TWI501407B - 應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法 - Google Patents

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應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法
本發明係有關一種太陽能電池，特別是指一種應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法。
矽系薄膜型太陽能電池元件是堆疊型態的三層矽晶薄膜層，也就是在p型矽薄膜層與n型矽薄膜層接面之間再堆疊一層本質性矽晶薄膜層(i型矽薄膜層)，以改善光電特性以及增加光電能量轉換效率。就單層式的矽系薄膜型太陽能電池而言，由於其光電能量轉換效率並不高，因而有所謂的兩層式(p-i-n/p-i-n)的、三層式(p-i-n/p-i-n/p-i-n)的以及多層式的等各種堆疊結構的矽系薄膜型太陽能電池元件，以期望藉由多層式的堆疊改善元件的光電特性，以及增加其光電能量轉換效率。
但矽晶薄膜層通常是使用高密度電漿強化型化學氣相沈積技術來沈積所需的矽晶薄膜。在製程技術上，此些製程技術具有環保汙染的爭議性問題，以及耗損許多酸鹼性溶液，因為多層堆疊式的薄膜型太陽能電池雖然可以提升其光電轉換效率，但是多道的製程技術將增加酸鹼性溶液的消耗，進而產生環保污染的爭議性問題。此外，矽系薄膜型太陽能電池的缺點是當太陽光照射初期階段會產生光衰退效應，大幅降低了其光電轉換效率，因而有必要尋找新配方的強化光吸收薄膜材料來替代，以簡化製程，以及減少酸鹼性溶液的消耗。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種嶄新的應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法，其能提高太陽能電池的光譜吸收範圍，光的穿透性以及導電性，並簡化太陽能電池的製作流程。
本發明之另一目的在提供一種應用於太陽能電池之強化光吸收薄膜層及其太陽能電池結構與製作方法，其能減少製程上酸鹼溶液的消耗量以及所造成環保污染的爭議性問題。
為達上述之目的，本發明提供一種應用於太陽能電池的強化光吸收薄膜層，其材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料。
本發明尚提供一種矽系薄膜型太陽能電池，其包含有一基板與一位於基板上之p-i-n型矽晶薄膜堆疊層，此矽系薄膜型太陽能電池之特徵在於p-i-n型矽晶薄膜層之i型矽晶薄膜層表面或底面更設置有一強化光吸收薄膜層，強化光吸收薄膜層之材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料。
本發明更提出一種具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其步驟包含有提供一基板；於基板表面上依序沈積形成一第一透明導電氧化物層與一P型矽晶薄膜層；於p型矽晶薄膜層上形成一強化光吸收薄膜層，此強化光吸收薄膜層之材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料；以及於強化光吸收薄膜層上依序沈積形成一i型矽晶薄膜層、一n型矽晶薄膜層、一第二透明導電氧化物層與一電極層。
本發明又提出一種具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其步驟包含有提供一基板；於基板表面上依序沈積形成一第一透明導電氧化物層、一p型矽晶薄膜層與一i型矽晶薄膜層；於i型矽晶薄膜層上形成一強化光吸收薄膜層，強化光吸收薄膜層之材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料；以及於強化光吸收薄膜層上依序沈積形成一n型矽晶薄膜層、一第二透明導電氧化物層與一電極層。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明提出一種嶄新的強化光吸收薄膜層，其材料為銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料，且具有黃銅礦(Chalcopyrite)結構特性。本發明之強化光吸收薄膜層具備有寬廣的光譜吸收範圍能力、良好的材料穩定性以及優良的耐環境性。此強化光吸收薄膜層可以改善元件的短路電流密度(短路電流)以及增加量子效率。此外，強化光吸收薄膜層於近紅外線區域具有較高的光學傳輸性，以及具有高的電子移動率等物理性質。因此，光譜吸收範圍變的較為寬廣，光的穿透性以及導電性都較為優良。
強化光吸收薄膜層的這些良好材料特性將可以改善光電元件的特性以及增加元件的光電能量轉換效率。此外，本發明的強化光吸收薄膜層可以採取物理式製程技術製作，而不需要在多一項化學氣相沈積製程技術，以減少酸鹼溶液的消耗量以及所造成環保污染的爭議性問題。
本發明的強化光吸收薄膜層在製作上可採取以單一相銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)靶材直接地沈積，因此將不需要傳統式的兩階段或三階段硫化熱處理，能有效減少製程步驟。
此強化光吸收薄膜層應用於太陽能電池元件時是堆疊於本質性矽晶薄膜層(也就是所謂的i薄膜層)上表面或下表面。
請參閱第1圖，其係結合有本發明之強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件的一結構示意圖。如圖所示，此矽系薄膜型太陽能電池元件10包含有一基板12；一位於基板12上的透明導電氧化物(TCO)層14；一位於透明導電氧化物層14上的p型矽薄膜層16；一位於p型矽薄膜層16上的CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18；一位於強化型光吸收薄膜層18上的本質性矽晶薄膜層20；一位於本質性矽晶薄膜層20上的n型矽薄膜層22；一位於n型矽薄膜層22上的透明導電氧化物(TCO)層24；以及一位於透明導電氧化物(TCO)層24上的鎳/鋁電極薄膜層26。
此時，CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18的最大膜厚是50奈米。此外，透明導電氧化物(TCO)層14與基板12間更可具有一材質為氟化鎂的抗反射薄膜層(圖中未示)，且上述之n型矽薄膜層22、p型矽薄膜層16與i型矽薄膜層20的晶體結構可以為非晶矽、微米晶矽或奈米晶矽。
接續，請參閱第2圖，其係上述之矽系薄膜型太陽能電池元件的製程步驟流程圖。如步驟S1所述，提供基板12，並對基板12進行清洗，清洗方式採取濕式與乾式配合；如步驟S2所述，於基板12上鍍上TCO薄膜層14，濺鍍方式可以是直流或射頻濺鍍；如步驟S3所述，利用高密度電漿強化化學氣相沈積法於TCO薄膜層14上形成p型矽薄膜層16；如步驟S4所述，利用環保性的物理式沈積技術，例如脈衝式雷射濺鍍或直流/射頻濺鍍沈積技術，於p型矽薄膜層16上形成CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18，並作氫/氮電漿化熱處理(H2 /N2 plasma treatment)，以改善表面特性，有利於優質性光吸收薄膜層的形成，進而提升後續所製作太陽能電池元件的能量轉換效率；如步驟S5所述，利用高密度電漿強化化學氣相沈積於CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18上形成i型矽薄膜層20；如步驟S6所述，利用高密度電漿強化化學氣相沈積於i型矽薄膜層20上形成n型矽薄膜層22；如步驟S7所述，利用直流/射頻濺鍍於n型矽薄膜22上形成TCO薄膜24；最後如步驟S8所述，利用直流/射頻濺鍍或印刷法於TCO薄膜24上形成Ni/Al電極層26，其厚度最大是0.05微米。
再者，於基板12上鍍上TCO薄膜層14之步驟前，可先利用直流/射頻濺鍍方式於基板上形成抗反射薄膜層。
上述是CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18位於i型矽薄膜層20下方的實施例，但是CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18也可以是位於i型矽薄膜層20上方，其結構將形成如第3圖所示。而製程步驟將會對應修正為先於p型矽薄膜層16上形成i型矽薄膜層20，接續，在於i型矽薄膜層20上形成CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18。這對熟悉該項技術者來說僅是製程步驟的先後次序改變，於此將不在進行贅述。
上述之氫/氮電漿化熱處理是對CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18進行快速升溫退火熱處理，以獲得良好性質的薄膜，此熱處理的最佳製程溫度為550至700℃，最佳化的製程處理時間為40至70秒。
此外，在CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18上堆疊任一型態之矽晶薄膜之前，可以物理式沈積技術先於CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層18上沈積一層矽種子薄膜層，以增加晶體結構之間相配性並作為一緩衝超薄膜層。
再者，基板材料可以是硬質的玻璃基板或者是矽晶圓片以及軟質的金屬薄片或塑膠軟片等。
請參閱第4圖，其係結合有本發明之強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件與習知的矽系薄膜型太陽能電池元件的I-V特性曲線示意圖。如圖所示，習知元件的光電能量轉換效率為7.9%，本發明之矽系薄膜型太陽能電池元件的光電能量轉換效率為10～12%，因此可知本發明之矽系薄膜型太陽能電池元件的光電轉換效率是高於習知的太陽能電池元件。
有鑑於此，本發明之強化光吸收薄膜層應用於薄膜型太陽能電池時能有效改善薄膜型太陽能電池的光電特性及其光電能量轉換效率，特別是在矽系列的太陽能電池上能提升其光吸收性及其光譜分佈範圍。再者，使用本發明之強化光吸收薄膜層後，太陽能電池將無需在堆疊數個p-i-n層結構，因此可以減少製作流程步驟以及酸鹼性溶液的消耗，進而減少環保污染的爭議性問題。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧矽系薄膜型太陽能電池元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧TCO薄膜層
16‧‧‧p型矽薄膜層
18‧‧‧CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層
20‧‧‧i型矽薄膜層
22‧‧‧n型矽薄膜層
24‧‧‧TCO薄膜
26‧‧‧電極層
第1圖是結合有本發明之強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件的一結構示意圖。
第2圖是本發明之具有強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件的製程步驟流程圖。
第3圖是結合有本發明之強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件的另一結構示意圖。
第4圖是結合有本發明之強化光吸收薄膜層之矽系薄膜型太陽能電池元件與習知的矽系薄膜型太陽能電池元件的I-V特性曲線示意圖。
10．．．矽系薄膜型太陽能電池元件
12．．．基板
14．．．TCO薄膜層
16．．．p型矽薄膜層
18．．．CIS或CIGS強化型光吸收薄膜層
20．．．i型矽薄膜層
22．．．n型矽薄膜層
24．．．TCO薄膜
26．．．電極層

Claims (11)

  1. 一種應用於太陽能電池的強化光吸收薄膜層，位於太陽能電池之本質性矽晶薄膜層的表面或底面，其材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料。
  2. 如請求項1所述之強化光吸收薄膜層，其具有黃銅礦(Chalcopyrite)結構特性。
  3. 如請求項1所述之強化光吸收薄膜層，其厚度小於50奈米。
  4. 一種矽系薄膜型太陽能電池，其包含有一基板與一位於該基板上之p-i-n型矽晶薄膜堆疊層，該矽系薄膜型太陽能電池之特徵在於：該p-i-n型矽晶薄膜層之i型矽晶薄膜層表面或底面更設置有一強化光吸收薄膜層，該強化光吸收薄膜層之材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料。
  5. 如請求項4所述之矽系薄膜型太陽能電池，其中該強化光吸收薄膜層具有黃銅礦(Chalcopyrite)結構特性。
  6. 如請求項4所述之強化光吸收薄膜層，該強化光吸收薄膜層的厚度小於50奈米。
  7. 一種具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其步驟包含有：提供一基板；於該基板表面上依序沈積形成一第一透明導電氧化物層與一位於該第一透明導電氧化物層上的p型矽晶薄膜層；以及於該p型矽晶薄膜層上依序沈積形成一i型矽晶薄膜層、一n型矽晶薄膜層、一第二透明導電氧化物層與一電極層； 其中，於該i型矽晶薄膜層或該n型矽晶薄膜層沈積前先進行一強化光吸收薄膜層沈積步驟，該強化光吸收薄膜層之材質是銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)直接能隙型半導體材料。
  8. 如請求項7所述之具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其中形成該強化光吸收薄膜層後，更對該強化光吸收薄膜層進行一快速升溫退火熱處理製程，其中該熱處理的溫度為550至700℃，處理時間為40至70秒。
  9. 如請求項7所述之具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其中該強化光吸收薄膜層具有黃銅礦(Chalcopyrite)結構特性。
  10. 如請求項7所述之具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其中該強化光吸收薄膜層是利用單一相銅銦硫系(CIS-based)或銅銦鎵硫系(CIGS-based)靶材直接地沈積而成。
  11. 如請求項7所述之具強化光吸收薄膜層之太陽能電池的製作方法，其中於該強化光吸收薄膜層上沈積形成該i型矽晶薄膜層前，先於該強化光吸收薄膜層上形成一矽種子薄膜層，以增加晶體結構之間相配性並作為緩衝層。
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