TWI488326B - Thin film solar cell molybdenum electrode structure - Google Patents

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Description

薄膜太陽能電池鉬電極結構
本發明是有關於一種鉬(Mo)電極剝落的改善方法，特別是指一種薄膜太陽能電池(thin film solar cell)之鉬電極剝落的改善方法。
為隨著能源危機的問題日趨嚴重，相關綠能產業正積極地尋求各種替代石油的資源。以目前的狀況來說，則屬太陽能電池最為常見。在矽晶(single Si)太陽能電池、多晶矽(poly-crystalline Si)太陽能電池、非晶矽(amorphous Si)太陽能電池、Ⅲ-V族光電半導體(semiconductor)太陽能電池、薄膜太陽能電池等太陽能電池產業中，又基於薄膜太陽能電池的製造生產成本相對矽晶太陽能電池與Ⅲ-V族光電半導體太陽能電池低，且光電轉換效率(photon-to-current conversion efficiency；PCE)佳等因素，而為多數綠能產業所開發。
薄膜太陽能電池是以具有黃銅礦晶相結構(chalcopyrite phase)的材料作為其光吸收層(absorber layer)，如，硒化銅銦鎵(CuIn x Ga 1-x Se 2)。因此，以此種黃銅礦晶相之材料作為光吸收層的薄膜太陽能電池亦被稱為CIGS系或CIS系太陽能電池。根據現有的製法中，其大致上可被區分成兩種製程。其中一者為真空製程，其中另一者為非真空製程，例如，粉末冶金法(powder metallurgy process)。
現階段使用粉末冶金法來製作薄膜太陽能電池的整體製程，其包含以下步驟： (A)於一基板上濺鍍(sputtering)一Mo電極層；(B)使用有機溶劑(organic solvent)對該Mo電極層清洗藉以移除殘留在其上方的污染物；及(C)以粉末冶金法於該經清洗的Mo電極層上形成一CIGS層以製得一薄膜太陽能電池。
在實施該步驟(C)之粉末冶金法的燒結製程(sintering)之前，經上述方法所製得之薄膜太陽能電池的Mo電極層已自該基板剝離。其原因是來自於在該步驟(B)的清洗過程中的有機溶劑滲透進入該Mo電極層，並滲入到該基板與Mo電極層之間，因而導致Mo電極層的剝離。
此外，於該步驟(C)之粉末冶金法所實施之高溫(約500℃左右)的燒結製程後，其基於Mo電極層剝離的原因，更導致該CIGS層產生裂痕。因此，Mo電極剝離的問題，對於使用非真空製程來製作薄膜太陽能電池等相關技術領域者而言，確實造成諸多障礙。
整合上述說明，解決薄膜太陽能電池之鉬電極剝落問題，是此技術領域者當前所待突破的課題。因此，本發明之目的，即在提供一種薄膜太陽能電池之鉬電極覆著性與電性的改善方法。
100、400、700、1000‧‧‧玻璃基板
200、500、800、1100‧‧‧第一鉬金屬層
300、600、900、1300‧‧‧第二鉬金屬層
1200‧‧‧第二金屬層
如第1圖所示，為一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極接觸的製造方法，包括：(1)使用丙酮清洗一玻璃基板100，(2)將玻璃基板放至於真空腔體中並將腔體抽至工作壓力小於2.5×10-7Torr的工作環境， (3)使用蒸鍍(evaporation)的方法將第一鉬金屬層200形成於一玻璃基板100上，(4)再使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第二鉬金屬層300形成於一玻璃基板上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在0.01~2mTorr，(5)重複上述薄膜沉積的(3)~(4)方法1~3次，以產生2層至6層之鉬金屬接觸電極。
當依據上述製程所產生之第一鉬金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為2：8~4：6，第一鉬金屬層之側面結構為具有纖維狀之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶之金屬薄膜，而此雙層鉬金屬層存在-1.4~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向。
如第2圖所示，為一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極接觸的製造方法，包括：(1)使用丙酮清洗一玻璃基板400，(2)將玻璃基板放至於真空腔體中並將腔體抽至工作壓力小於2.5×10-7Torr的工作環境，(3)使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第一鉬金屬層500形成於一玻璃基板上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在0.01~2mTorr， (4)再使用蒸鍍(evaporation)的方法將第二鉬金屬層600形成於一第一鉬金屬層上，(5)重複上述薄膜沉積的(3)~(4)方法1~3次，以產生2層至6層之鉬金屬接觸電極。
當依據上述製程所產生之第一鉬金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為2：8~4：6，第一鉬金屬層之側面結構為具有纖維狀之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶之金屬薄膜，而此雙層鉬金屬層存在-1.0~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向。
如第3圖所示，為一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極接觸的製造方法，包括：(1)使用丙酮清洗一玻璃基板700，(2)將玻璃基板放至於真空腔體中並將腔體抽至工作壓力小於2.5×10-7Torr的工作環境，(3)使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第一鉬金屬層800形成於一玻璃基板700上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在1~2mTorr，(4)再使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第二鉬金屬層900形成於第一鉬金屬層上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在0.01~1mTorr， (5)重複上述薄膜沉積的(3)~(4)方法1~3次，以產生2層至6層之鉬金屬接觸電極。
如第4圖所示，為一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極接觸的製造方法，包括：(1)使用丙酮清洗一玻璃基板1000，(2)將玻璃基板放至於真空腔體中並將腔體抽至工作壓力小於2.5×10-7Torr的工作環境，(3)使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第一鉬金屬層1100形成於一玻璃基板上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在1~2mTorr，(4)使用濺鍍(sputtering)的方法，將第二金屬層1200形成於第一鉬金屬層上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在0.01~1mTorr，其中該第二金屬層係選自鈦(Ti)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)、氧化鎢(W2N)、氧化鉬(MoO)、氮氧化鉬(MoON)，(5)使用濺鍍(sputtering)的方法，將另第二鉬金屬層1300形成於第二金屬層上，其中濺鍍的條件為電流維持在0.1~2.0A，濺鍍的功率維持在100~200W，Ar的流量控在15sccm，基板與靶材之間的工作距離固定為90mm，壓力維持在0.01~1mTorr，(6)重複上述薄膜沉積的(3)~(4)方法1~3次，以產生3層至9層 之鉬金屬接觸電極。
當依據上述製程所產生之第一鉬金屬層、一金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為3：2：5~4：2：4，第一鉬金屬層與一金屬層之側面結構為具有纖維狀之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶之金屬薄膜，而此三層金屬層存在-1.0~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向。
如第5圖所示，為在不同濺鍍壓力下所沉積雙層鉬電極之剖面與頂面之SEM圖，(a,d)為在2.5mTorr壓力下濺鍍結果，(b,e)為在5.0mTorr壓力下濺鍍結果，(c,f)為在15.0mTorr壓力下濺鍍結果。
如第6圖所示，為在不同濺鍍壓力下所沉積鉬電極之XRD結果。
如第7圖所示，為在不同濺鍍壓力下所沉積鉬電極之薄膜應力狀態變化。
如第8圖所示，為在不同濺鍍壓力下所沉積鉬電極之薄膜尺寸與FWFM變化。
如第9圖所示，為在不同濺鍍壓力下所沉積鉬電極之薄膜電性變化。
下表1是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表2是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表3是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表4是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表5是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表6是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表7是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表8是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表9是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表10是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表11是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表12是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表13是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
下表14是將目前實驗的各種參數與結果做出一綜合性整理。
100‧‧‧玻璃基板
200‧‧‧第一鉬金屬層
300‧‧‧第二鉬金屬層

Claims (3)

  1. 一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極結構，依序包括：玻璃基板、第一鉬金屬層、第二鉬金屬層，其中第一鉬金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為2：8~4：6，第一鉬金屬層之側面結構為具有纖維狀結構之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶結構之金屬薄膜，而此雙層鉬金屬層存在-1.4~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向。
  2. 一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極結構，依序包括：玻璃基板、第一鉬金屬層、第二鉬金屬層，其中第一鉬金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為2：8~4：6，第一鉬金屬層之側面結構為具有纖維狀結構之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶結構之金屬薄膜，而此雙層鉬金屬層存在-1.0~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向。
  3. 一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的電極結構，依序包括：玻璃基板、第一鉬金屬層、一金屬層、第二鉬金屬層，其中第一鉬金屬層、一金屬層、第二鉬金屬層之厚度比為3：2：5~4：2：4，第一鉬金屬層與一金屬層之側面結構為具有纖維狀結構之金屬薄膜，第二鉬金屬層之側面結構為具有柱狀晶結構之金屬薄膜，而此三層金屬層存在-1.0~-0.1GPa的壓應力，薄膜的優選方位為在40.25°~40.75°的[110]方向，其中一金屬層係選自鈦(Ti)、鎢(W)、氮化鈦(TiN)、氧化鎢(W2N)、氧化鉬(MoO)、氮氧化鉬(MoON)。
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TWM462952U (zh) * 2009-12-22 2013-10-01 Nat Univ Chin Yi Technology 薄膜太陽能電池之裝置結構

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