TWI462314B - 薄膜太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Ching Chuan Chou
Tung Tung Chen
Mi Chen
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

薄膜太陽能電池及其製造方法
本發明是有關於一種薄膜太陽電池，特別是有關於一種藉由增設一層以硒化物構成之光吸收層，以改善薄膜太陽能電池之光吸收度，並使用物理性沉積技術製程減少酸鹼溶液污染並簡化製造流程之薄膜太陽能電池及其製造方法。
目前，大部分的發電系統所使用之燃料大多為石化燃料，其發電的過程中，會排出大量的二氧化碳及對環境有害之氣體，這些有害氣體導致臭氧層破裂、全球暖化及酸雨等自然災害。而用以發電之石化燃料之蘊藏量，經國際能源署之統計結果不超過百年，在環保議題與資源耗竭的推動下，加強發展再生能源與綠色科技已成為各國共同追求的趨勢。
太陽能為一種潔淨可再生之能源，其同時具有可模組化、資源分布平均、無燃料運輸成本等多種優勢，因此成為前景最被看好的能源。其中，又以具有寬廣的光譜吸收範圍、材料穩定性及可撓性等特性的薄膜太陽能電池最受到矚目。
習知之薄膜太陽能電池，如第1圖所示，主要係由基板11與P-I-N半導體層12所構成。半導體層12由P型層121、I型層122以及N型 層123所構成，並且依P型層121、I型層122及N型層123之順序，以濺鍍或化學沉積的方式在基板11上形成。然而，此種薄膜太陽能電池1之光電轉換效率較差，因此常利用堆疊多層P-I-N半導體層12，藉由改善光電特性來提升光電轉換效率。另一方面，習知之薄膜太陽能電池製程，通常係使用高密度電漿強化型化學氣相沉積法來沉積半導體層，但此種製程技術使用酸鹼性溶液，具有污染之爭議性問題。而上述之堆疊型薄膜太陽能電池雖可提升太陽能電池之光電轉化效率，但在多道酸洗、沉積、蝕刻之製程中，將增加酸鹼性有害溶液之使用量，對環境之傷害也是一道必須克服的難題。
為改善上述之問題，有必要提出一種薄膜太陽能電池及其製造方法，並進一步對薄膜太陽能電池之結構及製程進行改良，以提升薄膜太陽能電池之結構，並簡化其製造流程，減少對環境的汙染。
有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種薄膜太陽能電池及其製造方法，以解決習知技術之光電轉換效率較差，並改善製程中使用酸鹼性溶液對環境造成污染之問題。
本發明之目的就是在提供一種薄膜太陽能電池及其製造方法，以解決習知技術之光電轉換效率較差，並改善製程中使用酸鹼性溶液對環境造成污染之問題。
根據本發明之目的，就是在提供一種薄膜太陽能電池之製造方法，其步驟包含清洗一基板；設置一P型層於基板之上方；藉由物 理沉積技術設置一光吸收層於P型層之上方；藉由氫/氮電漿熱處理光吸收層；沉積一緩衝層於光吸收層之上方，以增加光吸收層晶體結構之相配性，且緩衝層之材質係為矽；設置一I型層於光吸收層之上方；以及設置一N型層於I型層之上方；其中，光吸收層熱處理之溫度可介於550~700℃之間，且熱處理之時間可介於40~70秒之間。
其中，本方法更包含設置一第一透明導電層於基板與P型層之間；設置一第二透明導電層於N型層之上方；設置一抗反射層於第二透明導電層之上方；以及設置一電極層於抗反射層之上方。
其中，光吸收層之厚度可小於50奈米。
其中，光吸收層之材質可包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)。
根據本發明之目的，另提出一種薄膜太陽能電池之製造方法，其步驟包含清洗一基板；設置一P型層於基板之上方；設置一I型層於P型層之上方；藉由物理沉積技術設置一光吸收層於I型層之上方；藉由氫/氮電漿熱處理光吸收層；沉積一緩衝層於光吸收層之上方，以增加光吸收層晶體結構之相配性，且緩衝層之材質可為矽；以及設置一N型層於緩衝層之上方；其中，光吸收層熱處理之溫度可介於550~700℃之間，且熱處理之時間可介於40~70秒之間。
其中，本方法更包含設置一第一透明導電層於基板與P型層之間，設置一第二透明導電層於N型層之上方；設置一抗反射層於第二透明導電層之上方；以及設置一電極層於抗反射層之上方。
其中，光吸收層之厚度可小於50奈米。
其中，光吸收層之材質可包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)。
根據本發明之目的，又提出一種薄膜太陽能電池，其包含基板、P型層、I型層、光吸收層、緩衝層以及N型層。P型層設置於基板之上方；I型層設置於P型層之上方；光吸收層藉由物理沉積技術設置於P型層之上方；緩衝層設置於光吸收層之上方；以及N型層設置於I型層之上方；其中，光吸收層藉由氫/氮電漿熱處理，其熱處理之溫度可介於550~700℃之間，且熱處理之時間可介於40~70秒之間。
其中，更包含一第一透明導電層，設置於基板與P型層之間；一第二透明導電層，設置於N型層之上方；一抗反射層，設置於第二透明導電層；以及一電極層，設置於抗反射層之上方。
其中，光吸收層之厚度可小於50奈米。
其中，光吸收層之材質可包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)。
承上所述，本發明之薄膜太陽能電池及其製造方法，主要係改變薄膜太陽能電池之結構及製程。於薄膜太陽能電池中增設一層銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)材料構成之光吸收層，由於硒化物材料具有高光學傳輸性及高電子移動率等物理性質，其可增加薄膜太陽能電池之光譜吸收範圍及導電性，換句話說，增設光吸收層可提高薄膜太陽能電池之光穿透性及導電性，以改善元件的電流密度及增加光電轉換效率。另外，藉由物 理式沉積製程取代傳統之多步驟硒化熱處理，可減少酸鹼溶液之消耗量，以及其所造成之環保污染問題。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。
1、2、3‧‧‧薄膜太陽能電池
11、200、300‧‧‧基板
12‧‧‧半導體層
121、220、320‧‧‧P型層
122、250、330‧‧‧I型層
123、260、360‧‧‧N型層
210、310‧‧‧第一透明導電層
230、340‧‧‧光吸收層
240、350‧‧‧緩衝層
270、370‧‧‧第二透明導電層
280、380‧‧‧抗反射層
290、390‧‧‧電極層
S500~S580、S600~S680‧‧‧步驟
第1圖 係為習知技術之薄膜太陽能電池之示意圖。
第2圖 係為本發明薄膜太陽能電池之第一實施例之示意圖。
第3圖 係為本發明之薄膜太陽能電池之第二實施例之示意圖。
第4圖 係為本發明之薄膜太陽能電池與習知技術之電流密度-電壓變化比較之數據圖。
第5圖 係為本發明之薄膜太陽能電池之第一實施例之製造方法之流程圖。
第6圖 係為本發明之薄膜太陽能電池之第二實施例之製造方法之流程圖。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之薄膜太陽能電池及其製造方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參閱第2圖，其係為本發明之薄膜太陽能電池之第一實施例之示意圖。圖中，薄膜太陽能電池2可包含基板200、第一透明導電層210、P型層220、光吸收層230、緩衝層240、I型層250、N型層260、第二透明導電層270、抗反射層280及電極層290。第一透明導電層210設置於基板200之上方。P型層220設置於第一透明導電層210之上方。光吸收層230設置於P型層220之上方。緩衝層240設置於光吸收層230之上方。I型層250設置於緩衝層240之上方。N型層260設置於I型層250之上方。第二透明導電層270設置於N型層260之上方。抗反射層280設置於第二透明導電層270之上方。電極層290設置於抗反射層280之上方。其中，基板200之材質可為玻璃、矽晶圓片、軟質金屬箔片或塑膠軟片等，但其材質不以此為限。其中，基板200的厚度較佳可小於1.1釐米。P型層220、I型層250及N型層260之材質可為本質性矽晶，如非晶矽、微晶矽或奈米晶矽，且可以脈衝雷射沉積法、化學氣相沉積法或高密度電漿強化型化學氣相沉積法設置於薄膜太陽能電池2中。光吸收層230可利用脈衝式雷射或直流/射頻法濺鍍銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)等硒化物而成，其厚度較佳可小於50奈米，並經由氫/氮電漿於550~700℃中熱處理40~70秒，以改善光吸收層230之表面特性。緩衝層240可以以物理性沉積法沉積矽薄膜層於光吸收層230之上，以增加晶體結構間之相配性。第一透明導電層210及第二透明導電層270之材質可 為氧化銦錫、氧化鋅或氧化錫等，但不以此為限。抗反射層280可藉由直流/射頻沉積法設置氟化鎂於第二透明導電層270之上，但其材質不以此為限。電極層290可藉由直流/射頻濺鍍法或印刷法濺鍍鎳/鋁金屬作為一電極層290，且其厚度較佳可小於0.05微米。
請參閱第3圖，其係為本發明之薄膜太陽能電池之第二實施例之示意圖。圖中，薄膜太陽能電池3可包含基板300、第一透明導電層310、P型層320、I型層330、光吸收層340、緩衝層350、N型層360、第二透明導電層370、抗反射層380及電極層390。第一透明導電層310設置於基板300之上方。P型層320設置於第一透明導電層310之上方。I型層330設置於P型層320之上方。光吸收層340設置於I型層330之上方。緩衝層350設置於光吸收層340之上方。N型層360設置於緩衝層350之上方。第二透明導電層370設置於N型層360之上方。抗反射層380設置於第二透明導電層370之上方。電極層390設置於抗反射層380之上方。其中，基板300之材質可為玻璃、矽晶圓片、軟質金屬箔片或塑膠軟片等，但其材質不以此為限。其中，基板300的厚度較佳可小於1.1釐米。P型層320、I型層330及N型層360之材質可為本質性矽晶，如非晶矽、微晶矽或奈米晶矽，且可以脈衝雷射沉積法、化學氣相沉積法或高密度電漿強化型化學氣相沉積法設置於薄膜太陽能電池3中。光吸收層340可利用脈衝式雷射或直流/射頻法濺鍍銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)等硒化物而成，其厚度較佳可小於50奈米，並經由氫/氮電漿於550~700℃中熱處理40~70秒，以改善光吸收層340之表面特性。緩衝層350可以以物 理性沉積法沉積矽薄膜層於光吸收層340之上，以增加晶體結構間之相配性。第一透明導電層310及第二透明導電層370之材質可為氧化銦錫、氧化鋅或氧化錫等，但不以此為限。抗反射層380可藉由直流/射頻沉積法設置氟化鎂於第二透明導電層370之上，但其材質不以此為限。電極層390可藉由直流/射頻濺鍍法或印刷法濺鍍鎳/鋁金屬作為一電極層390，且其厚度較佳地可小於0.05微米。
續言之，一般在量測光電轉換效率η(Eff)時，會參考三個數值，分別為：填充因子(FF)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)，此三項數值與光電轉換效率有正相關。而光電轉換效率η的值為太陽能電池最大輸出功率及其輸入功率之比值，更進一步的說，光電轉換效率η可為填充因子(FF)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)之乘積與入射光功率(PL)之比值。
請參閱第4圖，其係為本發明之薄膜太陽能電池與習知技術之電流密度-電壓變化比較之數據圖。圖中分別測得習知技術之薄膜太陽能電池與本發明之薄膜太陽能電池之電流密度及電壓。電流密度及電壓之數值經由公式轉換，即可獲得光電轉換效率之比值。習知之薄膜太陽能電池之光電轉換效率η為7.324%，而本發明之薄膜太陽能電池之光電轉換效率η為10~12%，証實增設一層光吸收層於薄膜太陽能電池中，確實可提升薄膜太陽能電池之光電轉換效率。
請參閱第5圖，其係為本發明之薄膜太陽能電池之第一實施例之製造方法之流程圖。圖中，本發明之薄膜太陽能電池製造方法之步驟S500為清洗一基板，其材質可為玻璃、矽晶圓片、軟質金屬 箔片或塑膠軟片等，但其材質不以此為限。其中，基板的厚度較佳地可小於1.1釐米。接著，步驟S510為設置第一透明導電層於基板之上方。接著，步驟S520為設置P型層於第一透明導電層之上方。步驟S530為藉由物理沉積技術設置光吸收層於P型層之上方，其物理性沉積技術可為脈衝式雷射法或直流/射頻法濺鍍銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)等硒化物於P型層之上，且其厚度較佳可小於50奈米。接著，步驟S540為藉由氫/氮電漿熱處理光吸收層，於550~700℃中熱處理40~70秒，以改善光吸收層之表面特性。步驟S550為沉積緩衝層於光吸收層之上方，以增加晶體結構間之相配性。在這之後，步驟S560為設置I型層於緩衝層之上方。而步驟S570為設置N型層於I型層之上方；其中，P型層、I型層及N型層之材質可為本質性矽晶，如非晶矽、微晶矽或奈米晶矽，且以脈衝雷射沉積法、化學氣相沉積法或高密度電漿強化型化學氣相沉積法設置於薄膜太陽能電池中。最後，步驟S580為依序設置第二透明緩衝層、抗反射層及電極層於N型層之上方；其中，第一透明導電層及第二透明導電層之材質可為氧化銦錫、氧化鋅或氧化錫等，但不以此為限；抗反射層可藉由直流/射頻沉積法設置氟化鎂於第二透明導電層之上，但其材質不以此為限；電極層可藉由直流/射頻濺鍍法或印刷法濺鍍鎳/鋁金屬於抗反射層之上，且其厚度較佳地可小於0.05微米。
請參閱第6圖，其係為本發明之薄膜太陽能電池之第二實施例之製造方法之流程圖。圖中，本發明之薄膜太陽能電池製造方法之步驟S600為清洗一基板，其材質可為玻璃、矽晶圓片、軟質金屬箔片或塑膠軟片等，但其材質不以此為限，且其厚度較佳地可小 於1.1釐米。接著，步驟S610為設置第一透明導電層於基板之上方。接著，步驟S620為設置P型層於第一透明導電層之上方。步驟S630為設置I型層於P型層之上方。步驟S640為藉由物理沉積技術設置光吸收層於I型層之上方，其物理性沉積技術可為脈衝式雷射法或直流/射頻法濺鍍銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)等硒化物於I型層之上，且其厚度較佳地可小於50奈米。而步驟S650為藉由氫/氮電漿熱處理光吸收層，於550~700℃中熱處理40~70秒，以改善光吸收層之表面特性。而步驟S660為沉積緩衝層於光吸收層之上方，以增加晶體結構間之相配性。在這之後，步驟S670為設置N型層於緩衝層之上方；其中，P型層、I型層及N型層之材質可為本質性矽晶，如非晶矽、微晶矽或奈米晶矽，且以脈衝雷射沉積法、化學氣相沉積法或高密度電漿強化型化學氣相沉積法設置於薄膜太陽能電池中。最後，步驟S680為依序設置第二透明緩衝層、抗反射層及電極層於N型層之上方。其中，第一透明導電層及第二透明導電層之材質可為氧化銦錫、氧化鋅或氧化錫等，但不以此為限。抗反射層可藉由直流/射頻沉積法設置氟化鎂於第二透明導電層之上，但其材質不以此為限。電極層可藉由直流/射頻濺鍍法或印刷法濺鍍鎳/鋁金屬於抗反射層之上，且其厚度較佳地可小於0.05微米。
綜合上述，本發明之薄膜太陽能電池是藉由物理性沉積技術設置一層強光吸收層於太陽能電池中。光吸收層之位置可位於P-I-N半導體中之P型層與I型層之間或I型層與N型層之間。由於光吸收層之材質為銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)等硒化物，其具有寬廣光譜吸收範圍、良好的材料穩定度等特性 ，可改變習知之薄膜太陽能電池之光電特性，並提升光電轉換效率。附帶一提的是，藉由物理性沉積技術搭配電漿熱處理來設置光吸收層，可減少製作步驟及酸鹼性溶液的消耗，進而減少環境之污染問題。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
2‧‧‧薄膜太陽能電池
200‧‧‧基板
210‧‧‧第一透明導電層
220‧‧‧P型層
230‧‧‧光吸收層
240‧‧‧緩衝層
250‧‧‧I型層
260‧‧‧N型層
270‧‧‧第二透明導電層
280‧‧‧抗反射層
290‧‧‧電極層

Claims (12)

  1. 一種薄膜太陽能電池之製造方法，其包含下列步驟：清洗一基板；設置一P型層於該基板之上方；藉由一物理沉積技術設置一光吸收層於該P型層之上方；藉由氫/氮電漿熱處理該光吸收層；沉積一緩衝層於該光吸收層之上方，以增加該光吸收層晶體結構之相配性，且該緩衝層之材質係為矽；設置一I型層於該緩衝層之上方；以及設置一N型層於該I型層之上方；其中該光吸收層熱處理之溫度係介於550~700℃之間，且熱處理之時間係介於40~70秒之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，更包含下列步驟：設置一第一透明導電層於該基板與該P型層之間；設置一第二透明導電層於該N型層之上方；設置一抗反射層於該第二透明導電層之上方；以及設置一電極層於該抗反射層之上方。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，其中該光吸收層之厚度係小於50奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，其中該光吸收層之材質係包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系 (CIGSe-based)。
  5. 一種薄膜太陽能電池之製造方法，其包含下列步驟：清洗一基板；設置一P型層於該基板之上方；設置一I型層於該P型層之上方；藉由一物理沉積技術設置一光吸收層於該I型層之上方；藉由氫/氮電漿熱處理該光吸收層；沉積一緩衝層於該光吸收層之上方，以增加該光吸收層晶體結構之相配性，且該緩衝層之材質係為矽；以及設置一N型層於該緩衝層之上方；其中該光吸收層熱處理之溫度係介於550~700℃之間，且熱處理之時間係介於40~70秒之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，更包含下列步驟：設置一第一透明導電層於該基板與該P型層之間；設置一第二透明導電層於該N型層之上方；設置一抗反射層於該第二透明導電層之上方；以及設置一電極層於該抗反射層之上方。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，其中該光吸收層之厚度係小於50奈米。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池之製造方法，其中該光吸收層之材質係包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)。
  9. 一種薄膜太陽能電池，其包含：一基板； 一P型層，係設置於該基板之上方；一I型層，係設置於該P型層之上方；一光吸收層，係藉由一物理沉積技術設置於該P型層之上方；一緩衝層，係設置於該光吸收層之上方，且該緩衝層之材質係為矽；以及一N型層，係設置於該I型層之上方；其中該光吸收層係藉由氫/氮電漿熱處理，其熱處理之溫度係介於550~700℃之間，且熱處理之時間係介於40~70秒之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜太陽能電池，更包含：一第一透明導電層，係設置於該基板與該P型層之間；一第二透明導電層，係設置於該N型層之上方；一抗反射層，係設置於該第二透明導電層之上方；以及一電極層，係設置於該抗反射層之上方。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜太陽能電池，其中該光吸收層之厚度係小於50奈米。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之薄膜太陽能電池，其中該光吸收層之材質係包含銅銦硒系(CISe-based)或銅銦鎵硒系(CIGSe-based)。
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