TWI478367B - 太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Taiwan Semiconductor Mfg Co Ltd
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Description

太陽能電池及其製造方法
本發明係關於一種太陽能電池，且特別是關於一種覆板型太陽能電池(superstrate solar cell)。
太陽能電池包括P型摻雜之吸收層(absorber layer)及N型摻雜之緩衝層(buffer layer)。於某些覆板型太陽能電池(superstrate solar cell)之中，吸收層係於形成緩衝層(如硫化鎘層)之後於高溫之下沈積形成。然而，於高溫下的吸收層沈積造成了緩衝層與吸收層間之元素交互擴散情形。
依據一實施例，本發明提供了一種太陽能電池之製造方法，包括：形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對特定波長為光學透明的；切割出穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部；形成摻雜有N型摻質之一緩衝層於該前接觸層與該第一切割區之上；形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上；以及形成導電之一後接觸層於該吸收層之上。
依據另一實施例，本發明提供了一種太陽能電池，包括：一基板；一前接觸層，位於該基板之上；一緩衝層，摻雜有N型摻質，位於該前接觸層之上；一吸收層，摻雜有P型摻質，位於該緩衝層之上；一導電之後接觸層，位於該吸收層之上；以及一第一切割區，垂直地分隔了該前 接觸層，該第一切割區係為該緩衝層與該吸收層所填滿；其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的。
依據又一實施例，本發明提供了一種太陽能電池之製造方法，包括：形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的；切割出穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部；形成摻雜有N型摻質之一緩衝層於該前接觸層與該第一切割區之上；形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上；切割出穿透該吸收層與該緩衝層之一第二切割區，以露出該前接觸層之一部；形成導電之一後接觸層於該吸收層與該第二切割區之上；以及切割出穿透該後接觸層、該吸收層、及該緩衝層之一第三切割區，以露出該前接觸層之一部。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下：
以下，將詳細討論較佳實施例的製造和應用。但是應當理解的是，本發明所提供的多種適用的創造性概念可以在各種具體情況下實施。所討論的特定實施例僅僅是製造和應用本發明的特定方式的說明，並不限定本發明的範圍。
此外，本發明於不同實施例中可能重複使用標號及/或文字。如此之重複情形係基於簡化與清楚之目的，而非用於限定不同實施例及/或討論形態內的相對關係。再者，於本發明中形成一元件於另一元件之上、與之相連結及/或與 之相耦接之情形可包括了元件間的直接接觸的實施情形，且亦可包括額外元件形成於上述元件之間之實施情形，進而使得上述元件之間為非直接接觸的。此外，於本發明中將使用如”下方的”、”上方的”、”水平的”、”垂直的”、”高於”、”低於”、”上”、”下”、”頂部的”、”底部的”等空間相關描述及其相關描述(例如”水平地”、”向下地”、”向上地”等)以簡單描述不同元件之間的相對關係。上述空間描述可包括具有此些構件之元件的不同方向。
第1圖為一示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之一種覆板型太陽能電池模組。此覆板型太陽能電池模組100包括一基板102(例如為玻璃材質)、一前接觸層104(例如為透明導電氧化物材質，TCO)、一緩衝層106(例如硫化鎘材質，CdS)、一吸收層108(例如銅銦鎵硒材質，CIGS)與一後接觸層110(例如為鉬材質，Mo)。基於電性連結之用，一正接點120係耦接於前接觸層104，而一負接點122則耦接於後接觸層110。
基板102允許特定波長的穿透以使太陽能電池100生電。於部份實施例中，基板102包括玻璃(例如為鈉鈣玻璃，soda-lime glass)、可撓聚亞醯胺(flexible polyimide)或其他之適當材料，並於部份實施例中具有約為0.1-3公釐(mm)之厚度。
第一切割區112垂直地分隔了前接觸層104。第一切割區112係由一切割程序(例如機械切割或雷射切割)所形成，以定義出一主動區118與一內連區119。第一切割區112係由緩衝層106與吸收層108所填滿。第二切割區114 垂直地分隔了緩衝層106與吸收層108。第二切割區114可由一切割程序(如機械切割或雷射切割)所形成，以定義出用於前接觸層104與後接觸層110間內部連接之電性通道。第二切割區114係由後接觸層110所填滿。
第三切割區116垂直地分隔了緩衝層106、吸收層108與後接觸層110。第三切割區116係由切割程序(如機械切割或雷射切割)所形成，以提供相鄰太陽能電池之間的隔離情形。於部份實施例中，第一切割區112與第二切割區114具有約45-85微米之寬度，而第三切割區116具有約48-68微米之寬度。上述切割程序促進了覆板型太陽能電池之製造流程。
前接觸層104為導電且對於特定(或目標)波長為光學透明的之一薄膜。於部份實施例中，前接觸層可包括透明導電氧化物(TCO)，例如二氧化錫(SnO2 )、銦錫氧化物(In2 O3 ：Sn，ITO)、In2 O2 ：Ga、In2 O3 ：F、鎘錫氧化物(Cd2 SnO4 ，CTO)、鋅錫氧化物(Zn2SnO4)、氟摻雜之氧化錫(FTO)、如摻雜鋁之氧化鋅(ZnO：Al，AZO)之摻雜有III族元素之氧化鋅或摻雜銦之氧化鎘。於部份實施例中，可於上述透明導電氧化物之上沈積窄線金屬柵(narrow lined metal grids)以降低串聯電阻值。
於部分實施例中，透明導電氧化物具有約0.25-1.5微米之厚度。透明導電氧化物可摻雜有N型摻質，或摻雜有P型摻質。前接觸層104亦可包括使用碳奈米管網路及/或石墨烯(graphene)之於製造後對於遠紅外線為高度透明之有機膜層以及如聚(3,4-二氧乙基塞吩)(poly (3,4-ethylenedioxythiophene))及其衍生物之聚合物網路。
緩衝層106可包括CdS、Inx Sey 、In(OH)x Sy 、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnS(O,OH)、ZnIn2 Se4 、ZnMgO或其組合，或其他適當材料，且可摻雜有N型摻質。於部分實施例中，緩衝層106具有約0.01-0.1微米之厚度。
緩衝層106(如硫化鎘層)有助於太陽能電池的價帶對準(band alignment)，進而創造出一空乏層以降低穿隧效應，並建立了可達成較高之開路電壓值的較高接觸電勢。於部份實施例中，緩衝層106包括了多重膜層，例如包括由蒸鍍(evaporation)或化學浴沈積(CBD)所形成之一較薄的高阻值層及摻雜有2%的銦或鎵之一較厚的低阻值層之硫化鎘之雙膜層。
吸收層108為一P型膜層，且可包括於週期表內之第I、III、VI族元素之組成物，例如包括銅銦鎵硒(CIGS)之(銅、金、銀/鋁、鎵、銦/硫、硒、銻)或其他之任何適當材料。基於其結晶結構，如銅銦鎵(CIS)或銅銦鎵硒(CIGS)之I-III-VI2 半導體通稱為黃銅礦(chalcopryites)。此些材料可製備成多種組成物。於太陽能電池應用中，方便，具有P型導電性之輕度銅缺乏組成物可用做為吸收層108。
於部份實施例中，吸收層108包括了CuInSe2 、CuGaTe2 、Cu2 Ga4 Te7 、CuInTe2 、CuInGaSeS2 、CuInAlSe2 、CuInAlSeS2 、CuGaSe2 、CuAlSnSe4 、ZnIn2 Te4 、CdGeP2 、ZnSnP2 或其組合，或其他適當材料。於部份實施例中，吸收層108具有約0.1-4微米之厚度。於部份實施例中，吸收層108可包括具有不同程度之P型摻質摻雜之多重膜層。
導電之後接觸層110可包括鉬(Mo)、鉑(Pt)、金(Au)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鈣(Ca)、銀(Ag)或其組合，或其他之適當材料，且於部分實施例中具有約為0.5-1.5微米之厚度。舉例來說，採用鉬做為後接觸層110可於製程中表現出相對良好之穩定度、與銅與銦之合金化的阻抗及與吸收層108間之低接觸電阻，鉬的電阻率通常約為5＊ 10-5 歐姆或更少。
覆板型太陽能電池可依照一串聯結構或一多重接合太陽能電池結構而使用，此時覆板型太陽能電池係做為用於光源之較短波部份之一頂部電池。覆板型太陽能電池之玻璃基板不僅做為支撐之用，其亦做為封裝材之一部份，因此相較於基板型太陽能電池(substrate solar cell)而降低了模組成本。
相較於覆板型太陽能電池100，基板型太陽能電池的封裝需要額外之玻璃以保護其結構免於受到環境條件及物理衝擊，並使用了如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)之透光/抗UV封裝物或灌封材(pottant)。此習知之乙烯-醋酸乙烯酯灌封材於經歷了關於長時間氣候穩定性之光化劣化或光熱劣化時，將產生由黃至棕的變色情形。而如第1圖所示之覆板型太陽能電池100則不需要額外之封裝，因而遭遇到較少的乙烯-醋酸乙烯酯封裝可靠度問題，因此具有較低之製造成本。
第2A-2H圖顯示了如第1圖所示之覆板型太陽能電池模組之不同製造步驟中之一系列示意圖。請參照第2A圖，顯示了於形成其他膜層前之基板102。請參照第2B圖，於 基板102上形成前接觸層104。於一範例中，摻雜鋁之氧化錫層(Al-doped ZnO)可藉由射頻濺鍍(RF-sputtered)方式而形成了前接觸層104。於另一範例中，藉由射頻磁電濺鍍(RF magnetron sputtering)與電沈積方式(electrodeposition)以形成未摻雜之氧化錫(intrinsic ZnO)與氧化鋁鋅(AZO)的組合以做為前接觸層104。
請參照第2C圖，藉由如雷射切割或機械切割之方式切割前接觸層104，進而形成一第一切割區112(於此步驟中繪示為一開口)。第一切割區112露出了基板102之一部且垂直地分隔了前接觸層104。第一切割區112定義出第1圖內之主動區118及內連區119。(第一切割區112稍後將為第2D圖與第2E圖內之緩衝層106與吸收層108所填滿)。
請參照第2D圖，於前接觸層104與第一切割區112內之基板102之上形成一緩衝層106。緩衝層106可藉由化學浴沈澱(CBD)、原子束磊晶(MBE)、金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、原子層沈積(ALD)、原子層化學氣相沈積(ALCVD)、物理氣相沈積(PVD)、蒸鍍、濺鍍、離子層氣體反應(ILGAR)、超音波噴灑(US)或其他適當程序所形成。
請參照第2E圖，於緩衝層106與第一切割區112之上形成緩衝層108。可使用不同之薄膜沈積方法以沈積如Cu(In,Ga)Se2 之吸收層108。於一製造方法中，採用了兩步驟程序以區別金屬傳遞以及用於吸收層108之元件品質膜層的反應。第一步驟為沈積前驅物材料，如藉由使用二元(Cu-Ga、Cu-Se、Ga-Se、In-Se)、三元(Cu-In-Ga、Cu-In-Al、Cu-In-Se)或四元(Cu-In-Ga-Se、Cu-Al-In-Se)靶材之濺鍍。
第二步驟為如藉由蒸鍍或濺鍍硒之硒化以及透過黃銅礦化反應(即堆疊金屬或前驅物合金膜層之硒化)以最佳化銅銦鎵硒化合物的形成之經控制之反應性氣氛或鈍氣氣氛(如氬氣或氮氣)下之熱回火程序。於部份實施例中，第一步驟中可包括上述硒化程序，而第二步驟可為上述熱回火程序。於第二步驟之示範程序中，可施行快速熱製程(rapid thermal processing，RTP)，其提供了前驅物膜層轉變成為黃銅礦半導體之轉化反應。於部份實施例中，上述快速熱製程具有於氬氣或氮氣之下大於每秒10℃之升溫速率，並接著維持於約400-600℃之目標溫度約不超過5-30分鐘。
由於較短之加熱與冷卻時間，上述快速熱製程降低了介於吸收層108與緩衝層106界面之內部擴散問題。由於較為快速之製程時間，較短之加熱與冷卻時間亦有利於高產能/良率製程的施行。於另一實施例中，第二步驟內之前驅物膜層可與H2 Se或硒蒸氣下於400-500℃反應約30-60分鐘以形成吸收層108。
上述之前驅物金屬及/或合金可藉由包括真空或非真空之多種方法沈積而成。舉例來說，濺鍍、熱蒸鍍、電漿加強型化學氣相沈積(PECVD)、大氣壓金屬有機化學氣相沈積或閃燃蒸鍍。於一真空相關方法中，可濺鍍形成銅/銦層並使之與硫化氫反應以形成CuInS2 。
形成吸收層108之另一示範方法為真空共蒸鍍，其可將銅、銦、鎵及/或硒之所有成分同時傳遞至加熱至400-600℃基板處，進而於單一成長程序中形成了Cu(In,Ga)Se2 薄膜。
請參照第2F圖，藉由雷射切割或機械切割之程序以切割穿透吸收層108與緩衝層106並形成第二切割區114(於本步驟中顯示為一開口)。第二切割區114露出了前接觸層104之一部，並垂直地分隔了緩衝層106與吸收層108。第二切割區114定義出前接觸層104與如第2G圖所示之後接觸層110間之一電性通道。第二切割區114接著為如第2G圖所示之後接觸層110所填滿。
請參照第2G圖，後接觸層110係形成於吸收層108與第二切割區114內之前接觸層104之上。後接觸層110可藉由電子束沈積、濺鍍或其他適當方法而沈積形成。於其他實施例中，後接觸層110可包括多重膜層，如摻雜鈉之鉬/鉬之雙膜層。
請參照第2H圖，藉由雷射切割或機械切割程序切割穿透後接觸層110、吸收層108與緩衝層106，以形成第三切割區116(繪示為一開口)。第三切割區116露出了前接觸層104之一部並垂直地分隔了緩衝層106、吸收層108與後接觸層110。第三切割區116提供了鄰近電池之間的隔離情形。
第3圖為一流程圖，顯示了依據本發明之一實施例之如第1圖所示之覆板型太陽能電池模組之製造方法。所示之製程與材料之詳細描述則同前所述，故不在此重複描述。
於步驟302中，形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的。於步驟304中，切割穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部。於步驟306中，形成摻雜有N型摻質之一緩衝 層於該前接觸層與該第一切割區之上。於步驟308中，形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上。於步驟310中，形成導電之一後接觸層於該吸收層之上。
依據部分實施例，本發明提供了一種太陽能電池之製造方法，包括：形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對特定波長為光學透明的；切割出穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部；形成摻雜有N型摻質之一緩衝層於該前接觸層與該第一切割區之上；形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上；以及形成導電之一後接觸層於該吸收層之上。
依據部分實施例，本發明提供了一種太陽能電池，包括：一基板；一前接觸層，位於該基板之上；一緩衝層，摻雜有N型摻質，位於該前接觸層之上；一吸收層，摻雜有P型摻質，位於該緩衝層之上；一導電之後接觸層，位於該吸收層之上；以及一第一切割區，垂直地分隔了該前接觸層，該第一切割區係為該緩衝層與該吸收層所填滿；其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，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。
100‧‧‧覆板型太陽能電池模組
102‧‧‧基板
104‧‧‧前接觸層
106‧‧‧緩衝層
108‧‧‧吸收層
110‧‧‧後接觸層
112‧‧‧第一切割區
114‧‧‧第二切割區
116‧‧‧第三切割區
118‧‧‧主動區
119‧‧‧內連區
120‧‧‧正接點
122‧‧‧負接點
302、304、306、308、310‧‧‧步驟
第1圖為一示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之一種覆板型太陽能電池模組；第2A-2H圖顯示了依據本發明之多個實施例之如第1 圖所示覆板型太陽能電池模組於不同製造步驟中之一系列示意圖；以及第3圖為一流程圖，顯示了依據本發明之多個實施例之如第1圖所示覆板型太陽能電池模組之製造方法。
302、304、306、308、310‧‧‧步驟

Claims (12)

  1. 一種太陽能電池之製造方法，包括：形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對特定波長為光學透明的；切割出穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部；形成摻雜有N型摻質之一緩衝層於該前接觸層與該第一切割區之上；形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上；以及形成導電之一後接觸層於該吸收層之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，更包括切割出穿透該吸收層與該緩衝層之一第二切割區，以露出該前接觸層之一部，而該第二切割區係為該後接觸層所填滿。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池之製造方法，更包括切割出穿透該後接觸層、該吸收層、及該緩衝層之一第三切割區，以露出該前接觸層之一部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池之製造方法，其中形成該吸收層包括：沈積複數個前驅物金屬層；以及施行一快速熱製程。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能電池之製造方法，更包括蒸鍍一化學元素硒。
  6. 一種太陽能電池，包括： 一基板；一前接觸層，位於該基板之上；一緩衝層，摻雜有N型摻質，位於該前接觸層之上；一吸收層，摻雜有P型摻質，位於該緩衝層之上；一導電之後接觸層，位於該吸收層之上；以及一第一切割區，垂直地分隔了該前接觸層，該第一切割區係為該緩衝層與該吸收層所填滿；其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，更包括垂直地分隔了該緩衝層與該吸收層之一第二切割區，而該第二切割區係為該後接觸層所填滿。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池，更包括一第三切割區，垂直地分隔該緩衝層、該吸收層與該後接觸層。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該前接觸層包括透明導電氧化物。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該緩衝層包括CdS、Inx Sey 、In(OH)x Sy 、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnS(O,OH)、ZnIn2 Se4 、ZnMgO、或其組合，而該吸收層包括CuInSe2 、CuGaTe2 、Cu2 Ga4 Te7 、CuInTe2 、CuInGaSeS2 、CuInAlSe2 、CuInAlSeS2 、CuGaSe2 、CuAlSnSe4 、ZnIn2 Te4 、CdGeP2 、ZnSnP2 或其組合，而該後接觸層包括鉬、鉑、金、銅、鉻、鋁、鈣、銀或其組合。
  11. 一種太陽能電池之製造方法，包括： 形成一前接觸層於一基板上，其中該前接觸層為導電的且對於特定波長為光學透明的；切割出穿透該前接觸層之第一切割區，以露出該基板之一部；形成摻雜有N型摻質之一緩衝層於該前接觸層與該第一切割區之上；形成摻雜有P型摻質之一吸收層於該緩衝層之上；切割出穿透該吸收層與該緩衝層之一第二切割區，以露出該前接觸層之一部；形成導電之一後接觸層於該吸收層與該第二切割區之上；以及切割出穿透該後接觸層、該吸收層、及該緩衝層之一第三切割區，以露出該前接觸層之一部。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池之製造方法，其中形成該吸收層包括：沈積包括銅、銦、鎵、硒或其組合之一前驅物金屬層；蒸鍍硒；以及施行一快速熱製程。
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