TWI493736B - 薄膜太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

薄膜太陽能電池及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI493736B
TWI493736B TW101142338A TW101142338A TWI493736B TW I493736 B TWI493736 B TW I493736B TW 101142338 A TW101142338 A TW 101142338A TW 101142338 A TW101142338 A TW 101142338A TW I493736 B TWI493736 B TW I493736B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
absorber layer
type
layer
solar cell
thin film
Prior art date
Application number
TW101142338A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201336097A (zh
Inventor
Wen Chin Lee
Liang Sheng Yu
Wen Tsai Yen
Yung Sheng Chiu
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Mfg Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Mfg Co Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Mfg Co Ltd
Publication of TW201336097A publication Critical patent/TW201336097A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI493736B publication Critical patent/TWI493736B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

薄膜太陽能電池及其製造方法
本發明係關於光電伏打太陽能電池(photovoltaic solar cells)，特別是關於薄膜太陽能電池。
薄膜光電伏打(Thin film photovoltaic,PV)太陽能電池為一種能源裝置，可將光能轉換成為可利用的電能以應用於各種不同的需求。藉由在一基板上沉積各種半導體的薄層與膜層以及其他材料，以形成為多層半導體結構的薄膜太陽能電池。這些太陽能電池可被製造成為輕量的可撓性片材(light-weight flexible sheets)，上述可撓性片材的形式可包括複數個獨立的電性互聯電池。第1A圖顯示此類型的傳統太陽能電池片材係由複數個電性互聯之獨立的薄膜太陽能電池所形成。上述輕量以及可撓性等特性的優點給予薄膜太陽能電池廣泛且富有潛力的應用性，以利用於可攜帶的電子產品、航太設備、以及住宅與商業大樓，作為一電力來源，其可配合各種不同的建築特色，例如屋頂瓦片、建築物外牆、以及天窗。
薄膜太陽能電池利用一可將光線轉換成為電能的主動式光吸收層。上述吸收層係由各種不同的材料，包括非晶矽、鍗化鎘(cadmiun telluride,CdTe)、以及銅鎵銦二硒化物(copper indium gallium diselenide,CIGS)所構成。上述材料的最後兩項係包含在所謂的硫族化合物(chalcogenides)之半導體化合物的群組中，硫族化合物為二元化合物(binary compounds)，其尚包括硫化鎘 (cadmiun sulfide,CdS)。硫族化合物包括來自週期表VIA族的元素，包括S、Se、Te、以及Po。已知硫族化合物為具有高吸收係數(absorption coefficients)之良好光導體。尤其是CIGS類的薄膜太陽能電池更是大有可為，根據National Renewable Energy Laboratory的報導，其太陽能轉換效率高達19.9%。
第1B圖為第1A圖中所示之傳統薄膜太陽能電池之部分的放大截面圖。如圖所示，傳統的半導體太陽能電池基本上包括一基板100，上述基板100可為玻璃；一鉬層，上述鉬層形成一底電極層200於基板上；一摻雜之p型吸收體層300形成於上述底電極層200上，上述摻雜之p型吸收體層300可為CIGS；一n型緩衝層400形成於上述摻雜之p型吸收體層300上，上述n型緩衝層400可為一透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)材料，例如ZnO。上述CdS緩衝層400形成一主動式n-p接面以自光能產生電。
如第1C圖中進一步所示，上述每一個獨立的薄膜太陽能電池皆具有一相聯的發電輸出(associated electric power generation output)，並且通常被互聯進入一串聯或並聯之太陽能電池的陣列，以形成一產生定量的電流及/或電壓之光電伏打(photovoltaic,PV)模組。將上述獨立的薄膜太陽能電池連結至通常配置於上述模組之相對兩末端的匯流排線(bus line)，如與一外部電路的連結所示。獨立的模組可交替(in turn)連結至其他膜組及/或連結至接線盒(junction boxes)以結合並增加自光電伏打(photovoltaic, PV)模組之陣列的電力輸出。
如第1B圖中所示，將微通道(micro channel)圖案化以及劃刻進入半導體結構中，以互聯各種不同的導電材料層，並且分離鄰近的太陽能電池。這些微通道或”切割道”在所屬技術領域中一般做記為”P”，此乃涉及它們的功能以及在半導體太陽能電池的製程期間之步驟。P1以及P3切割道對電池隔離非常重要。P2切割道形成一連接。P2切割道將吸收體材料移除，來將上述頂端的透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)電極互聯至底鉬電極，以便避免中間的緩衝層成為上述頂電極與底電極之間的阻障。P3切割道完全延伸穿過上述透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)、緩衝層、以及吸收體層，至上述底鉬電極，以隔離被P1及P2切割道所定義的各個電池。
在傳統的製程中，為了收集由上述吸收體層所產生的電流，只有被CdS緩衝層覆蓋之CIGS吸收體層的頂端形成一高品質的主動性n-p接面。如第1B圖中所示，雖然上述材料自頂端的透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)電極往下延伸穿過上述P2切割道，但是上述P2切割道的垂直側壁並未提供一個良好的界面以及高品質的主動性n-p接面，其中高品質的主動性n-p接面使上述側壁在收集電流時本質上不起作用。上述特性限制了電流密度、功率輸出電位、以及這類僅具有一頂端CdS緩衝層於吸收體層之上的薄膜太陽能電池的效率。
因此業界亟需一種改良式的薄膜太陽能電池，其具有 增強的電位以產生更大的電功率，以及具有更好的太陽能轉換效率。
本發明提供一種薄膜太陽能電池，其可比過去的薄膜電池產生較高的能量輸出以及增加的太陽能轉換效率。為了達成上述目的，本發明藉由在可利用之P2切割道的側壁上形成主動式高品質n-p接面區域來獲取助益，到目前為止，上述P2切割道尚未用於收集電流。為了提高電流收集與密度，藉由在太陽能電池的主動式n-p區域提供更大之表面積，上述特徵增加了太陽能電池的效率，而不會增加電池的尺寸。效率的提升可歸因於減少了電荷載體在吸收體層與透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)頂電極層界面間之捕捉以及重組。本發明製程可免除用於先前製程中的獨立CdS緩衝層。
根據本發明的另一個實施例，提供一種形成前述無緩衝層的薄膜太陽能電池之方法與製程。此製程免除了在p型吸收體層形成傳統CdS緩衝層的步驟。相反的，本發明製程較佳包括一步驟，此步驟係將現存之吸收體層的p型表面區域改質及轉換成為電流收集之摻雜的n型材料，以便形成一埋入式(buried)的n-p接面。上述n型外部表面區域不僅延伸於上述吸收體層的頂端部分之上，還有利地沿著在P2切割道中的垂直側壁往下延伸。更有利的是，既然上述轉換的步驟可替代緩衝層形成之步驟，本發明不需要額外的製程步驟或增加費用。因此，不需打亂或大幅度改變現有的製造流程。
根據本發明的一實施例，提供一種薄膜太陽能電池，包括：一底電極層，形成於一基板之上；一半導體吸收體層，形成於上述底電極層之上，上述吸收體層具有一p型內部區以及一n型外部區，上述n型外部區自上述p型內部區之一經改質的原生部分形成，其中上述p型內部區以及上述n型外部區形成一n-p接面，上述n-p接面為上述吸收體層的一固有部分；以及一頂電極層，形成於上述吸收體層之上，透過一於上述吸收體層中定義側壁的切割道，將上述頂電極層電性連接至上述底電極層；其中，上述吸收體層的上述n型外部區延伸至在上述切割道中的側壁之上。較佳的是，上述吸收體層的n型外部區延伸進入上述切割道之側壁，以及在較佳實施例中，亦延伸於上述吸收體層之頂面部分之上。
上述切割道可為一P2切割道，其形成一垂直通道穿過上述吸收體層至上述底電極的一頂面。上述切割道從上述頂電極層被填充材料，其中上述頂電極層接觸上述吸收體層的垂直n型外部區。在一些實施例中，上述吸收體層可由硫族化物(chalcogenide)材料所構成。可使用CIGS作為一較佳的硫族化物(chalcogenide)材料。
根據本發明的另一個實施例，提供一種無緩衝層之薄膜太陽能電池的製造方法，可包括：形成一導電底電極層於一基板上；形成一p型吸收體層於上述底電極層上；形成一開放的切割道於上述吸收體層中，上述切割道定義了在上述吸收體層上之外露的側壁；以及將在上述切割道中的上述p型吸收體層的外露側壁轉換為n型外部區。上述 製程可更包括沉積一導電頂電極材料於包含在上述切割道中的上述吸收體層之上；上述側壁的上述n型外部區被配置於上述切割道中的頂電極材料與上述吸收體層的p型內部區之間。
在一實施例中，利用一部分電解液化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程，將在上述切割道中之上述p型吸收體層的側壁區轉換成上述n型外部區。較佳的是，在一些僅將上述吸收體層的表面區域改質與轉換成為n型材料的實施例中，上述化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程不含硫，雖然上述內部區維持p型材料以形成一n-p接面於其間。
根據本發明的另一個實施例，提供一種無緩衝層之薄膜太陽能電池的製造方法，上述製造方法可包括：形成一導電底電極層於一基板上；形成一p型吸收體層於上述底電極層上，上述吸收體層具有一外露的水平頂面；形成一開放的切割道於上述吸收體層中，上述切割道形成外露的垂直側壁於上述吸收體層之上，並且將上述底電極層的頂面暴露出來；在形成上述切割道之後，立即將上述外露側壁以及在上述切割道中的上述p型吸收體層的頂面轉換為n型外部區，其中上述吸收體層具有一維持p型的內部區；以及形成一導電頂電極層於上述吸收體層之上。上述形成上述頂電極層的步驟較佳包括利用材料自上述頂電極層填充上述切割道，以使上述頂電極層與上述底電極層互聯。上述側壁的n型外部區被配置於上述切割道中的頂電極材料與上述吸收體層的p型內部區之間。穿過上述頂電極層 形成一P3切割道的步驟更包括將上述頂電極層分開成為獨立的電池。
本發明所述之薄膜太陽能電池的製程，可利用業界中任何適合的商用設備來製造薄膜太陽能電池。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明接下來將會提供許多不同的實施例以實施本發明中不同的特徵。各特定實施例中的組成及配置將會在以下作描述以簡化本發明。這些為實施例並非用於限定本發明。此外，一第一元件形成於一第二元件上方或之上，可包含實施例中的第一元件與第二元件直接接觸，或也可包含第一元件與第二元件之間更有其他額外元件使第一元件與第二元件無直接接觸。各種元件可能以任意不同比例顯示以使圖示清晰簡潔。
第2圖乃依序顯示一傳統上形成如第1B圖中所示之CIGS類薄膜太陽能電池的製程之基本步驟，第1B圖係利用一n型CdS緩衝層400以提供一介於p型吸收體層300與n型透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)層之間的電性主動式n-p接面。上述製程已廣為所屬技術領域所知而不須進一步的說明。應注意的是，依照順序，將上述n型CdS緩衝層400沉積於CIGS吸收體層300上，然後將上述P2切割道圖案化並且向下形成至上述底鉬電極，以及將上述透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)頂電極層沉積並且如圖所示地填充P2切割道。如本說明書之前所述，上述P2切割道的垂直側壁不會為了電流收集而形成一主動式n-p接面。只有透過上述CdS緩衝層400於上述CIGS吸收體層300以及ZnO頂端之間的水平界面，為一電性主動區。
第3-8圖係根據本發明範例，依序顯示薄膜太陽能電池15的形成方法。較佳的是，上述方法為一無緩衝層的製程，其中此製程免除了形成一獨立的CdS緩衝層以在吸收層與TCO頂電極之間產生一電性主動式n-p接面的步驟。如本說明書中進一步所述，本發明製程為了形成一埋入式的電性主動式n-p接面，較佳地進行一CIGS吸收體層本身的表面轉換，以成為一n型材料。為了收集電流，上述n型表面轉換不僅延伸於上述吸收體層的頂端之上，還沿著P2切割道的側壁向下延伸，以擴展上述太陽能電池的主動式n-p接面區域。
參閱第3圖，藉由任何本技術領域中慣用的傳統方法，包括但不限於濺鍍，首先將一底電極層20形成於一基板10之上。在一實施例中，一底電極層20的較佳材料可為鉬；然而，亦可使用其他傳統上本技術領域中慣用之合適的導電金屬及半導體材料，例如Al、Ag、Sn、Ti、Ni、不鏽鋼、ZnTe…等等。可用於基板10之合適的傳統材料包括但不限於玻璃，例如但不限於鹼石灰玻璃(soda lime glass)、陶瓷、金屬，例如不限於不鏽鋼和鋁薄片、或聚合物，例如但不限於聚醯胺(polyamides)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalates)、聚萘二甲酸乙二酯 (polyethylene naphthalates)、聚合碳氫化合物(polymeric hydrocarbons)、纖維素聚合物(cellulosic polymers)、聚碳酸酯(polycarbonates)、聚醚(polyethers)、以及其他。在一較佳實施例中，玻璃可用於基板10。
在一些代表性的實施例中，但不限於，底電極層20的厚度範圍較佳可為約0.1-1.3 μm。在一實施例中，底電極層20的厚度可為約0.5μm。
參閱第4圖，接下來在底電極層20中形成P1圖案化的切割道以暴露出基板10，如圖所示。可使用任何本技術領域中慣用之適合的切劃方法，例如但不限於利用電子筆(stylus)的機械切劃法或雷射切劃法。在一實施例中，雷射切劃法係用於P1圖案化。
參閱第5圖，接下來，一p型摻雜半導體光吸收體層30形成於底電極層20之上。在一較佳實施例中，吸收體層30較佳可為一硫族化物(chalcogenide)材料，以及在另一較佳實施例中，吸收體層30更佳可為CIGS Cu(In,Ga)Se2 。亦可使用其他適合的硫族化物(chalcogenide)材料，包括但不限於：Cu(In,Ga)(Se,S)2 或”CIGSS”、CuInSe2 、CuGaSe2 、CuInS2 、以及Cu(In,Ga)S2 。
本技術領域中慣用來形成吸收體層30之適合的p型摻雜物包括Cu空位(Cu vacancy,VCu )、In空位(In vacancy,VIn )、或CuIn 。
可藉由任何所屬技術領域中慣用之適合的真空或非真空製程，來形成由CIGS所構成之吸收體層30。這類製程包括，但不限於，硒化作用(selenizarion)、硫化作用 (sulfurization)、蒸鍍(evaporation)、濺鍍電沉積(sputtering electrodeposition)、化學汽相沉積(chemical vapor deposition)…等等。在一實施例中，CIGS較佳是以最高基板溫度為450-700℃進行共蒸鍍或兩步驟製程(前驅物之濺鍍以及硒化/硫化之最高製程溫度400-700℃)。
在一些代表性的實施例中，但不限於，吸收體層30的厚度範圍較佳可為約0.3-3 μm。在一實施例中，吸收體層30的厚度可為約1.5μm。
參閱第6圖，在形成吸收體層30之後，接著將上述P2切割道切割穿過上述吸收體層，以暴露出在上述開放式切割道或通道中之底電極層20的頂面22。如前所述，可使用所屬技術領域中慣用之任何合適的方法來切割上述P2切割道，包括但不限於，機械(例如：切割電子筆)或雷射切割道法。在一些代表性的實施例中，但不限於，上述P2切割道可具有一典型的寬度W2，其乃以太陽能電池15的垂直方向量測，約為20-100μm。之後將利用導電材料填充上述P2切割道以將一頂電極層50互聯至上述底電極層20。上述P2切割道的切割定義了在上述切割道內之吸收體層30中的垂直側壁，並且如第1A和1B圖所示，側壁32以側向延伸跨過上述太陽能電池，垂直於此太陽能電池的縱向長度。
參閱第7圖，接下來進行一表面區域轉換步驟，以將既有p型吸收體層30的外露水平及垂直的原生外部表面部分(native exterior surface portions)轉換成為一整體的n型外部區40，上述n型外部區40形成自將p型吸收體層 材料本身改質。值得注意的是，上述步驟將p型吸收體層30之外露的外部區基材改質並且轉換成為n型區，上述n型區為吸收體層的一固有部分(intrinsic part)，但不會產生一獨立且分離的n型薄膜或膜層，像是用於先前已知製程中的CdS緩衝層。
有所助益的是，在此轉換製程後，上述p型吸收體層30的內部區42仍維持p型，因此與上述形成於此步驟中的n型外部區40產生一高品質的n-p接面。
上述經改質的n型外部區40主動且有效率地產生並且收集電流。有所助益的是，上述非CdS(non-CdS)之n型外部區40具有比先前所使用之CdS緩衝薄膜更高的能隙窗口(bandgap window)，其中上述先前所使用之CdS緩衝薄膜可提高太陽能電池的電流輸出。
上述外部表面區域的轉換較佳進行於上述吸收體層30之外露的頂面34，以及很重要地進行於沿著在上述P2切割道中之外露的側壁32，其中為了這個特別的目的，在形成n-p接面之前，在第6圖中所示之步驟中已經先將上述P2切割道打開。相反的，在第2圖中所述之先前傳統的薄膜太陽能電池製程中，在獨立的CdS緩衝層沉積之後，進行上述P2切割道以將頂電極與底電極互聯。因此可理解的是，本發明可免除對於獨立的n型緩衝層之需求，例如在先前技術的製程中於吸收體層30上的CdS層。
在第7圖所示之橫截面圖中，上述n型外部區40圍繞著上述p型吸收體層30的內部區42部分，形成一n型週邊區(perimeter region)。然後形成一結合n型與p型材 料的混成單一結構(hybrid unitary structure)。
有所助益的是，上述具有n型外部區40之嶄新的薄膜電池結構優於在此所述之先前傳統的太陽能電池，此乃導因於，在吸收體層30的頂面部分44之外，另外將上述在吸收體層30的P2切割道內所增加的n型垂直側壁表面部分46改質並且轉換成為高品質的主動性n-p接面。因此，相對於先前傳統的太陽能電池結構，在具有主動式n-p接面區域之太陽能電池15中的總表面積被大幅度地擴大，如第1A圖中所示，此乃導因於上述各個P2切割道側向延伸橫跨太陽能電池的寬度。因此，在一較佳實施例中，上述n型外部區40包括水平吸收體層30的頂面部分44以及沿著P2切割道的側壁延伸之垂直側壁表面部分46(參閱第7圖)。綜上所述，主動式n-p接面區域產生較高的電池電流輸出以及較高的太陽能轉換效率之情形乃明顯地增加了。
如第7圖中所示，在一較佳實施例中，上述n型外部區40之水平吸收體層30的頂面部分44以及垂直側壁表面部分46可連續相鄰，並且形成一n型材料之連續相鄰的外部週邊區。
可利用所屬技術領域中慣用之任何適合的製成來形成上述吸收體層30的n型外部區40，以形成薄膜半導體太陽能電池。在一較佳實施例中，可藉由利用一部分電解質(partial electrolyte,PE)化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程來形成n型外部區40。在一些實施例中，上述化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD) 製程可為一CdPE或ZnPE製程。與已廣為人知且用於形成在太陽能電池中的阻障層之典型的化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程不同，上述用於形成n型外部區40之部分電解質溶液較佳乃不使用硫。上述無硫浴操作僅將p型吸收體層30(至一限定的深度)之外露的外部表面區域轉換成為一n型摻雜材料。上述位於上述外露的表面更遠處之剩餘的p型吸收體層30的內部區42維持p型，以便形成一n-p接面，其通常沒有當使用獨立且不同的材料時所產生的介面缺陷，上述獨立且不同的材料例如用於傳統太陽能電池結構中以形成n-p接面的n型CdS阻障層以及CIGS吸收體層。更有利的是，部分電解質化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程比用於形成緩衝層之傳統的CdS化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程產生較少的廢棄物。
在一較佳實施例中，在本發明之化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程中，上述部分電解質溶液可使用鎘、鋅、或銦類、或可形成+2或+3價離子的元素。因此，上述溶液可包括鎘或鋅以及氨。
在一代表性且不受限於此的實施例中，例如，在上述化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)浴槽中，NH4 OH的濃度可為0.05-3 M，Cd2+ 的濃度可為0.1-150 mM，浴槽溫度可為50-90℃，以及製程時間可為數分鐘至60分鐘。在其他的實施例中，亦可使用其他合適的化學浴組成及製程參數。
上述p型吸收層30之n型經改質的外部區40向內延 伸靠近至在上述P2切割道中吸收體層30之外露的頂面34以及側壁32，其延伸之深度或厚度如第7圖中所示。在一些代表性的實施例中，但不限於，在吸收體層30中之n型外部區40的深度或厚度範圍較佳自約20 nm至100 nm。這些厚度有助於製造一展現良好n-p接面特性的轉換層40。較佳者，轉換層40的深度或厚度小於約200 nm，因為依目前一些現有製程難以製作更大的厚度。
在其他的實施例中，可利用其他傳統的半導體太陽能電池製程來形成n型外部區40，包括但不限於有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical-vapor deposition，MOCVD)、原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)、離子佈植(ion implantation)、或其他製程，接著可進行或不進行熱處理。更有利的是，雖然為了形成n-p接面而保持整體的p型吸收體層30的內部區42，上述用於形成在吸收體層30中之n型外部區40的PE-CBD轉換製程或其他製程，應該要能夠將上述p型吸收體層的外露表面區域轉換成為n型材料。
重要的是，為了在CIGS吸收體層30中形成n型外部區40，上述選擇的製程較佳應該要具備可在吸收體層中的P2切割道之垂直側壁32上形成一經改質的材料層，但不會填充此切割道之特性。除此之外，如果來自n型外部區40的材料完全填充上述P2切割道，則不可能將頂電極層50(隨後於上述製程中形成)連接至底電極層20。
參閱第8圖，在吸收體層30中形成n型外部區40之後，為了自上述電池收集電流(電子)，並且吸收最少量 之穿過上述光吸收層30的光線，接下來，形成較佳由TCO材料所構成之透光性(light transmitting)n型摻雜頂電極層50於吸收體層30之上。鋁為一種常用於在薄膜太陽能電池中的TCO頂電極之可能的n型摻雜物；然而，亦可使用其他適合的傳統摻雜物。在一實施例中，電極層直接形成至n型外部區40之上，上述n型外部區40為在上述P2切割道中的吸收體層30之整體且單一n型摻雜部分。
較佳利用TCO材料填充上述P2切割道，如第8圖中所示，以在上述頂電極層50以及底電極層20之間形成一電性連接，產生一如圖所示之電子流通道。此外，也很重要的是，上述TCO材料與上述在吸收體層30之上的n型外部區40的垂直側壁表面部分46相接觸，其中上述吸收體層30覆蓋住P2切割道的側壁32(參閱第6-8圖)。更有利的是，這產生了額外的主動性表面積讓頂電極收集電流，其中頂電極係將電荷攜帶至外部電路。
在一實施例中，上述用於頂電極層50的透明導電氧化物(transparent conductive oxide,TCO)可為任何薄膜太陽能電池所屬技術領域中慣用之傳統的材料。合適的TCO材料可使用，包括但不限於，氧化鋅(zinc oxide,ZnO)、氧化氟錫(fluorine tin oxide,FTO或SnO2 ：F)、氧化銦錫(Indium tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(Indium zinc oxide,IZO)、氧化銻錫(antimony tin oxide,ATO)、以及一奈米碳管層、或任何其他具有頂電極所需特性的塗層材料。在一較佳實施例中，上述所採用之TCO為ZnO。
在一些可能的實施例中(未顯示)，首先可形成一固 有性ZnO薄膜於吸收層30的頂端，然形成較厚的n型摻雜TCO頂電極層50，過去已有報導TCO頂電極層可提升電池性能。
在形成上述TCO頂電極之後，上述P3切割道形成於薄膜太陽能電池15中，如第9圖中所示，其與傳統製程的P3切割道步驟相似(亦可參閱第2圖)。上述P3切割道延伸(自頂端至底端)穿過頂電極層50、吸收體層30的n型外部區40、以及上述吸收體層，至上述鉬底電極層20的頂端。
在所屬技術領域已廣為所知的傳統方法中，適合的前導電網格接點(front conductive grid contacts)以及一或多個抗反射塗層(anti-reflective coatings)(未顯示)可進一步地形成於頂電極50之上。為了與外部的電路連接，上述網格接點將會向上突出穿越並超過任何抗反射塗層的頂面。在所屬技術領域中已廣為該技藝人士所知，於形成前述之薄膜太陽能電池結構之後，可進行額外的後段製程以及層壓(lamination)。這可包括利用一合適的密封劑(encapsulant)，例如合成乙烯樹脂(ethylene vinyle acetate,EVA)、丁基(butyl)來密封上述電池，將一頂端覆蓋玻璃層壓成為上述電池結構。
通常應該注意的是，適合的薄膜太陽能電池的n型及p型摻雜物以及製程，其用於摻雜材料來製造此處所述的膜層與薄膜，已廣為本技術領域中所知而不需要進一步的說明。
上述無緩衝層製程以及其所形成之薄膜太陽能電池的 優點係藉由在吸收體層與TCO頂電極之間形成更高活性的n-p接面，來增加太陽能的轉換效率，並且在界面處的重組較少，以及不會有額外的製程步驟或費用。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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。
P1‧‧‧切割道
P2‧‧‧切割道
P3‧‧‧切割道
100‧‧‧基板
200‧‧‧底電極層
300‧‧‧吸收體層
400‧‧‧緩衝層
10‧‧‧基板
15‧‧‧太陽能電池
20‧‧‧底電極層
22‧‧‧底電極層的頂面
30‧‧‧吸收體層
32‧‧‧側壁
34‧‧‧吸收體層之外露的頂面
40‧‧‧n型外部區
42‧‧‧p型吸收體層的內部區
44‧‧‧吸收體層的頂面部分
46‧‧‧垂直側壁表面部分
50‧‧‧頂電極層
W2‧‧‧P2切割道的寬度
第1A圖為一傳統的薄膜太陽能電池之透視圖。
第1B圖為第1A圖之詳細放大的剖面圖。
第1C圖為第1A圖的側視圖。
第2圖顯示一傳統先前技術的薄膜太陽能電池的製程之順序性步驟，其包括一緩衝層的形成。
第3-9圖為依據本發明之一實施例，顯示一無緩衝層的半導體裝置製程之順序性步驟。
P3‧‧‧切割道
10‧‧‧基板
15‧‧‧太陽能電池
20‧‧‧底電極層
30‧‧‧吸收體層
34‧‧‧吸收體層之外露的頂面
40‧‧‧n型外部區
42‧‧‧p型吸收體層的內部區
44‧‧‧吸收體層的頂面部分
46‧‧‧垂直側壁表面部分
50‧‧‧頂電極層

Claims (10)

  1. 一種薄膜太陽能電池，包括：一底電極層，形成於一基板之上；一半導體吸收體層，形成於該底電極層之上，該吸收體層具有一p型內部區以及一n型外部區，該n型外部區自該p型內部區之一經改質的原生部分形成，其中該p型內部區以及該n型外部區形成一n-p接面，該n-p接面為該吸收體層的一固有部分；以及一頂電極層，形成於該吸收體層之上，透過一於該吸收體層中定義側壁的切割道，將該頂電極層電性連接至該底電極層；其中，該吸收體層的該n型外部區延伸至在該切割道中的側壁之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中該n型外部區包括一該吸收體層的水平頂部，以及一沿著該切割道之側壁延伸的該吸收層之垂直部分。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該n型外部區的該頂部以及垂直部分彼此相鄰。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中該切割道為一P2切割道，其形成垂直通道穿過該吸收體層至該底電極的一頂面，該切割道從該頂電極層被填充材料，其中該頂電極層接觸該吸收體層的該垂直n型外部區。
  5. 一種薄膜太陽能電池的製造方法，包括：形成一導電底電極層於一基板上；形成一p型吸收體層於該底電極層上； 形成一開放的切割道於該吸收體層中，該切割道定義了在該吸收體層上之外露的側壁；以及將在該切割道中的該p型吸收體層的外露側壁轉換為n型外部區。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池的製造方法，其中該n型外部區為該吸收體層之一經改質的固有部分。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池的製造方法，其中利用一部分(partial)電解液化學浴沉積(chemical bath deposition,CBD)製程，將在該切割道中之該p型吸收體層的側壁區轉換成該n型外部區。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池的製造方法，其中在該n型外部區下之該吸收體層的內部區，在該轉換步驟之後維持p型材料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池的製造方法，更包括一沉積一導電頂電極材料於包含該切割道的該吸收體層之上的步驟，該側壁的n型外部區配置於在該切割道中的頂電極材料與該吸收體層的p型內部區之間。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池的製造方法，其中該切割道露出在該吸收體層之下的該底電極層的一頂面，以將該底電極層連接至形成於該吸收體層之上的該頂電極層。
TW101142338A 2011-11-14 2012-11-14 薄膜太陽能電池及其製造方法 TWI493736B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/295,148 US20130118569A1 (en) 2011-11-14 2011-11-14 Method for forming thin film solar cell with buffer-free fabrication process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201336097A TW201336097A (zh) 2013-09-01
TWI493736B true TWI493736B (zh) 2015-07-21

Family

ID=48145297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101142338A TWI493736B (zh) 2011-11-14 2012-11-14 薄膜太陽能電池及其製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20130118569A1 (zh)
CN (1) CN103107216B (zh)
DE (1) DE102012109883A1 (zh)
TW (1) TWI493736B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130153015A1 (en) * 2011-12-15 2013-06-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method for forming solar cells
US8697478B2 (en) 2012-09-06 2014-04-15 Tsmc Solar Ltd. Cover for protecting solar cells during fabrication
KR20140064075A (ko) * 2012-11-19 2014-05-28 한국전자통신연구원 태양전지 및 그 제조방법
US20140216542A1 (en) * 2013-02-07 2014-08-07 First Solar, Inc. Semiconductor material surface treatment with laser
WO2014188092A1 (fr) 2013-05-23 2014-11-27 Sunpartner Technologies Mono cellule photovoltaïque semi-transparente en couches minces
TWI477342B (zh) * 2013-09-12 2015-03-21 Nexpower Technology Corp 雷射切割方法
US9859451B2 (en) 2015-06-26 2018-01-02 International Business Machines Corporation Thin film photovoltaic cell with back contacts
CN111279491B (zh) * 2017-04-19 2022-05-31 中建材玻璃新材料研究院集团有限公司 用于制造用于薄膜太阳能电池的层结构的方法
CN107623046B (zh) * 2017-08-25 2020-06-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 铜铟镓硒吸收层后处理方法及基于其的太阳电池制备方法
EP3764404A1 (en) * 2019-07-10 2021-01-13 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO Photovoltaic device and method of manufacturing the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060060238A1 (en) * 2004-02-05 2006-03-23 Advent Solar, Inc. Process and fabrication methods for emitter wrap through back contact solar cells
TW200929561A (en) * 2007-12-24 2009-07-01 Ind Tech Res Inst Thin film solar cell module of see-through type and method of fabricating the same
TW201131801A (en) * 2009-12-15 2011-09-16 Du Pont Process for the production of a mwt silicon solar cell

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5320684A (en) * 1992-05-27 1994-06-14 Mobil Solar Energy Corporation Solar cell and method of making same
AU2003275239A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-23 Miasole Manufacturing apparatus and method for large-scale production of thin-film solar cells
CN100383982C (zh) * 2004-06-14 2008-04-23 王东生 一种多吸收层太阳能电池及制造方法
TW201032332A (en) * 2009-02-19 2010-09-01 Xun-Tian Hou A thin film solar cell
KR101627217B1 (ko) * 2009-03-25 2016-06-03 엘지전자 주식회사 태양전지 및 그 제조방법
KR101173344B1 (ko) * 2009-10-30 2012-08-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
CN102612755B (zh) * 2009-11-17 2015-04-15 三菱电机株式会社 薄膜太阳能电池及其制造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060060238A1 (en) * 2004-02-05 2006-03-23 Advent Solar, Inc. Process and fabrication methods for emitter wrap through back contact solar cells
TW200929561A (en) * 2007-12-24 2009-07-01 Ind Tech Res Inst Thin film solar cell module of see-through type and method of fabricating the same
TW201131801A (en) * 2009-12-15 2011-09-16 Du Pont Process for the production of a mwt silicon solar cell

Also Published As

Publication number Publication date
TW201336097A (zh) 2013-09-01
US20130118569A1 (en) 2013-05-16
DE102012109883A1 (de) 2013-05-16
CN103107216A (zh) 2013-05-15
CN103107216B (zh) 2016-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI493736B (zh) 薄膜太陽能電池及其製造方法
TWI487129B (zh) 薄膜太陽能電池及其製造方法
EP2439788B1 (en) Solar cell apparatus and method for manufacturing same
US9812593B2 (en) Solar cell and preparing method of the same
US20150287843A1 (en) Solar cell with dielectric layer
EP2426731A2 (en) Solar power generation apparatus and manufacturing method thereof
KR101428146B1 (ko) 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
US20110048490A1 (en) Lattice-matched chalcogenide multi-junction photovoltaic cell
TWI492398B (zh) 薄膜光電電池及其製造方法
JP2010080761A (ja) 太陽電池
CN103069574B (zh) 光伏发电设备及其制造方法
US9570636B2 (en) Solar cell and method of fabricating the same
KR101338549B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101455832B1 (ko) 박막 태양전지 및 그 제조 방법
Muhamad et al. Strategic Review: The CZTS Thin-Film Using Tandem and Multi-junction Solar Cell
EP2876692A1 (en) Solar cell and method for manufacturing the same
US9349901B2 (en) Solar cell apparatus and method of fabricating the same
JP2018006558A (ja) 光電変換モジュール
KR101326968B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
JP2014067745A (ja) 光電変換装置の製造方法
KR101338831B1 (ko) 태양전지 및 태양전지 모듈
KR101349525B1 (ko) 태양광 발전장치
JP2014090009A (ja) 光電変換装置
JP2018006543A (ja) 光電変換モジュールの製造方法
JP2018006547A (ja) 光電変換モジュール