TWI497729B - Solar cell sputtering device - Google Patents

Description

太陽能電池濺鍍裝置

本發明係有關一種太陽能電池濺鍍裝置，尤其是在真空環境下以濺鍍方式形成含鹼金屬元素之吸收層的銅銦鎵硒太陽能電池。

近年來，由於環保意識的抬頭，各國無不投入大量資源全力開發綠色能源，尤其是太陽能電池。在眾多太陽能電池中，矽太陽能電池雖具有較佳光電轉換效率且製造技術成熟，但是因上游原材料的矽晶圓供應量不足，使得終端矽太陽能電池的量產規模受到相當大的限制。染料敏化太陽能電池雖然具有較低的製造成本且因不需矽晶圓而沒有受到全球性矽晶圓不足的問題，但是需要特定的光敏染料，且僅少數廠家能供應，所以染料敏化太陽能電池仍有原材料供應穩定性的問題。

銅銦鎵硒太陽能電池是很有潛力的太陽能電池，主要的優點是所需原材料為銅、銦、鎵以及硒，因用量不大而不會造成原材料供應不穩定的問題，且可製作在可撓性的基板上，使得終端太陽能電池產品可具有不同的形狀，擴大應用領域與使用方便性。目前的實驗室技術可使光電轉換率高達20%，而軟性塑膠基板的光電轉換率也可達14%。

一般，習用技術的銅銦鎵硒太陽能電池包括由下而上依序堆疊的基板、鉬薄層、銅銦鎵硒吸收層、硫化鎘層、氧化鋅層，以及氧化鋅鋁層，其中鉬薄層係當作背面電極而氧化鋅鋁層當作正面電極，銅銦鎵硒吸收層當作p型薄膜，硫化鎘層當作n型薄膜，且銅銦鎵硒吸收層主要在吸收由氧化鋅鋁層射入的光線，經光電轉換而產生電力。

目前，具高光電轉換效率的銅銦鎵硒太陽能電池是使用濺鍍法以形成鉬薄層、硫化鎘層以及氧化鋅層，而銅銦鎵硒吸收 層係使用同步蒸鍍法(Coevaporation)與硒化法(Sele.nization)，其中同步蒸鍍法需使用加熱溫度完全不同的多種蒸鍍靶材，而硒化法是先將銅銦鎵濺鍍在基板上以形成先驅質(Precursor)薄膜，接著加入有毒的硒化氫，使硒化氫與先驅質薄膜在550℃以上溫度發生反應而形成銅銦鎵硒吸收層。所以，硒化法的缺點是處理溫度太高，會影響銅銦鎵硒吸收層的品質，產生大量晶格缺陷，進而降低光電轉換效率，同時對硒化氫的毒性也難控制。同步蒸鍍法的缺點是不易控制組成、薄膜的附著性較差以及大面積覆蓋均勻性較差。此外，進行硒化法時需破真空，亦即需離開真空處理環境，而形成銅銦鎵硒吸收層後，再回到真空處理環境以進行後續薄膜沉積處理，因此會造成薄膜受外在雜質的污染而不利於銅銦鎵硒太陽能電池的光電轉換效率。

本發明之主要目的在提供一種太陽能電池結構，包括依序由下而上堆疊的可撓性基板、鉬背面電極、吸收層、硫化鋅氧緩衝層、氧化鋅絕緣層、氧化鋅鋁正面電極與抗反射層，其中吸收層包括銅、銦、鎵、硒以及鹼金屬元素，該鹼金屬元素包括鈉以及鉀的至少其中之一，藉以改善吸收層的晶格結構，提高光電轉換效率。

本發明之另一目的在提供一種太陽能電池濺鍍裝置，具有真空反應室，在真空反應室內設置有旋轉式承載圓筒、第一滾軸，第二滾軸、複數個陰極管以及高溫加熱器，其中可撓性基板被捲繞於第一滾軸上，並由第二滾軸拉出而承載於旋轉式承載圓筒上，高溫加熱器係設置於旋轉式承載圓筒內，用以加熱旋轉式承載圓筒上的可撓性基板，不同陰極管包含不同的濺鍍靶材，用以在可撓性基板上依序濺鍍出鉬背面電極、含鹼金屬元素之吸收層、硫化鋅氧緩衝層、氧化鋅絕緣層、氧化鋅鋁正面電極與抗反射層，藉以在全程皆為真空環境的真空反應室下形成含鹼金屬元素之銅銦鎵硒太陽能電池結構。

以下配合圖式及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，本發明太陽能電池結構的示意圖。如第一圖所示，本發明的太陽能電池結構1包括由下而上依序堆疊的可撓性基板10、第一導電層20、吸收層30、緩衝層40、絕緣層50以及第二導電層60，其中吸收層30包含銅(Copper，Cu)、銦(Indium，In)、鎵(Gallium，Ga)、硒(Selenium，Se)以及鹼金屬元素，當作p型薄膜，其中鹼金屬元素可為鈉(Sodium，Na)或鉀(Potassium，K)，用以改變吸收層的晶體結構，以提高太陽能轉換成電能的能量轉換效率，且鹼金屬元素的莫耳分率小於1%。

可撓性基板10可為塑膠膜或玻璃膜，而第一導電層20包含鉬(Molybdenum，Mo)，並當作背面電極。緩衝層40包含硫化鋅氧(Zinc Sulfide doped with O2，ZnSO)，具有與吸收層30相似的晶體結構並當作n型薄膜。吸收層30與緩衝層40的交接面形成p-n接合(p-n Junction)。絕緣層50包含氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)，用以提供保護。第二導電層60包含氧化鋅鋁(Zinc Aluminum Oxide，ZnO：Al)，用以連接正面電極。

此外，第二導電層60上可形成抗反射層(圖中未顯示)，用以降低光線反射，該抗反射層可包括二氧化鈦(TiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、五氧化鉭(Ta2O5)、二氧化矽(SiO2)或氟化鎂(MgF2)。

參閱第二圖，本發明太陽能電池濺鍍裝置的示意圖。如第二圖所示，本發明的太陽能電池濺鍍裝置100包括真空反應室110、複數個陰極管、旋轉式承載圓筒120、第一滾軸140、第二滾軸160以及高溫加熱器180，其中該等陰極管以及旋轉式承載圓筒120係設置於具真空環境的真空反應室110內，且第一滾軸140、第二滾軸160以及高溫加熱器180位於旋轉式承載圓筒120內，而該等陰極管包括鉬陰極管210、銅銦鎵陰極 管220、硒化合物(Se-X)陰極管230、硫化鋅(ZnS)陰極管240、氧化鋅(ZnO)陰極管250以及氧化鋅鋁(ZnO：Al)陰極管260。可撓性基板300被捲繞於第一滾軸140上，並由第二滾軸160將可撓性基板300拉出而承載於旋轉式承載圓筒120上。旋轉式承載圓筒120內的高溫加熱器180係用以加熱旋轉式承載圓筒120上的可撓性基板300，加熱溫度可達200至600℃。鉬陰極管210、銅銦鎵陰極管220、硒化合物陰極管230、硫化鋅陰極管240、氧化鋅陰極管250以及氧化鋅鋁陰極管260係位於旋轉式承載圓筒120上所承載的可撓性基板300的前方。鉬陰極管210、銅銦鎵陰極管220、硒化合物陰極管230、硫化鋅陰極管240、氧化鋅陰極管250以及氧化鋅鋁陰極管260分別包含鉬濺鍍靶材、銅銦鎵濺鍍靶材、硒化合物濺鍍靶材、硫化鋅濺鍍靶材、氧化鋅濺鍍靶材以及氧化鋅鋁濺鍍靶材，用以朝正在旋轉的旋轉式承載圓筒120上的可撓性基板300進行濺鍍，旋轉式承載圓筒120的旋轉速度可控制在10 RPM到100 RPM。

硒化合物濺鍍靶材包括硒與鹼金屬元素，該鹼金屬元素可為鈉與鉀的至少其中之一，且鹼金屬元素的莫耳分率小於1%。鉬陰極管210在可撓性基板300上濺鍍沉積當作鉬背面電極的第一導電層，銅銦鎵陰極管220與硒化合物陰極管230在第一導電層上以共濺鍍方式沉積含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層，硫化鋅陰極管240，在濺鍍時真空室110內通入氧氣，使在含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層上濺鍍沉積硫化鋅氧緩衝層，氧化鋅陰極管250在硫化鋅氧緩衝層上濺鍍沉積氧化鋅絕緣層，氧化鋅鋁陰極管260在氧化鋅絕緣層上濺鍍沉積當作氧化鋅鋁正面電極的第二導電層。

要注意的是，在濺鍍第一導電層時，只使用鉬陰極管210，而其他的陰極管則關閉。在共濺鍍含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層時，只使用銅銦鎵陰極管220與硒化合物陰極管230，其他的陰極管則關閉，並以此類推。

此外，可利用安置有抗反射濺鍍靶材的抗反射陰極管(圖中未顯示)，在第二導電層上可形成抗反射層，用以降低光線反射。抗反射濺鍍靶材可為二氧化鈦、三氧化二鋁、五氧化鉭、二氧化矽或氟化鎂。

因此，本發明的太陽能電池濺鍍裝置可在全程真空環境下濺鍍出銅銦鎵硒太陽能電池，避免破真空所產生的污染問題，藉以提高濺鍍膜的品質。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

1‧‧‧太陽能電池結構

10‧‧‧可撓性基板

20‧‧‧第一導電層

30‧‧‧吸收層

40‧‧‧緩衝層

50‧‧‧絕緣層

60‧‧‧第二導電層

100‧‧‧太陽能電池濺鍍裝置

110‧‧‧真空反應室

120‧‧‧旋轉式承載圓筒

140‧‧‧第一滾軸

160‧‧‧第二滾軸

180‧‧‧高溫加熱器

210‧‧‧鉬陰極管

220‧‧‧銅銦鎵陰極管

230‧‧‧硒化合物陰極管

240‧‧‧硫化鋅陰極管

250‧‧‧氧化鋅陰極管

260‧‧‧氧化鋅鋁陰極管

300‧‧‧可撓性基板

第一圖為本發明可撓性太陽能電池結構的示意圖。

第二圖為太陽能電池濺鍍裝置的示意圖。

100‧‧‧太陽能電池濺鍍裝置

110‧‧‧真空反應室

120‧‧‧旋轉式承載圓筒

140‧‧‧第一滾軸

160‧‧‧第二滾軸

180‧‧‧高溫加熱器

210‧‧‧鉬陰極管

220‧‧‧銅銦鎵陰極管

230‧‧‧硒化合物陰極管

240‧‧‧硫化鋅陰極管

250‧‧‧氧化鋅陰極管

260‧‧‧氧化鋅鋁陰極管

300‧‧‧可撓性基板

Claims (11)

1. 一種太陽能電池濺鍍裝置，係包括：一真空反應室，具一真空環境；一旋轉式承載圓筒，位於該真空反應室內；一第一滾軸，位於該旋轉式承載圓筒內，並捲繞一可撓性基板；一第二滾軸，位於該旋轉式承載圓筒內，並將該第一滾軸上的可撓性基板拉出，而使該可撓性基板承載於該旋轉式承載圓筒上；一高溫加熱器，位於該旋轉式承載圓筒內，用以加熱該旋轉式承載圓筒上所承載的該可撓性基板；以及複數個陰極管，位於該真空反應室內且位於該旋轉式承載圓筒上所承載的該可撓性基板的前方，該等陰極管包括一鉬陰極管、一銅銦鎵陰極管、一硒化合物陰極管、一硫化鋅陰極管、一氧化鋅陰極管以及一氧化鋅鋁陰極管，該鉬陰極管包含一鉬濺鍍靶材，用以在該可撓性基板上濺鍍當作一鉬背面電極的一第一導電層，該銅銦鎵陰極管包含一銅銦鎵濺鍍靶材，該硒化合物陰極管包含一硒化合物濺鍍靶材，該硒化合物濺鍍靶材包括硒與鹼金屬元素，該銅銦鎵陰極管與該硒化合物陰極管係用以在該第一導電層上共濺鍍一含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層，該硫化鋅陰極管包含一硫化鋅濺鍍靶材，用以在該含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層上濺鍍硫化鋅，並與氧氣反應成一硫化鋅氧緩衝層，該氧化鋅陰極管包含一氧化鋅濺鍍靶材，用以在該硫化鋅氧緩衝層上濺鍍一氧化鋅絕緣層，該氧化鋅鋁陰極管包含一氧化鋅鋁濺鍍靶材，用以在該氧化鋅絕緣層上濺鍍當作氧化鋅鋁正面電極的一第二導電層，以形成一太陽能電池。
2. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該可撓性基板包括塑膠膜、金屬膜以及玻璃膜的其中之一。
3. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該鹼金屬元素可為鈉與鉀的至少其中之一。
4. 如申請範圍第2項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該鹼金屬 元素的莫耳分率小於1%。
5. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該第一導電層在濺鍍時，只使用該鉬陰極管，而關閉其他的陰極管。
6. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該含鹼金屬元素之銅銦鎵硒吸收層在共濺鍍時，只使用該銅銦鎵陰極管與該硒化合物陰極管，而關閉其他的陰極管。
7. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該硫化鋅氧緩衝層在濺鍍時，只使用該硫化鋅陰極管，而關閉其他的陰極管。
8. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該氧化鋅絕緣層在濺鍍時，只使用該氧化鋅陰極管，而關閉其他的陰極管。
9. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該第二導電層在濺鍍時，只使用該氧化鋅鋁陰極管，而關閉其他的陰極管。
10. 如申請範圍第1項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該等陰極管進一步包括一抗反射陰極管，該抗反射陰極管包含一抗反射濺鍍靶材，用以在該第二導電層上濺鍍一抗反射層，用以降低光線反射。
11. 如申請範圍第10項所述的太陽能電池濺鍍裝置，其中該抗反射濺鍍靶材包括二氧化鈦、三氧化二鋁、五氧化鉭、二氧化矽以及氟化鎂的其中之一。