TWI440198B - 薄膜疊層太陽能電池與其製作方法 - Google Patents

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Description

薄膜疊層太陽能電池與其製作方法
本發明係有關一種太陽能電池與其製作方法，特別是有關於一種藉由外線槽與斷路線槽避免短路現象之發生的薄膜疊層太陽能電池與其製作方法。
請參見第一A圖至第一B圖，為薄膜疊層太陽能電池的先前技術，薄膜疊層太陽能電池1主要是由基板14、第一電極層11、半導體層13、和第二電極層12等數層堆疊而成。在薄膜疊層太陽能電池1之製程中，先在基板14上沈積第一電極層11，並以雷射切割(laser scribing)第一電極層11，形成複數單一區塊112與第一線槽111；其次在第一電極層11上沈積半導體層13，並以雷射切割半導體層13，每一半導體層切割線槽131距第一電極層11切割線槽約100微米；之後在半導體層13上沈積第二電極層12，並以雷射切割第二電極層12與半導體層13，在此所形成的切割線槽121與半導體層切割線槽131距離約100微米。藉由上述膜層沈積與各層的雷射切割，便形成了複數單一區塊112串聯而成之薄膜疊層太陽能電池1。
在進行封裝時，為避免電流的短路、漏電等問題，先前技術之美國專利第6,300,556號乃於太陽能電池外圍切割一絕緣線槽15，將第一電極層、半導體層、第二電極層去除，並且在絕緣線槽的外側、基板外圍部份，以機械方式進行移除第一電極層、半導體層、第二電極層或是此三層之膜層。另外，先前技術之美國專利第6,271,053號乃在沈積完各膜層並分割成串聯太陽電池後，將周圍表面的第二電極層與半導體層移除，使半導體層顯露於外，並且經由熱處理，使半導體膜層表面氧化，電阻值變大。另外，美國專利公開號2006/0,266,409則是先以雷射切掉第二電極層和半導體層，再在雷射移除處之外，以另一種電射移除第二電極層、半導體層與第一電極層，使第一電極層突顯出來。
上述技藝中，在切割絕緣線時，因各膜層性質不同，需先以某一特定波長之雷射，將第二電極層與半導體層去除，形成一切割線槽，並以相同雷射來回切割該絕緣線槽以加寬之，藉以增加後續切割第一電極層之精準度。之後再用另一波長的雷射，切割第一電極層。由於絕緣線槽需以兩種雷射做切割，加工過程繁複，提高了設備成本與製作時間。另外，在切割完後，可能因為雷射束的溫度分佈，造成第二電極層有部份材質未被移除完全，在融熔狀態時，殘留在第一電極層上，造成電流短路的現象。然若單獨使用單一波長進行三層切割，雖然製程較簡單，但所造成的熱效應更嚴重，其短路效應更明顯。另外若在製程的後段，多加了熱處理程序將半導體層氧化，增加電阻值，以避免短路之問題，也會提高設備成本與製程時間。
此外，由於薄膜疊層太陽能電池因電子電洞的再結合或是因光的損失等等的原因，使得光電轉換效率有其極限值，因此在製程過程當中，常會在能階低與能階高的材料中間，增加一介質層，藉以當光穿透薄膜疊層太陽能電池時，使能被能階高的材料所吸收的短波長反射之，增加光的路徑，同時使無法為能階高的材料所吸收的長波長穿透至能階低的材料，增加光的穿透率，例如美國專利第5,021,100號乃在薄膜疊層太陽能電池裡，加入一層非導體的選擇性反射膜(dielectric selective reflection film)。但因為介質層須連結不同能階的材料，故其具一定的導電性，易在製造過程中進行外圍絕緣處理時發生漏電或短路的現象，因此美國專利第6,632,993號乃在介質層161上又多切割一道斷路線槽161，阻斷電流在介質層161流通時產生漏電的問題，請參考第1C圖。又如美國專利第6,870,088號也採取相類似的作法，不過其更進一步於斷路線槽171之間形成光電轉換層切割線槽181，同樣能避免上述問題，請參考第1D圖。但習知技術並沒有針對電池外圍區域短路的缺點提出解決辦法。
為解決先前技術之缺失，本發明提供一種薄膜疊層太陽能電池與其制作方法。薄膜疊層太陽能電池由複數個單一區塊電性連接而成，各單一區塊包括依序堆疊形成的基板、第一電極層、第一光吸收層、介質層、第二光吸收層與第二電極層。其中，第二電極層周緣的至少兩邊具有第一絕緣線槽與第二絕緣線槽，並位於單一區塊的投影區之外，往深度方向延伸以致除去第一光吸收層，且第一絕緣線槽平行於單一區塊的排列方向，第二絕緣線槽垂直於單一區塊的排列方向。其中，至少一外線槽形成第一電極層，且位於第一絕緣線槽與第二絕緣線槽之內側，此外，至少一斷路線槽形成於介質層，且位於第一絕緣線槽之內側。
因此，本發明之主要目的在於提供一種薄膜疊層太陽能電池，於電池外圍形成有一斷路線槽與絕緣線槽，可達到更佳的絕緣功效。
本發明之次要目的在於提供一種薄膜疊層太陽能電池的製造方法，於電池外圍形成有一斷路線槽與絕緣線槽，可達到更佳的絕緣功效。
由於本發明係揭露一種薄膜疊層太陽能電池與其製作方法，其中所利用的太陽能光電轉換原理，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再作完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，盍先敘明。
請參考第2A至第2C圖，係根據本發明提出之第一較佳實施例，為一種薄膜疊層太陽能電池2，由複數個單一區塊212電性連接而成，各單一區塊212包括依序堆疊形成的基板20、第一電極層21、第一光吸收層23、介質層25、第二光吸收層24與第二電極層22。
上述單一區塊212的電性連接方式可以是串聯、並聯、或串聯與並聯之組合。基板20的材料可以為透明基材。
為了增加電池外緣的絕緣性，避免短路的問題，請參考第2A圖，上述之第二電極層22周緣的至少兩邊具有第一絕緣線槽261與第二絕緣線槽262，位於單一區塊212的投影區之外，往深度方向延伸以致除去第一光吸收層23。也可以進一步往深度方向延伸以致除去第一電極層21，請參考第2C圖。其中，第一絕緣線槽261平行於單一區塊212的排列方向，第二絕緣線槽262垂直於單一區塊212的排列方向。其中，第一絕緣線槽261或是第二絕緣線槽262的寬度可以介於20微米至200微米之間。至少一外線槽27形成於上述之第一電極層21，且位於第一絕緣線槽261與第二絕緣線槽262之內側。其中，外線槽27的寬度可以介於20微米至200微米之間。在形成介質層25後，可於介質層25上多形成一斷路線槽29，能阻絕因介質層25之導電性，致使在製造過程當中進行薄膜疊層太陽能電池2外圍絕緣處理時之漏電或短路的問題，以達更加的絕緣效果，且不會增加整體製造的成本，請參考第2A圖所示；但斷路線槽29也可以進一步往深度方向延伸以致除去第一光吸收層23，請參考第2C圖所示。其中，斷路線槽29的形成位置是位於第一絕緣線槽261之內側，亦可以位於外線槽27的內側或外側間，或是重合於外線槽27，但以位於外線槽27的外側為最佳。其中，斷路線槽29的寬度可以介於20微米至200微米之間。
上述之第一絕緣線槽261、第二絕緣線槽262或斷路線槽29的形成方式可以是雷射切割，而形成方式也可以選自於由濕蝕刻或乾蝕刻等方式。
第一電極層21形成於基板20的方式可以是濺鍍(sputtering)、常壓化學氣相沈積(APCVD)或低壓化學氣相沈積(LPCVD)等，而第一電極層21可以是單層結構或多層結構，其材料可以為透明導電氧化物(TCO：Transparent Conductive Oxide)，其成分可以是二氧化錫(SnO2)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵錫(GZO)或氧化銦鋅(IZO)等。第一電極層21可以進一步包含一金屬層，其材料可以是銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)或金(Au)等。
上述之第一光吸收層23可以沈積之方式形成於第一電極層21之上，其材料可以選用單晶、多晶、非晶、微晶的Si、Ge、SiGe或SiC等。介質層25形成於第一光吸收層23的方式可以是沈積之方式，其材料可以選用TO、ITO、ZnO、AZO、GZO、IZO等。第二光吸收層24形成於介質層25的方式亦可是沈積之方式，其材料可以選用單晶、多晶、非晶、微晶的Si、Ge、SiGe或SiC等。
上述之第二電極層22形成於第二光吸收層24的方式可以是濺鍍(sputtering)或物理氣相沈積(PVD)等，而第二電極層22可以是單層結構或多層結構，其材料可以是透明導電氧化物(TCO：Transparent Conductive Oxide)，成分可以選用二氧化錫(SnO2)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵錫(GZO)或氧化銦鋅(IZO)等。第二電極層22可以進一步包含一金屬層，其材料可以是銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)或金(Au)等，或為上述材料之合金。
本發明進一步提出第二較佳實施例，為一種薄膜疊層太陽能電池2的製造方法，可以增加電池外緣的絕緣性，避免短路的問題，此製造方法包括：(1)提供依序堆疊形成的基板20、第一電極層21、第一光吸收層23、介質層25、第二光吸收層24與第二電極層22；(2)在第二電極層22周緣的至少兩邊形成有第一絕緣線槽261與第二絕緣線槽262，並位於單一區塊212的投影區之外，往深度方向延伸以致除去第一光吸收層23，其中第一絕緣線槽261平行於單一區塊212的排列方向，第二絕緣線槽262垂直於單一區塊212的排列方向；(3)提供至少一外線槽27形成於第一電極層21，且位於第一絕緣線槽261與第二絕緣線槽262之內側；以及(4)提供至少一斷路線槽29形成於介質層25，且位於第一絕緣線槽261之內側。上述製造方法中，基板20、第一電極層21、第一光吸收層23、介質層25、第二光吸收層24、第二電極層22、第一絕緣線槽261、第二絕緣線槽262、外線槽27、斷路線槽29等特徵如前述第一較佳實施例所述。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之權利範圍；同時以上的描述，對於相關技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。
薄膜疊層太陽能電池(先前技藝)．．．1
第一電極層(先前技藝)．．．11
第一線槽(先前技藝)．．．111
單一區塊(先前技藝)．．．112
第二電極層(先前技藝)．．．12
第二線槽(先前技藝)．．．121
光電轉換層(先前技藝)．．．13
第三線槽(先前技藝)．．．131
基板(先前技藝)．．．14
絕緣線槽(先前技藝)．．．15
薄膜疊層太陽能電池．．．2
單一區塊．．．212
基板．．．20
第一電極層．．．21
第二電極層．．．22
23‧‧‧第一光吸收層
24‧‧‧第二光吸收層
25‧‧‧介質層
261‧‧‧第一絕緣線槽
262‧‧‧第二絕緣線槽
27‧‧‧外線槽
29‧‧‧斷路線槽
第1A、第1B圖為示意圖，係一種薄膜疊層太陽能電池之先前技藝。
第1C圖為一示意圖，係一種薄膜疊層太陽能電池之先前技藝。
第1D圖為一示意圖，係一種薄膜疊層太陽能電池之先前技藝。
第2A至第2C圖為示意圖，係根據本發明提出之第一較佳實施例，為一種薄膜疊層太陽能電池。
薄膜疊層太陽能電池．．．2
單一區塊．．．212
基板．．．20
第一電極層．．．21
第二電極層．．．22
第一光吸收層．．．23
第二光吸收層．．．24
介質層．．．25
第一絕緣線槽．．．261
第二絕緣線槽．．．262
外線槽．．．27
斷路線槽．．．29

Claims (28)

  1. 一種薄膜疊層太陽能電池(Stacked-Layered Thin Film Solar Cell)，由複數個單一區塊(unit cell)電性連接而成，各單一區塊包括依序堆疊形成的一基板(substrate)、一第一電極層(first electrode layer)、一第一光吸收層(first photoconductive layer)、一介質層(interlayer)、一第二光吸收層(second photoconductive layer)與一第二電極層(second electrode layer)，其特徵在於：該第二電極層周緣的兩邊具有一第一絕緣線槽(first isolation groove)，位於該等單一區塊的投影區之外，往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層；至少一外線槽形成於該第一電極層，且位於該第一絕緣線槽之內側；至少一斷路線槽(cutting groove)形成於該介質層，且位於該第一絕緣線槽之內側；以及該第二電極層周緣的兩邊形成有一第二絕緣線槽(second isolation groove)，位於該等單一區塊的投影區之外，往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層，該第二絕緣線槽垂直於該第一絕緣線槽，且其中該第一絕緣線槽與該第二絕緣線槽的其中之一垂直於該等單一區塊的排列方向。
  2. 依據申請專利範圍第1項的薄膜疊層太陽能電池，其中該第一絕緣線槽與該第二絕緣線槽進一步往深度方向延伸以致除去該第一電極層。
  3. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該斷路線槽進一步往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層。
  4. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該斷路線槽(Cutting groove)位於該外線槽的內側。
  5. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該斷路線槽(Cutting groove)位於該外線槽的外側。
  6. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該斷路線槽(Cutting groove)的位置重合於該外線槽。
  7. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一絕緣線槽的寬度係介於20微米至200微米之間，該第二絕緣線槽的寬度係介於20微 米至200微米之間，該外線槽的寬度係介於20微米至200微米之間，該斷路線槽的寬度係介於20微米至200微米之間。
  8. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一絕緣線槽與該外線槽的距離介於20微米至150微米之間。
  9. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一絕緣線槽、該第二絕緣線槽或該斷路線槽的形成方式為雷射切割。
  10. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一絕緣線槽、該第二絕緣線槽或該斷路線槽的形成方式係選自於由濕蝕刻(wet etching)與乾蝕刻(dry etching)所構成之群組。
  11. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該基板的材料係為透明基材。
  12. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一電極層的材料係為透明導電氧化物(TCO：Transparent Conductive Oxide)，其材料係選自於由二氧化錫(SnO2 )、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵錫(GZO)及氧化銦鋅(IZO)等所構成的群組；該第二電極層包含有一金屬層，其材料係選自於由銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)及金(Au)等所構成的群組。
  13. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二電極層進一步包含有一透明導電氧化物，其材料係選自於由二氧化錫(SnO2 )、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵鋅(GZO)及氧化銦鋅(IZO)等所構成的群組。
  14. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二電極層的材料係為透明導電氧化物(TCO：Transparent Conductive Oxide)，其材料係選自於由二氧化錫(SnO2 )、氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化鎵錫(GZO)及氧化銦鋅(IZO)等所構成的群組；該第一電極層包含有一金屬層，其材料係選自於由銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)及金(Au)等 所構成的群組。
  15. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一電極層形成於該基板的方式係選自於由濺鍍(sputtering)、常壓化學氣相沈積(APCVD)及低壓化學氣相沈積(LPCVD)等所構成的群組。
  16. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一電極層可為單層結構或多層結構。
  17. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一光吸收層形成於該第一電極層的方式為沈積。
  18. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第一光吸收層的材料係選自於由單晶Si、多晶Si、非晶Si、微晶Si、Ge、SiGe、SiC等所構成之群組。
  19. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該介質層的材料係選自於由TO、ITO、ZnO、AZO、GZO、IZO等所構成之群組。
  20. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二光吸收層的材料係選自於由單晶Si、多晶Si、非晶Si、微晶Si、Ge、SiGe、SiC等所構成之群組。
  21. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該介質層形成於該第一光吸收層的方式為沈積。
  22. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二光吸收層形成於該介質層的方式為沈積。
  23. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二電極層可為單層結構或多層結構。
  24. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該第二電極層形成於該第二光吸收層的方式係選自於由濺鍍(sputtering)及物理氣相沈積(PVD)等所構成的群組。
  25. 依據申請專利範圍第1項之薄膜疊層太陽能電池，其中該等單一區塊的電性 連接方式可以為串聯、並聯、或串聯與並聯之組合。
  26. 一種薄膜疊層太陽能電池的製造方法，包括提供一基板(substrate)；形成一第一電極層(first electrode layer)於該基板上；形成至少一外線槽形成於該第一電極層；形成一第一光吸收層(first photoconductive layer)於該第一電極層上；形成一介質層(interlayer)於該第一光吸收層上；形成至少一斷路線槽(cutting groove)於該介質層；形成一第二光吸收層(second photoconductive layer)於該介質層；形成一第二電極層(second electrode layer)於該第二光吸收層；在該外線槽與該斷路線槽之外側，形成一第一絕緣線槽(first isolation groove)於該第二電極層周緣的兩邊，並往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層；以及於該第二電極層周緣的兩邊形成有一第二絕緣線槽(second isolation groove)，位於該等單一區塊的投影區之外，往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層。
  27. 依據申請專利範圍第26項的薄膜疊層太陽能電池的製造方法，其中該第一絕緣線槽與該第二絕緣線槽進一步往深度方向延伸以致除去該第一電極層。
  28. 依據申請專利範圍第26項之薄膜疊層太陽能電池的製造方法，其中該斷路線槽進一步往深度方向延伸以致除去該第一光吸收層。
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