；以及數個電極焊點16，分別結合在該透光導電膜12及背電極15上。
如第1圖所示，該p-型主吸收層14只包含有碲化鎘單一材料，其鍍製方法有蒸鍍(evaporation)、近距揮發(close spaced sublimation)、濺鍍(sputtering)或電化學沉積(electro-deposition)等。此外，完成鍍製的p-型主吸收層14另需要額外實施一道在氯化鎘(CdCl2 )氣氛下的熱處理程序，以便促進碲化鎘晶粒成長以及降低碲化鎘和該n-型緩衝層13之硫化鎘的兩種材料層之間因為晶格不匹配所形成的介面缺陷密度。目前此結構小面積元件效率已可達16.5%，大面積模組的轉換效率亦有11%左右。
然而，上述薄膜太陽能電池之元件結構10的問題在於該元件結構10有著製作該背電極15上的技術障礙，也就是由於該p-型主吸收層14的碲化鎘功函數高達5.7eV，因此難以找到合適、穩定且成本較低的金屬材料來做為該背電極15與該p-型主吸收層14形成理想的歐姆接觸。故，仍有必要進一步提供一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，以解決上述現有技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中P型主吸收層依序包含碲化鎘層及Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層，其利用Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層來與金屬陽極層(背電極)形成理想的歐姆接觸，藉此金屬陽極層將可使用一般銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池元件慣用、穩定且成本較低的鉬(Mo)電極材料，以避免發生現有碲化鎘薄膜太陽能電池元件難以製作適合背電極的技術課題，因此有利於提高元件結構之可靠性。再者，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層如CuInSe2 其能隙低至1.0eV，對長波長區段的光吸收能力優於碲化鎘，可彌補碲化鎘層在此波長區段不足的光吸收，以提升電池效率。
本發明之次要目的在於提供一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其係在P型主吸收層的Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層中加入另一IIIA或VIA元素形成四元或五元化合物得以獲致適當設計的能隙組成梯度，而在背電極附近產生電場，有助於減少電子與電洞的復合，進而提升電池發電效率。
本發明之另一目的在於提供一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中受光面之透光導電氧化物層使用高摻雜N型氧化鋅(ZnO)，並輔以高電阻值的氧化鋅(ZnO)做為高阻值層，以適當阻隔透光導電氧化物層對於p-n接面性質的影響，因氧化鋅的光穿透率高於現有碲化鎘薄膜太陽能電池之高摻雜氧化銦(InO)的透光導電氧化物層，有利於增加光吸收率並進一步提升元件的能量轉換效率。
為達上述之目的，本發明提供一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其包含：一透光基板；一透光導電氧化物層，形成於該透光基板上；一高阻值層，形成在該透光導電氧化物層上，該高阻值層包含高電阻值之氧化鋅；一N型緩衝層，形成在該高阻值層及透光導電氧化物層上；一P型主吸收層，形成在該N型緩衝層上，該P型主吸收層依序包含一碲化鎘層及一Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層；一金屬陽極層，形成在該P型主吸收層之半導體化合物層上，該金屬陽極層包含鉬元素；以及一金屬陰極層，另形成在該透光導電氧化物層設置該高阻值層之外的表面位置上。
在本發明之一實施例中，該透光基板選自硬式基板或可撓式基板，其中該硬式基板選自玻璃基板，例如為透明玻璃、鈉玻璃或導電玻璃；及該可撓式基板選自高分子聚合物基板，例如為聚醯亞胺(polyimide，PI)等。
在本發明之一實施例中，該透光導電氧化物層包含高摻雜之N型氧化鋅，且摻雜有鋁(Al)及鎵(Ga)元素中的至少一種。
在本發明之一實施例中，該透光導電氧化物層包含氧化錫(SnO2 )、氧化銦錫(In2 O3 -SnO2 ，ITO)、氧化鋁鋅(Al2 O3 -ZnO，AZo)、氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO，IZO)、氧化銦鎂(MgO-In2 O3 )、摻氟氧化錫(Fluorine-doped SnO2 ，FTO)、氧化錫銻(SnO2 -Sb2 O3 )、氧化鋅鎵(Ga2 O3 -ZnO)、氧化銦鎵鋅(In2 O3 -Ga2 O3 -ZnO，IGZO)、氧化鉻銅(CuCrO2 )、氧化鍶銅(SrCu2 O2 )及二氧化銅鋁(CuAlO2 )中的至少一種。
在本發明之一實施例中，該N型緩衝層選自硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)及氧化鋅鎂(Znx Mg1-x O，0<x<1)中的至少一種。
在本發明之一實施例中，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層較佳為Cu-IIIA-Se2 類之半導體化合物層，其中第IIIA族元素選自銦(In)、鎵(Ga)及鋁(Al)中的至少一種；例如，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層選自二硒化銅銦(CuInSe2 ，簡稱CIS)、二硒化銅銦鎵(CuInx Ga1-x Se2 ，簡稱CIGS，0<x<1)及二硒化銅銦鋁(Cu(Inx Al1-x )Se2 ，簡稱CIAS，0<x<1)中的至少一種。
在本發明之一實施例中，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層中另加入第IIIA族或第VIA族元素成為四元或五元化合物以形成組成梯度，其中第IIIA族元素選自銦(In)、鎵(Ga)及鋁(Al)中的至少一種，第VIA族元素選自硒及硫中的至少一種。
在本發明之一實施例中，該金屬陰極層包含鋁或其合金。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第2圖所示，本發明較佳實施例之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構20主要包含：一透光基板21、一透光導電氧化物層22、一高阻值層23、一N型緩衝層24、一P型主吸收層25、一金屬陽極層26以及一金屬陰極層27，其中該透光導電氧化物層22、高阻值層23、N型緩衝層24、P型主吸收層25及金屬陽極層26係依序堆疊於該透光基板21上，該金屬陰極層27另形成在該透光導電氧化物層22設置該高阻值層23之外的其餘表面的適當位置上。再者，該P型主吸收層5依序包含一碲化鎘層51及一Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層52，此兩者構成該P型主吸收層5，以做為該元件結構10之主吸收層。另外，該透光基板21之外表面(下表面)係可做為該元件結構20接收陽光之受光面，而該金屬陽極層26及金屬陰極層27分別做為該元件結構20之陽極(正極)與陰極(負極)，以便在該元件結構20將光能轉換為電能之後分別用以輸出正電及負電，以供驅動一負載(如電燈)或將電能儲存於一電池組中。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之透光基板21係可選自各種硬式基板或可撓式(flexible)基板，其中硬式基板又可選自玻璃基板，例如為透明玻璃、鈉玻璃、導電玻璃或其他種類之玻璃，同時可撓式基板則可選自各種高分子聚合物基板，例如聚醯亞胺(polyimide，PI)等。通常，該透光基板21之厚度介於0.05至0.5cm(公分)之間，例如0.2cm，但並不限於此。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之透光導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)層22包含高摻雜之N型氧化鋅(ZnO)，其可利用溶膠-凝膠(sol-gel)法、水熱法、化學浴沉積法或濺鍍法等適當製程來塗佈或鍍於該透光基板21之一表面上，以形成該透光導電氧化物層22。該透光導電氧化物層22之高摻雜之N型氧化鋅係摻雜有鋁(Al)及鎵(Ga)等元素中的至少一種，以增加其導電性質。該透光導電氧化物層22之厚度較佳介於200至1500奈米(nm)之間，例如為500nm，但並不限於此。
值得注意的是，在本發明其他實施方式中，該透光導電氧化物層22除了使用高摻雜之N型氧化鋅之外，亦可使用及選自氧化錫(SnO2 )、氧化銦錫(In2 O3 -SnO2 ，ITO)、氧化鋁鋅(Al2 O3 -ZnO，AZO)、氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO，IZO)、氧化銦鎂(MgO-In2 O3 )、摻氟氧化錫(Fluorine-doped SnO2 ，FTO)、氧化錫銻(SnO2 -Sb2 O3 )、氧化鋅鎵(Ga2 O3 -ZnO)、氧化銦鎵鋅(In2 O3 -Ga2 O3 -ZnO，IGZO)、氧化鉻銅(CuCrO2 )、氧化鍶銅(SrCu2 O2 )及二氧化銅鋁(CuAlO2 )中的至少一種透光導電氧化物材料。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之高阻值層23係包含高電阻值之氧化鋅(ZnO)，其電阻值約為(約為1000Ohm-cm以上)，其中高電阻值之氧化鋅可利用溶膠-凝膠法、水熱法、化學浴沉積法或濺鍍法等適當製程來塗佈或鍍於該透光導電氧化物層22之一表面上，以形成該高阻值層23。該高阻值層23之厚度較佳介於10至200奈米(nm)之間，例如為100nm，但並不限於此。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之N型緩衝層24較佳係選自硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)及氧化鋅鎂(Znx Mg1-x O，0<x<1)中的至少一種，例如硫化鎘，該些材料係可利用旋塗法搭配熱蒸鍍法、共蒸鍍法、溶膠-凝膠法、水熱法、化學浴沉積法或濺鍍法等適當製程來塗佈或鍍於該高阻值層23及透光導電氧化物層22上，以做為該N型緩衝層24。該N型緩衝層24之厚度較佳介於10至500奈米(nm)之間，例如為150nm，但並不限於此。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之P型主吸收層25形成在該N型緩衝層24上，且該P型主吸收層25由下而上依序包含一碲化鎘層251及一Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252，此兩材料層係可分別利用熱蒸鍍法、濺鍍法、溶膠-凝膠法、水熱法、化學浴沉積法製備CdTe薄膜，而以旋塗硒化法、共蒸鍍法、硒化法、溶膠-凝膠法、水熱法、化學浴沉積法或濺鍍法等適當製程來製備Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層依序鍍於該N型緩衝層24上，其中該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252較佳為Cu-IIIA-Se2 類之半導體化合物層，且第IIIA族元素較佳選自銦(In)、鎵(Ga)及鋁(Al)中的至少一種。例如，在本實施例中，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層係可選自二硒化銅銦(CuInSe2 ，簡稱CIS)、二硒化銅銦鎵(CuInx Ga1-x Se2 ，簡稱CIGS，0<x<1)及二硒化銅銦鋁(Cu(Inx Al1-x )Se2 ，簡稱CIAS，0<x<1)中的至少一種，其中較佳選自二硒化銅銦(CIS)。再者，該碲化鎘層251之厚度較佳介於100至1500奈米(nm)之間，例如為150nm，但並不限於此。同時，該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252之厚度較佳介於100至1500奈米(nm)之間，例如為150nm，但亦不限於此。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之金屬陽極層26即為一背電極，其形成在該P型主吸收層26之半導體化合物層252上，該金屬陽極層26包含鉬(Mo)元素，其可利用電鍍、蒸鍍或濺鍍等適當製程來鍍於該半導體化合物層252上。該金屬陽極層26之厚度較佳介於500至2000奈米(nm)之間，例如為1000nm，但亦不限於此。
請再參照第2圖所示，本發明較佳實施例之金屬陰極層27係另形成在該透光導電氧化物層22除了設置該高阻值層23之外的其餘表面的適當位置上，並且通常位於該高阻值層23之鄰近位置處，例如位於該高阻值層23之一側或二側。該金屬陰極層27包含鋁或其合金，其可利用電鍍、印刷、蒸鍍或濺鍍等適當製程來塗佈或鍍於該透光導電氧化物層22上，以形成適當圖案化之該金屬陰極層27。該金屬陰極層27之厚度較佳介於200至2500奈米(nm)之間，例如為1500nm，但亦不限於此。
如上所述，相較於現有薄膜太陽能電池之元件結構常因p-型主吸收層的碲化鎘功函數過高而難以找到合適、穩定且成本較低的金屬材料來做為背電極與該p-型主吸收層形成理想的歐姆接觸等技術問題，第2圖之本發明之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構20係使該P型主吸收層25依序包含該碲化鎘層251及Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252，其利用該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252來與該金屬陽極層(背電極)26形成理想的歐姆接觸，藉此該金屬陽極層26將可選擇使用一般銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池元件慣用、穩定且成本較低的鉬(Mo)電極材料，以避免發生現有碲化鎘薄膜太陽能電池元件難以製作適合背電極的技術課題，因此有利於提高該元件結構20之可靠性。
再者，在本發明之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構20中，由於該P型主吸收層25中的Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252如CuInSe2 其能隙低至1.0eV，其在長波長區段的光吸收能力優於該碲化鎘層251，故可補足該碲化鎘層251在此長波長區段較為不足的光吸收率，因此有利於提高該P型主吸收層25之整體光吸收率。
另外，在本發明之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構20中，受光面之透光導電氧化物層22使用高摻雜N型氧化鋅(ZnO)，並輔以高電阻值的氧化鋅(ZnO)做為該高阻值層23，以適當阻隔該透光導電氧化物層22對於p-n接面性質的影響，且高電阻值之氧化鋅的光穿透率亦高於現有碲化鎘薄膜太陽能電池之高摻雜氧化銦(InO)的透光導電氧化物層，因此亦有利於增加光吸收率並進一步提高整體元件能量轉換效率。
此外，在本發明之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構20中，於該P型主吸收層25的Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層252中也可選擇性額外加入第IIIA族元素(例如銦(In)、鎵(Ga)及鋁(Al)中的至少一種)或第VIA族元素(例如硒(Se)及硫(S)中的至少一種)，以成為四元或五元化合物，其可以獲致適當設計的能隙組成梯度，因而在該半導體化合物層252及金屬陽極層(背電極)26之間造成適當電場來減少載子復合機率，因此有利于進一步提高整體元件之電池發電效率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。
10．．．元件結構
11．．．玻璃基板
12．．．透光導電膜
13．．．n-型緩衝層
14．．．p-型主吸收層
15．．．背電極
16．．．電極焊點
20．．．元件結構
21．．．透光基板
22．．．透光導電氧化物層
23．．．高阻值層
24．．．N型緩衝層
25．．．P型主吸收層
251．．．碲化鎘層
252．．．半導體化合物層
26．．．金屬陽極層
27．．．金屬陰極層
第1圖：現有碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構之組合剖視圖。
第2圖：本發明較佳實施例之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構之組合剖視圖。
20．．．元件結構
21．．．透光基板
22．．．透光導電氧化物層
23．．．高阻值層
24．．．N型緩衝層
25．．．P型主吸收層
251．．．碲化鎘層
252．．．半導體化合物層
26．．．金屬陽極層
27．．．金屬陰極層

Claims (10)

  1. 一種高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其包含：一透光基板；一透光導電氧化物層，形成於該透光基板上；一高阻值層，形成在該透光導電氧化物層上，該高阻值層包含高電阻值之氧化鋅；一N型緩衝層，形成在該高阻值層及透光導電氧化物層上；一P型主吸收層，形成在該N型緩衝層上，該P型主吸收層依序包含一碲化鎘層及一Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層；一金屬陽極層，形成在該P型主吸收層之半導體化合物層上，該金屬陽極層包含鉬元素；以及一金屬陰極層，另形成在該透光導電氧化物層設置該高阻值層之外的表面位置上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該透光基板選自硬式基板或可撓式基板，其中該硬式基板選自玻璃基板，及該可撓式基板選自高分子聚合物基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該透光導電氧化物層包含高摻雜之N型氧化鋅。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該高摻雜之N型氧化鋅係摻雜有鋁及鎵元素中的至少一種。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該透光導電氧化物層包含氧化錫、氧化銦錫、氧化鋁鋅、氧化銦鋅、氧化銦鎂、摻氟氧化錫、氧化錫銻、氧化鋅鎵、氧化銦鎵鋅、氧化鉻銅、氧化鍶銅及二氧化銅鋁中的至少一種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該N型緩衝層選自硫化鎘、硫化鋅及氧化鋅鎂中的至少一種。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層為Cu-IIIA-Se2 類之半導體化合物層，其中第IIIA族元素選自銦、鎵及鋁中的至少一種。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層選自二硒化銅銦、二硒化銅銦鎵及二硒化銅銦鋁中的至少一種。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該Cu-IIIA-VIA類之半導體化合物層中另加入第IIIA族或第VIA族元素成為四元或五元化合物以形成組成梯度，其中第IIIA族元素選自銦、鎵及鋁中的至少一種，第VIA族元素選自硒及硫中的至少一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之高效率碲化鎘薄膜太陽能電池之元件結構，其中該金屬陰極層包含鋁或其合金。
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