TWI463684B - Compound thin film solar cell manufacturing method and its preparation of solar cell - Google Patents

Compound thin film solar cell manufacturing method and its preparation of solar cell Download PDF

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Description

化合物薄膜太陽能電池製作方法及其製得之太陽能電池
本發明是有關於一種化合物薄膜太陽能電池製作方法及其製得之太陽能電池，尤指一種可達到製程快速、無毒、良率佳以及可製成較大面積之功效者。
按，一般習用化合物薄膜太陽能之吸收材料層，其製作時係具有三階段，第一階段係加入銦、鎵及硒，之後於進入第二階段時係加入銅及硒，當進入第三階段時係加入銦、鎵及硒，藉以利用該三階段製成化合物薄膜太陽能之吸收材料層(如：美國專利US 5,436,204所示)。
然，以上述習用之三階段而言，其各階段之步驟中係以非固定溫度之方式進行，由於各階段之溫度不是固定的，因此，於進行控制時候之溫度是具有變化性的，如此，當溫度固定以後若要再加以升溫時，便會有溫度難以控制之狀態發生，導致工作溫度不易受到控制，而造成諸多狀況，嚴重影響其製程之良率，再者更會因如此複雜不易控制之操作溫度，而有不易作成大面積之情形，使得化合物薄膜太陽能之吸收材料層無法量產。
另一習用之方式係於進行濺鍍後，再進行硒化與硫化(如：美國專利US 5,981,868所示，其硒化的過程是在做事後的熱擴散時才進行)，但此方式會有毒物產生，較不環保且安全性亦相對較差，而且其製程之時間約8小時~12小時，再者由於兩種習用之方式會因製程步驟之不同有真空及無真空 狀態，或以蒸鍍方式進行製作，不但造成功時及功序上之浪費，更會使結構材料之特性較差。
有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「化合物薄膜太陽能電池製作方法及其製得之太陽能電池」，藉以改善習用之種種問題。
本發明之主要目的係在於，可達到製程快速、無毒、良率佳以及可製成較大面積之功效。
為達上述之目的，本發明係一種化合物薄膜太陽能電池製作方法及其製得之太陽能電池，其雙漸層實施例中，該吸收材料層係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行製作，而製程之控制條件包括有三階段，第一階段中係於正規化(normalized)功率0.35W±10%與0.5W±10%時分別導入銦(In)及銅鎵(CuGa)，而銦(In)與銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5；第二階段中係於正規化功率0.1W±10%、0.2W±10%與0.75W±10%時分別導入銅鎵(CuGa)、銅(Cu)及銦(In)，而該銅鎵(CuGa)、銅(Cu)與銦(In)之摻雜濃度比例為1：2：7.5；第三階段中係於正規化功率0.35W±10%與0.5W±10%時分別導入銦(In)及(CuGa)，而該銦(In)與銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
於本發明上述之實施例中，該第一階段佔總製程之時間為45%±20。
於本發明上述之實施例中，該第二階段佔總製程之時間為50%±20。
於本發明上述之實施例中，該第三階段佔總製程之時間為5%±5。
於本發明上述之實施例中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
於本發明之一實施例中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
於本發明之單層實施例中，其控制條件為單階段，該階段中係於正規化功率0.35W±10%與0.5W±10%時分別導入銦(In)及銅鎵(CuGa)，而銦(In)與銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
上述之實施例中，該階段佔總製程之時間為100%。
上述之實施例中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS) 材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
上述之實施例中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
另外於本發明之方法實施例中至少包含有下列步驟：步驟一：係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行吸收材料層之製作，於第一階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)，而於正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，且該銦(In)與銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5；步驟二：於第二階段中係於正規化功率0.1W±10%時導入銅鎵(CuGa)，而於正規化功率0.2W±10%時導入銅(Cu)，並於正規化功率0.75W±10%時導入銦(In)，且該銅鎵(CuGa)、銅(Cu)與銦(In)之摻雜濃度比例為1：2：7.5；以及步驟三：於第三階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)，而於正規化功率0.5W±10%時導入銅鎵(CuGa)，且該銦(In)與銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
上述之實施例中，該第一階段佔總製程之時間為45%±20。
上述之實施例中，該第二階段佔總製程之時間為50%±20。
上述之實施例中，該第三階段佔總製程之時間為5%±5。
上述之實施例中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
上述之實施例中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
請參閱『第1、2、3及第4圖』所示，係分別為本發明之化合物薄膜太陽能電池示意圖、本發明之雙漸層吸收材料層製作示意圖、本發明雙漸層吸收材料層之特性示意圖及本發明之另一化合物薄膜太陽能電池示意圖。如圖所示：本發明係一種化合物薄膜太陽能電池製作方法及其製得之太陽能電池，該太陽能電池1係包含有一鈉玻璃基板10、一設於鈉玻璃基板10上之鉬(Mo)材料層11、一設於鉬(Mo)材料層11上之吸收材料層12、一設於吸收材料層12上之硫化鎘 (CdS)材料層13、一設於硫化鎘(CdS)材料層13上之氧化鋅(ZnO)材料層14、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層14上之透明導電層(AZO)15，而該吸收材料層12係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行製作(圖未示)，且該吸收材料層12之雙漸層製程之控制條件包括有下列三階段：第一階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)121，而於正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)122，且該銦(In)121與銅鎵(CuGa)122之摻雜濃度比例為3.5：5，其中該第一階段佔總製程之時間為45%±20。
第二階段中係於正規化功率0.1W±10%時導入銅鎵(CuGa)122，而於正規化功率0.2W±10%時導入銅(Cu)123，並於正規化功率0.75W±10%時導入銦(In)121，且該銅鎵(CuGa)122、銅(Cu)123與銦(In)121之摻雜濃度比例為1：2：7.5，其中該第二階段佔總製程之時間為50%±20。
第三階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)121，而於正規化功率0.5W±10%時導入銅鎵(CuGa)122，且該銦(In)121與銅鎵(CuGa)122之摻雜濃度比例為3.5：5，其中該第三階段佔總製程之時間為5%±5。
如此，可使本發明吸收材料層12之雙漸層結構，運用於太陽能電池1時達到較佳之光電轉換效率。
且本發明因吸收材料層12之設置，而使該太陽能電池1除上述結構之外，亦可為另一太陽能電池1a之結構(如第4圖所示)，其包含有一不鏽鋼基板10a、一設於不鏽鋼基板 10a上之鉻(Cr)材料層16a、一設於鉻(Cr)材料層16a上之鉬鈉(MoNa)材料層17a、一設於鉬鈉(MoNa)材料層17a上之鉬(Mo)材料層11、一設於鉬(Mo)材料層11上之吸收材料層12、一設於吸收材料層12上之硫化鎘(CdS)材料層13、一設於硫化鎘(CdS)材料層13上之氧化鋅(ZnO)材料層14、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層14上之透明導電層(AZO)15；使本發明之吸收材料層12可運用於不鏽鋼基板10a上，以符合不同實施狀態之所需。
請參閱『第5及第6圖』所示，係分別為本發明之單層吸收材料層製作示意圖及本發明單層吸收材料層之特性示意圖。如圖所示：本創作除上述第一實施例中所提之雙漸層結構製程之外，亦可為本第二實施例中所提之單層製程，而其控制條件係為單階段：該階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)121，而於正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)122，且該銦(In)121與銅鎵122(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5，其中該該階段佔總製程之時間為100%。
如此，可使本發明吸收材料層12之單層結構，運用於太陽能電池1、1a時達到較佳之光電轉換效率(如第6圖所示)。
請參閱『第7圖』所示，係本發明之流程示意圖。在此藉由第一實施例為基礎進一步說明，如圖所示：本發明化合物薄膜太陽能電池之製作方法(請同時配合參閱第1、2及第3圖)，包含有下列步驟： 步驟一21：係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行吸收材料層之製作，於第一階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)121，而於正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)122，且該銦(In)121與銅鎵(CuGa)122之摻雜濃度比例為3.5：5，其中該第一階段佔總製程之時間為45%±20。
步驟二22：於第二階段中係於正規化功率0.1W±10%時導入銅鎵(CuGa)122，而於正規化功率0.2W±10%時導入銅(Cu)123，並於正規化功率0.75W±10%時導入銦(In)121，且該銅鎵(CuGa)122、銅(Cu)123與銦(In)121之摻雜濃度比例為1：2：7.5，其中該第二階段佔總製程之時間為50%±20。
步驟三23：於第三階段中係於正規化功率0.35W±10%時導入銦(In)121，而於正規化功率0.5W±10%時導入銅鎵(CuGa)122，且該銦(In)121與銅鎵(CuGa)122之摻雜濃度比例為3.5：5，其中該第三階段佔總製程之時間為5%±5。
如此，可使本發明吸收材料層12之雙漸層結構，運用於太陽能電池1時達到較佳之光電轉換效率。
綜上所述，本發明化合物薄膜太陽能電池可有效改善習用之種種缺點，可達到製程快速、無毒、良率佳以及可製成較大面積之功效；進而使本發明之產品能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以 此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1、1a‧‧‧化合物薄膜太陽能電池
10‧‧‧鈉玻璃基板
10a‧‧‧不鏽鋼基板
11‧‧‧鉬材料層
12‧‧‧吸收材料層
121‧‧‧銦
122‧‧‧銅鎵
123‧‧‧銅
13‧‧‧硫化鎘材料層
14‧‧‧氧化鋅材料層
15‧‧‧透明導電層
16a‧‧‧鉻材料層
17a‧‧‧鉬鈉材料層
21‧‧‧步驟一
22‧‧‧步驟二
23‧‧‧步驟三
第1圖，係本發明之化合物薄膜太陽能電池示意圖。
第2圖，係本發明之雙漸層吸收材料層製作示意圖。
第3圖，係本發明雙漸層吸收材料層之特性示意圖。
第4圖，係本發明之另一化合物薄膜太陽能電池示意圖。
第5圖，係本發明之單層吸收材料層製作示意圖。
第6圖，係本發明單層吸收材料層之特性示意圖。
第7圖，係本發明之流程示意圖。
12‧‧‧吸收材料層
121‧‧‧銦
122‧‧‧銅鎵
123‧‧‧銅

Claims (18)

  1. 一種化合物薄膜太陽能電池製作方法，係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行一具有雙漸層結構之吸收材料層製程，包括有下列三階段：第一階段以正規化功率0.35W±10%導入銦(In)，並以正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，其中該銦(In)與該銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5；第二階段以正規化功率0.1W±10%導入銅鎵(CuGa)，以正規化功率0.2W±10%導入銅(Cu)，並以正規化功率0.75W±10%導入銦(In)，其中該銅鎵(CuGa)、該銅(Cu)與該銦(In)之摻雜濃度比例為1：2：7.5；以及第三階段以正規化功率0.35W±10%導入銦(In)，並以正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，其中該銦(In)與該銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該第一階段佔該製程之時間為45%±20。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該第二階段佔該製程之時間為50%±20。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該第三階段佔該製程之時間為5%±5。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、該設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料 層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、該設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  7. 一種化合物薄膜太陽能電池製作方法，係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行一具有單層結構之吸收材料層製程，為單階段：以正規化功率0.35W±10%導入銦(In)，並以正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，其中該銦(In)與該銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
  8. 依申請專利範圍第7項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該階段佔該製程之時間為100%。
  9. 依申請專利範圍第7項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、該設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  10. 依申請專利範圍第7項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於 不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、該設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  11. 一種化合物薄膜太陽能電池製作方法，其至少包含有下列步驟：步驟一：係於真空腔體內以濺鍍方式配合持續通入之硒蒸氣進行吸收材料層之製作，以正規化功率0.35W±10%導入銦(In)，並以正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，其中該銦(In)與該銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5；步驟二：以正規化功率0.1W±10%導入銅鎵(CuGa)，以正規化功率0.2W±10%導入銅(Cu)，並以正規化功率0.75W±10%導入銦(In)，其中該銅鎵(CuGa)、該銅(Cu)與該銦(In)之摻雜濃度比例為1：2：7.5；以及步驟三：以正規化功率0.35W±10%導入銦(In)，並以正規化功率0.5W±10%導入銅鎵(CuGa)，其中該銦(In)與該銅鎵(CuGa)之摻雜濃度比例為3.5：5。
  12. 依申請專利範圍第11項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該步驟一佔該三步驟之時間為45%±20。
  13. 依申請專利範圍第11項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該步驟二佔該三步驟之時間為50%±20。
  14. 依申請專利範圍第11項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該步驟三佔該三步驟之時間為5%±5。
  15. 依申請專利範圍第11項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  16. 依申請專利範圍第11項所述之化合物薄膜太陽能電池製作方法，其中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  17. 一種化合物薄膜太陽能電池，係以申請專利範圍第1項至第16項中任一項之方法所製得，其中，該太陽能電池係包含有一鈉玻璃基板、一設於鈉玻璃基板上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
  18. 一種化合物薄膜太陽能電池，係以申請專利範圍第1項至第16項中任一項之方法所製得，其中，該太陽能電池係包含有一不鏽鋼基板、一設於不鏽鋼基板上之鉻(Cr)材料層、 一設於鉻(Cr)材料層上之鉬鈉(MoNa)材料層、一設於鉬鈉(MoNa)材料層上之鉬(Mo)材料層、一設於鉬(Mo)材料層上之吸收材料層、一設於吸收材料層上之硫化鎘(CdS)材料層、一設於硫化鎘(CdS)材料層上之氧化鋅(ZnO)材料層、及一設於氧化鋅(ZnO)材料層上之透明導電層(AZO)。
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