TWI684288B - 包括經由原子層沉積形成的多重緩衝層的太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種太陽能電池及其製造方法。太陽能電池包括：一基板；一形成在所述基板上的背電極層；一形成在所述背電極層上的光吸收層；一緩衝層，其包括經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層上的無氧的一第一緩衝層和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上的一第二緩衝層；以及一形成在所述緩衝層上的前電極層。

Description

包括經由原子層沉積形成的多重緩衝層的太陽能電池及其製造方法
本發明涉及包括經由原子層沉積形成的多重緩衝層的太陽能電池及其製造方法。
作為能夠減少碳排放且遵守環境法規的可再生能源，太陽能電池是高度相關的。太陽能電池將太陽光轉化為電能。太陽能電池易於安裝且容易發電。
太陽能電池是使用單晶矽或多晶矽製造的。單晶矽通常具有高的光電轉換效率，且因此已被普遍用於大型發電系統。然而，單晶矽需要複雜的製造程序且非常昂貴。因此，單晶矽是不經濟的。
多晶矽具有相對較低的效率但是便宜。因此，使用多晶矽的太陽能電池對低品質產品是有用的，如住宅發電系統。然而，多晶矽也需要複雜的製造程序，因此在降低製造成本以生產太陽能電池中有局限性。此外，由於近年來原料價格的上漲，降低使用多晶矽的太陽能電池的生產成本仍然是困難的。
作為選擇方案，近年來已經研製出了一種使用具有多接面(multi-junction)結構的非晶矽的方法，和一種使用具有硫族化合物的可被應用於薄膜型太陽能電池的複合半導體的方法。
實施例提供了包括多重緩衝層的太陽能電池及其製造方法，該多重緩衝層包括經由原子層沉積(ALD)形成在一光吸收層的一無氧(O-free)的第一緩衝層，和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上的一第二緩衝層。在這種結構下，能夠防止鹼金屬化合物擴散並因此提高太陽能電池的性能。
根據例示性實施例，一太陽能電池包括：一基板；一形成在所述基板上的背電極層；一形成在所述背電極層上的光吸收層；一緩衝層，其包括經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層上的一無氧的第一緩衝層和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上的一第二緩衝層；以及一形成在所述緩衝層上的前電極層。
所述第一緩衝層可包括選自由ZnS、ZnSe和ZnTe所組成的群組中的至少一種。
所述第一緩衝層的能帶隙能量的範圍可以是從3.5電子伏特(eV)至3.7電子伏特。
所述第一緩衝層的厚度的範圍可以是從0.2奈米至2奈米。
所述第二緩衝層可具有Zn、O或Zn(S、Se或Te)的原子層交替堆疊的形式。
所述第二緩衝層可具有包括選自由ZnO、Zn(O,S)、Zn(O,Se) 和Zn(O,Te)所組成的群組中的至少一種的第(2-1)緩衝層，和包括選自由ZnS、ZnSe和ZnTe所組成的群組中的至少一種的第(2-2)緩衝層交替堆疊的形式。
所述第(2-1)緩衝層和所述第(2-2)緩衝層的厚度比的範圍可以是在3：1至10：1。
所述第二緩衝層的厚度的範圍可以是從4奈米至50奈米。
所述緩衝層的Na含量的範圍可以是從0.5原子%至2原子%。
所述緩衝層的Na含量可在接觸光吸收層的表面具有峰值。
所述基板可為一鹼石灰玻璃基板。
所述鹼石灰玻璃基板的Na含量的範圍可以是從13原子%至15原子%。
根據本發明的另一例示性實施例，用於製造太陽能電池的方法包括：(a)在一基板上形成一背電極層；(b)在所述背電極層上形成一光吸收層；(c)對所述光吸收層的一表面進行預處理；(d)在經由原子層沉積(ALD)進行預處理的所述光吸收層表面上形成一無氧的第一緩衝層，和經由原子層沉積(ALD)在所述第一緩衝層上形成一第二緩衝層；以及(e)在所述第二緩衝層上形成一前電極層。
在步驟(c)中，所述表面預處理可以是用選自由H2S、H2Se和H2Te所組成的群組中的至少一種來浸漬所述光吸收層的表面的處理。
在步驟(d)中，所述第一緩衝層可以包括選自由ZnS、ZnSe和ZnTe所組成的群組中的至少一種。
在步驟(d)中，所述第一緩衝層41的原子層沉積(ALD)可 反復執行包括注入一金屬前體氣體、第一次吹洗(purging)、注入一反應氣體和第二次吹洗的製程循環1至10次。
10‧‧‧基板
20‧‧‧背電極層
30‧‧‧光吸收層
40‧‧‧多重緩衝層
41‧‧‧第一緩衝層
42‧‧‧第二緩衝層
50‧‧‧前電極層
實施例從下面結合附圖的詳細說明中將更清楚地被理解，其中：圖1是說明根據例示性實施例的太陽能電池的橫截面示意圖；圖2是說明根據例示性實施例的用於製造太陽能電池的方法的流程圖；圖3(a)-3(e)是分別說明根據實施例1-3和比較例1的太陽能電池的並聯電阻(R_shunt)、串聯電阻(R_series)、開路電壓(Voc)、填充因數(FF)和相對效率的測量結果的曲線圖。
在下文中，將參照附圖詳細描述例示性實施例。然而，值得注意的是實施例是例示性的但不限於所描述的實施例。
相同或相似的元件在全文中將被標定成相同的符號編號。
在附圖中，為更好的理解，層和區域的厚度可能被誇大。
在下面的描述中，在層“上”形成指定元件可表示為指定元件直接形成在層上的情況，或指定元件間接形成在層的上方，且在兩者之間插入有第三層的情況。
在下文中，將詳細描述例示性實施例。
一例示性實施例提供的太陽能電池包括：一基板；一形成在 所述基板上的背電極層；一形成在所述背電極層上的光吸收層；一多重緩衝層，其包括經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層上的一無氧的第一緩衝層和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上的一第二緩衝層；以及形成在所述多重緩衝層上的一前電極層。
而且，本發明的例示性實施例提供用於製造太陽能電池的方法，其包括：(a)在一基板上形成一背電極層；(b)在所述背電極層上形成一光吸收層；(c)對所述光吸收層的一表面進行預處理；(d)在經由原子層沉積(ALD)進行預處理的所述光吸收層表面上形成一無氧的第一緩衝層，和經由原子層沉積(ALD)在所述第一緩衝層上形成一第二緩衝層；以及(e)在所述第二緩衝層上形成一前電極層。
圖1是根據例示性實施例的太陽能電池的橫截面示意圖。該太陽能電池包括經由原子層沉積形成的多重緩衝層。
如圖1所示，包括經由原子層沉積形成的多重緩衝層的太陽能電池1係包括：基板10；形成在所述基板10上的背電極層20；形成在所述背電極層20上的光吸收層30；包括第一緩衝層41和第二緩衝層42的多重緩衝層40；以及形成在所述多重緩衝層40上的前電極層50。所述第一緩衝層41形成在所述光吸收層上且經由原子層沉積(ALD)形成。所述第一緩衝層41可以是無氧層。即，所述第一緩衝層41中基本上不包含氧。在下文中，所述第一緩衝層41也可以被稱為無氧(oxygen-free)的第一緩衝層41或無氧(O-free)的第一緩衝層41。所述第二緩衝層42形成在所述第一緩衝層41上且經由原子層沉積(ALD)形成。
圖2是說明根據例示性實施例的用於製造太陽能電池的方法 的流程圖。
如圖2所示，根據例示性實施例的用於製造太陽能電池1的方法係包括：在所述基板10上形成所述背電極層20；在所述背電極層20上形成所述光吸收層30；對所述光吸收層30的表面進行預處理；經由原子層沉積(ALD)，在所述光吸收層30的表面上形成所述第一緩衝層41，並在所述第一緩衝層41上形成所述第二緩衝層42；以及在所述第二緩衝層42上形成所述前電極層50。
基板10
可以使用玻璃基板作為基板10。然而，基板10不限於此。例如，陶瓷基板、金屬基板、聚合物基板等也可以被用作基板10。例如，可以使用鹼石灰或高應變點蘇打(high strained point soda)玻璃基板作為所述玻璃基板。可以使用包括不銹鋼或鈦的基板作為所述金屬基板。可以使用聚醯亞胺基板作為所述聚合物基板。
所述基板10可以是透明的。所述基板10可以是剛性的或柔性的。
根據例示性實施例，在所述光吸收層30形成後，所述光吸收層30的表面通過浸漬到H2S、H2Se、H2Te或其組合物中進行預處理。然後，所述無氧的第一緩衝層經由原子層沉積形成。所述第一和第二緩衝層係防止包含在所述基板10中的Na擴散。
因此，即使當使用所述鹼石灰玻璃基板時，仍然能夠有效預防鹼金屬化合物(如Na)擴散。在實施例中，所述鹼石灰玻璃基底可包括70重量%至73重量%的SiO2，1重量%至2重量%的Al2O3，12重量%至13重量 %的CaO/MnO，13重量%至15重量%的Na2O/K2O等。相對於所述鹼石灰玻璃基板中包括的總原子，所述鹼石灰玻璃基板中包含的Na的含量的範圍是13原子%至15原子%。
背電極層20
所述背電極層20形成在所述基板10上，且可包括金屬如Mo。所述背電極層20可以是一導電層。
所述背電極層20可以是單層或多層。當所述背電極層20是多層時，每層可由彼此相同的金屬或彼此不同的金屬構成。
背電極層20可通過濺鍍、真空蒸鍍、化學氣相沉積、原子層沉積、離子束沉積、絲網印刷、噴霧深塗覆、薄帶成形和噴墨形成。
所述背電極層20的厚度的範圍以從0.1微米至1微米較佳，為0.5微米更佳，但不限於此。
光吸收層30
所述光吸收層30形成在所述背電極層20上，且經由沉積形成。所述光吸收層30經受熱處理。
所述光吸收層可較佳包括硫族化合物。例如可以使用CuInS2(CIS)、CuGaS2(CGS)、CuInSe2(CISe)、CuGaSe2(CGSe)、CuAlSe2(CASe)、CuInTe2(CITe)、CuGaTe2(CGTe)、Cu(In,Ga)S2(CIGS)、Cu(In,Ga)Se2(CIGSe)、Cu2ZnSnS4(CZTS)、CdTe和其組合物。然而，所述光吸收層不限於此。
所述光吸收層的沉積可經由真空沉積或非真空沉積來進行。詳細地說，所述光吸收層的沉積可包括濺鍍、真空蒸鍍、化學氣相沉 積、原子層沉積、離子束沉積或其組合。所述光吸收層的非真空沉積可經由絲網印刷、噴霧深塗覆、薄帶成形、噴墨或及組合來進行。
所述熱處理可與所述光吸收層的材料的沉積同時進行。在另一實施例中，所述熱處理可在所述光吸收層的材料的沉積之後進行。
所述熱處理可在Se環境或S環境下進行，且可在300℃至600℃進行30分鐘到1小時。
例如，Cu、In、Ga和Se前體經由濺鍍沉積。然後，在熱處理室使用H2Se或H2S氣體進行熱處理，以形成硫族化合物Cu(In,Ga)S2(CIGS)或Cu(In,Ga)Se2(CIGSe)。具體地，固體形式的Cu、In、Ga和Se前體被放在熔爐中，並加熱所述熔爐以提供高真空環境。所述Cu、In、Ga和Se前體在高真空環境下蒸發，從而形成所述包括硫族化合物Cu(In,Ga)S2(CIGS)的所述光吸收層30。
緩衝層40
所述緩衝層40形成在所述光吸收層30上，且包括所述無氧的第一緩衝層41和所述第二緩衝層42。
所述無氧的第一緩衝層41經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層30上。所述第二緩衝層42經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層41上。
所述無氧的第一緩衝層41基本上不包括氧氣。即，所述第一緩衝層41中的氧含量為約0原子%。
在實施例中，所述緩衝層40是n-型半導體層，且所述光吸收層30是p-型半導體層。因此，所述光吸收層30和所述緩衝層40形成pn接面。 所述光吸收層30和所述前電極層50的晶格常數和能帶隙有很大差別。所述緩衝層40具有一能帶隙在所述光吸收層30和所述前電極層50之間。因此，當所述緩衝層40設置在所述光吸收層30和所述前電極層50之間時，可以改善所述光吸收層30和所述前電極層50之間的接面特性。
CdS不適合用於所述緩衝層40，因為經由化學浴沉積(CBD)形成的CdS會引起污染和環境問題。在實施例中，所述緩衝層可包括ZnO，Zn、O和S的合成物(下文也稱為Zn(O,S))，Zn、O和Se的合成物(也稱為Zn(O,Se))，Zn、O和Te的合成物(也稱為Zn(O,Te))等等。所述緩衝層可經由原子層沉積(ALD)形成。由於所述原子層沉積(ALD)中使用的氧化劑H2O、H2O2和O3，大量鹼金屬化合物(如Na-O和Na-Se-O)形成在所述光吸收層的表面上，因此降低了太陽能電池的性能。
為了解決這個問題，在實施例中，所述光吸收層30的表面在形成所述第二緩衝層42和所述無氧的第一緩衝層41之前進行預處理。
也就是說，所述緩衝層40：包括經由原子層沉積(ALD)形成在預處理過之所述光吸收層30上的所述無氧的第一緩衝層41，和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層41上的所述第二緩衝層42。
首先，所述表面預處理可經由將所述光吸收層30的表面浸漬到還原劑(或去氧劑)如H2S、H2Se、H2Te或其組合物中來進行。所述浸漬可以使所述光吸收層30的表面的厚度和成分均勻，且大大增加所述光吸收層30的表面上的活性部位的數量。因此，所述緩衝層40可以容易地經由原子層沉積形成。
例如，所述浸漬可以在體積為300×300×15立方毫米至 700×1000×700立方毫米的腔室中進行。所述浸漬的流動條件可根據所述腔室的尺寸而變化。例如，所述浸漬選在100單位時間標準毫升數(sccm)至10000單位時間標準毫升數的流動條件下進行較佳，但流動狀態不限於此。當流動條件小於該範圍時，所述光吸收層30可能不會被充分地浸漬到H2S等中。因此，所述緩衝層40的成分均勻性和厚度均勻性可能會惡化。
與此相反，當所述流動狀態超過該範圍時，所述緩衝層40的均勻性也可能由於腔室中的紊流而惡化。此外，可能增加製程時間以吹洗未反應氣體。當製程時間增加時，光吸收層30的特性可能惡化。
而且，所述浸漬的時間條件可以根據所述腔室的尺寸和注入氣體的流動狀態而改變。浸漬以進行30秒到5分鐘較佳，但不限於此。當浸漬的持續時間小於30秒時，所述光吸收層30未充分地浸漬到H2S等中。因此，所述緩衝層40的成分比均勻性和厚度均勻性可能會惡化。
與此相比，當浸漬進行超過5分鐘時，可能需增加製程時間以從該腔室吹洗未反應氣體。當製程時間增加時，所述光吸收層30的特性可能惡化。
所述第一緩衝層41是無氧的，且經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層30上。即，所述第一緩衝層41基本上不包含氧。所述第一緩衝層41可包含ZnS、ZnSe、ZnTe或其組合物。
所述第一緩衝層41可防止在隨後的原子層沉積(ALD)過程中生成氧化劑(如H2O、H2O2和O3)，且在隨後的原子層沉積(ALD)過程中，防止太陽能電池1的性能由於大量地形成在所述光吸收層30的表面上的鹼金屬化合物(如Na-O和Na-Se-O)而發生惡化。
當所述第一緩衝層41具有高的能帶隙能量，例如，從3.5電子伏特至3.7電子伏特，需要優化所述第一緩衝層41的厚度以控制所述光吸收層30和所述第一緩衝層41之間的導電帶補償。
所述第一緩衝層41的原子層沉積(ALD)可經由重複包括注入金屬前體氣體、第一次吹洗、注入反應氣體和第二次吹洗的製程循環來進行。所述金屬前體氣體可以是二乙基鋅(DEZ)，所述反應氣體可以是H2S、H2Se、H2Te或其組合物。
所述製程循環以重複1-10次較佳，2-6次更佳，但不限於此。當所述製程循環少於該次數時，所述緩衝層41的功能可能無法適當地執行。當所述製程循環超過該次數時，所述第一緩衝層41的厚度太厚，因此導電帶補償可能無法控制。
所述第一緩衝層的厚度範圍是在0.2奈米至2奈米較佳，0.4奈米至1.2奈米更佳，但不限於此。在這種情況下，當所述第一緩衝層41的厚度小於該範圍時，所述無氧的第一緩衝層41的材料未充分塗覆在所述光吸收層30的整個表面。因此，鹼金屬化合物(像Na-O、Na-Se-O)等可在隨後的沉積所述第二緩衝層42的過程中形成在所述光吸收層30的表面上。當所述第一緩衝層41的厚度超過該範圍時，所述第一緩衝層41變得太厚。因此，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償增加，開路電壓(Voc)相應地減小，從而降低所述太陽能電池1的性能。
所述第二緩衝層42經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層41上。所述第二緩衝層42可以是奈米混合層。例如，所述奈米混合層可以經由交替堆疊Zn、O，及Zn和任何的S、Se、Te的合成物，以及其 組合物(下文也稱為合成物Zn(S,Se,Te))的原子層來而形成。
在另一實施例中，所述第二緩衝層42是奈米疊層。例如，所述第二緩衝層42可包括一第三緩衝層和一第四緩衝層。所述第三緩衝層可包括ZnO、Zn-O-S、Zn-O-Se、Zn-O-Te或其組合物。所述第四緩衝層可包括ZnS、ZnSe和ZnTe。所述第三和所述第四緩衝層交替堆疊。
當所述第二緩衝層42是奈米混合層時，很難互相區分各自的層。然而，當所述第二緩衝層42是奈米疊層時，能夠區分所述第三緩衝層和所述第四緩衝層。
與所述奈米混合層相比，因為所述奈米疊層導電帶補償製程的可控性多變化的，所以所述奈米疊層更佳。
所述能帶隙能量根據O和S的相對含量而變化。在所述奈米混合層的情況下，所述ZnO和ZnS的原子層交替堆疊，且僅可經由控制製程循環比來控制所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償。
另一方面，在所述包含ZnO的第三緩衝層和所述包括ZnS的第四緩衝層交替堆疊的奈米疊層的情況下，可以經由(i)控制所述製程循環比(或所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的厚度比)和(ii)控制所述第二緩衝層所包含的所述第三或第四緩衝層的數量的組合，來控制所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償。因此，可以進行更複雜且相對精細的控制。
詳細地說，在由奈米疊層形成的所述第二緩衝層42中，所述第三緩衝層可包括ZnO、合成物Zn-O-S、合成物Zn-O-Se、Zn-O-Te或其組合物。即，形成在所述第一緩衝層41上的所述第三緩衝層可防止鹼金屬化合 物(如Na-O和Na-Se-O)形成在所述光吸收層30的表面上，從而防止所述太陽能電池1的性能惡化。由於所述包括氧的第三緩衝層或所述第一緩衝層41的存在，即使在所述原子層沉積(ALD)中使用氧化劑H2O、H2O2和O3，但是在所述光吸收層30的表面上並沒有形成鹼金屬化合物。用於形成所述第三緩衝層的原子層沉積(ALD)可以重複進行注入金屬前體氣體、第一次吹洗、注入反應氣體和第二次吹洗的製程循環。所述金屬前體氣體可以是二乙基鋅(DEZ)，所述反應氣體可以是H2O、H2S、H2Se、H2Te或其組合物。
當所述第二緩衝層42由奈米疊層形成時，所述第四緩衝層可包括ZnS、ZnSe、ZnTe或其組合物。即，像所述第一緩衝層一樣，所述第四緩衝層是一無氧層。用於形成所述第四緩衝層的原子層沉積(ALD)可以重複進行注入金屬前體氣體、第一次吹洗、注入反應氣體和第二次吹洗的製程循環。所述金屬前體氣體可以是二乙基鋅(DEZ)，所述反應氣體可以是H2S、H2Se、H2Te或其組合物。
所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的製程循環比的範圍以在3：1到10：1較佳，但不限於此。當所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的製程循環比小於3：1時，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償增加，因此短路電流(Jsc)可能減小。當所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的製程循環比超過10：1時，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償減小，因此開路電壓(Voc)可能減小。
詳細地說，當所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的製程循環比小於3：1時，交替頻率(alternate frequency)可能是5-63次。當所述第三緩 衝層和所述第四緩衝層的製程循環比為10：1時，交替頻率可能是1-13次。重複所述製程循環5-63次可能導致所述緩衝層40的厚度為4奈米至50奈米。所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的厚度比的範圍從3：1至10：1較佳，但不限於此。當所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的厚度比小於3：1時，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償增加，因此短路電流Jsc可能減小。當所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的厚度比超過10：1時，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償減小，因此開路電壓Voc可能減小。
而且，在所述第二緩衝層42中的O：S、O：Se和O：Te的各個原子量比的範圍都以從19：6至9：1較佳，但不限於此。在所述第二緩衝層42中的O：S、O：Se和O：Te的各個摩爾比也為從19：6至9：1。因此，所述光吸收層和所述緩衝層之間的導電帶補償可以形成和控制在0.0電子伏特至0.4電子伏特的範圍內，以便可以獲得最佳的開路電壓(Voc)和短路電流(Jsc)條件。
所述第二緩衝層42的厚度的範圍以從4奈米至50奈米較佳，但不限於此。當所述第二緩衝層42的厚度小於4奈米，形成在具有數十奈米至數百奈米的非常大的表面粗糙度的所述光吸收層30上的所述第二緩衝層42的厚度均勻性惡化，因此開路電壓(Voc)可能減小，從而降低太陽能電池的效率。當所述第二緩衝層42的厚度超過50奈米時，透射率減小且入射到所述光吸收層30中的光的數量減小。因此，短路電流(Jsc)可能減小，從而降低所述太陽能電池1的效率。
由於經由原子層沉積形成所述無氧的第一緩衝層，所以所述緩衝層40具有小的Na含量。例如，所述緩衝層40的Na含量的範圍是從0.5原子%至2原子%，但不限於此。
而且，為了降低所述緩衝層40中的Na含量，所述光吸收層30可經受表面熱處理。所述表面熱處理可在空氣、N2、Ar、O2、H2O、H2O2或其組合物的氣體環境下進行。例如，所述表面熱處理可在100℃至250℃的溫度下進行1分鐘到30分鐘。
而且，所述光吸收層經受所述表面熱處理後，所述光吸收層可用洗滌液NH4OH、HNO3、HCl、H2SO4、NH4F、HF、H2O2、CdSO4、KCN、去離子水(DI-water)或其組合物來清洗。在另一實施例中，光吸收層可以使用清潔氣體和電漿來清洗。例如，所述清潔氣體可以包括NH3、ClF3、F2、H2O、O2、N2O、NF3、N2和其組合物。所述電漿可以使用反應氣體如Ar、N2、O2、H2O、H2、He、CH4、NH3、CF4、C2H2、C3H8和其組合物來生成。例如，清潔狀態可以設定為100℃至120℃的溫度持續30秒到5分鐘。
所述緩衝層40中的Na含量可根據位置而不同。例如，所述Na含量可在所述光吸收層30和所述緩衝層40之間的交界面最高。相對更大量的Na存在於所述光吸收層30的表面上而不是所述光吸收層30的內部。Na與O結合形成鹼金屬化合物(如Na-O和Na-Se-O)。因此，在傳統太陽能電池中，鹼金屬化合物以高濃度存在於所述光吸收層30和所述緩衝層40之間的交界面。
在實施例中，經由原子層沉積形成的所述無氧的第一緩衝層可包括約3重量%的雜質如C、H、OH及其組合物，但不限於此。當所述緩衝層40中存在的雜質的含量超過3重量%時，導電通路形成在所述光吸收層30和所述前電極層50之間，因此並聯電阻(R-shunt)可能減小。雜質的含量可經由XRD、AES、SIMS等進行檢查。
前電極層50
所述前電極層50形成在所述緩衝層40上。所述前電極層50與所述光吸收層30形成pn接面，且由ZnO、鋁(AL)、摻雜有氧化鋁(Al2O3)的ZnO、ITO等構成。
所述前電極層50可形成為雙層結構，其中具有優良的光電特性的n-型ZnO薄膜或銦錫氧化物(ITO)薄膜沉積在i-型ZnO薄膜上。
所述i-型ZnO薄膜作為所述太陽能電池的前表面的透明電極。所述前電極層50可由具有高透光率和優良導電性的無摻雜ZnO薄膜組成。沉積在所述i-型ZnO薄膜上的所述n-型ZnO薄膜或銦錫氧化物具有低的電阻值。
在包括根據本發明的實施例的緩衝層的所述太陽能電池1中，所述光吸收層30的表面在形成所述緩衝層40之前被浸漬到H2S、H2Se、H2Te或其組合物中。經由原子層沉積形成的所述無氧的第一緩衝層41阻止鹼金屬化合物的擴散，從而減小並聯電阻(R-shunt)並增加填充因數(FF)。
包括根據本發明的實施例的所述緩衝層40的所述太陽能電池1可以大尺寸製造，例如，4平方英寸或更大。
在下文中，將描述較佳實施例。然而，下列實施例僅用於幫助理解本發明，本發明不限於下列實施例。
實施例1
厚度為0.5微米的所述背電極層經由DC濺鍍將Mo基底合金塗覆在所述鹼石灰玻璃基板上而形成。所述Cu、In、Ga和Se前體通過DC濺鍍沉積在所述背電極層上。然後，所述背電極層在Se環境下在550℃進行熱 處理30分鐘至60分鐘，以形成包括CIGS基底化合物且具有2微米厚度的所述光吸收層。所述光吸收層的表面被放置在腔室中。H2S以100單位時間標準毫升數至5000單位時間標準毫升數的流速供應到該腔室，持續2分鐘。該腔室的體積為300×300×15立方毫米至700×1000×700立方毫米。
然後，厚度為0.8奈米的ZnS層經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層上。所述ZnS層作為所述第一緩衝層。對於所述第一緩衝層的原子層沉積，下列製程循環重複四次：注入二乙基鋅(DEZ)金屬前體氣體持續1秒至2秒、吹洗持續2秒至8秒、注入H2S反應氣體持續0.5秒至2秒，以及吹洗持續2秒至8秒。
然後，厚度為1.0奈米的ZnO緩衝層經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上。所述ZnO緩衝層作為所述第三緩衝層。厚度為0.2奈米的ZnS緩衝層經由原子層沉積(ALD)形成在所述ZnO緩衝層上。所述ZnS緩衝層作為所述第四緩衝層。所述ZnO緩衝層和所述ZnS緩衝層以交替的方式重複形成33次，以形成厚度為40奈米的所述第二緩衝層。所述第三緩衝層的原子層沉積經由重複5次下列製程循環而形成：注入二乙基鋅(DEZ)金屬前體氣體持續1秒至2秒、吹洗持續2秒至8秒、注入H2O反應氣體持續1秒至2秒，以及吹洗持續2秒至8秒。所述第四緩衝層的原子層沉積經由執行一次下列製程循環而形成：注入二乙基鋅(DEZ)金屬前體氣體持續1秒至2秒、吹洗持續2秒至8秒、注入H2S反應氣體持續0.5秒至2秒，以及吹洗持續2秒至8秒。
然後，厚度為50奈米的所述i-型ZnO薄膜和厚度為1000奈米的n-型ZnO薄膜經由RF濺鍍法形成，以形成所述前電極層。由此，獲得所述 太陽能電池。
實施例2
實施例2用與上述實施例1相同的方式執行，除了形成所述第一緩衝層的製程循環重複兩次，而不是四次。
實施例3
實施例3用與上述實施例1相同的方式執行，除了所述第一緩衝層的製程循環重複六次，而不是四次。
比較例1
比較例1用與實施例1相同的方式執行，除了所述光吸收層的表面不是用H2S進行處理，以及沒有形成所述第一緩衝層之外。 評估 (1)對太陽能電池的每個因素的性能評估
對根據上述實施例1-3和上述比較例1製造的太陽能電池進行評估。結果如表1和圖3所示。
Figure 104118740-A0202-12-0018-1
從上述表1和圖3可以得出，與上述比較例1相比，實施例1-3表現出了較高的並聯電阻(R_shunt)、較低的串聯電阻(R_series)和較高的填充因數(FF)。而且，實施例1-3表現出了開路電壓(Voc)高於或等於比較例1。因此，與上述比較例1相比，實施例1-3表現出了比比較例1提高了1.3%至11.4%的效率。這種改善可歸因於用H2S對所述光吸收層的表面的處 理和所述ZnS第一緩衝層的存在，從而防止所述鹼金屬化合物Na-O和Na-Se-O的擴散。
根據本發明的實施例，所述太陽能電池包括所述多重緩衝層，該多重緩衝層包括經由原子層沉積(ALD)形成在所述光吸收層上的所述無氧的第一緩衝層，和經由原子層沉積(ALD)形成在所述第一緩衝層上的所述第二緩衝層，從而防止所述鹼金屬化合物的擴散並提高所述太陽能電池的性能。
而且，根據本發明的實施例，所述太陽能電池可製造為大尺寸，例如4平方英寸或更大。
本發明的前述說明僅是示例，本領域技術人員將會想到在不脫離本發明的範圍和主旨的技術理念或基本特徵的情況下，本發明可以容易地改變為其他詳細的形式。因此，應該理解上述實施例並不是限制性的，而是在各個方面的示例。
10‧‧‧基板
20‧‧‧背電極層
30‧‧‧光吸收層
40‧‧‧多重緩衝層
41‧‧‧第一緩衝層
42‧‧‧第二緩衝層
50‧‧‧前電極層

Claims (15)

  1. 一種太陽能電池，其包括：一基板；一背電極層，其形成在所述基板的上方；一光吸收層，其形成在所述背電極層的上方；一緩衝層，其包括形成在所述光吸收層上方的一第一緩衝層和形成在所述第一緩衝層上方的一第二緩衝層；以及一前電極層，其形成在所述緩衝層的上方，其中，所述第一緩衝層是一無氧層，所述第一緩衝層及所述第二緩衝層係經由原子層沉積(ALD)形成，所述光吸收層包括硫族化合物，所述硫族化合物係選自如下所組成之群組：CuInS2(CIS)、CuGaS2(CGS)、CuInSe2(CISe)、CuGaSe2(CGSe)、CuAlSe2(CASe)、CuInTe2(CITe)、CuGaTe2(CGTe)、Cu(In,Ga)S2(CIGS)、Cu(In,Ga)Se2(CIGSe)、Cu2ZnSnS4(CZTS)、CdTe和其組合物，所述光吸收層係經由沉積所述硫族化合物及使用H2Se或H2S氣體進行熱處理而形成，接著所述光吸收層之表面進行預處理，其中，所述預處理係將所述光吸收層的表面浸漬到H2S、H2Se、H2Te或其組合物中來進行，以及所述緩衝層包含低於3重量%的雜質，所述雜質為C。
  2. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第一緩衝層包括ZnS、ZnSe、ZnTe或其組合物。
  3. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第一緩衝層的能帶隙能量為3.5電子伏特(eV)至3.7電子伏特。
  4. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第一緩衝層的厚度為0.2奈米至2奈米。
  5. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第二緩衝層包括一含氧原子層和一無氧原子層的一疊層，其中，所述含氧原子層包括：(i)Zn和(ii)O，以及其中，所述無氧原子層包括：(i)Zn和(ii)S、Se、Te或其組合物。
  6. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第二緩衝層包括一第三緩衝層和一第四緩衝層的一疊層，其中，所述第三緩衝層包括ZnO、ZnOS、ZnOSe、ZnOTe或其組合物，以及其中，所述第四緩衝層包括ZnS、ZnSe、ZnTe或其組合物。
  7. 如請求項6所述的太陽能電池，其中，所述第三緩衝層和所述第四緩衝層的厚度比為3：1至10：1。
  8. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述第二緩衝層的厚度為4奈米至50奈米。
  9. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，當測量時，相對於包含在所述緩衝層中的總原子，所述緩衝層包括0.5原子%至2原子%的Na。
  10. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，包含在所述緩衝層中的Na含量根據位置而不同，且在所述光吸收層和所述緩衝層之間的交界面最高。
  11. 如請求項1所述的太陽能電池，其中，所述基板係一鹼石灰玻璃基板。
  12. 如請求項11所述的太陽能電池，其中，當測量時，相對於包含在所述鹼石灰玻璃基板中的總原子，所述鹼石灰玻璃基板包括13原子%至15原子 %的Na。
  13. 一種用於製造太陽能電池的方法，其包括：在一基板上方形成一背電極層；在所述背電極層上方形成一光吸收層；利用一還原劑對所述光吸收層的表面進行預處理；經由原子層沉積(ALD)在所述光吸收層的表面上方形成一第一緩衝層；經由原子層沉積(ALD)在所述第一緩衝層上方形成一第二緩衝層；以及在所述第二緩衝層上方形成一前電極層，其中，所述第一緩衝層是一無氧層，所述第一緩衝層及所述第二緩衝層係包含於一緩衝層內，所述光吸收層包括硫族化合物，所述硫族化合物係選自如下所組成之群組：CuInS2(CIS)、CuGaS2(CGS)、CuInSe2(CISe)、CuGaSe2(CGSe)、CuAlSe2(CASe)、CuInTe2(CITe)、CuGaTe2(CGTe)、Cu(In,Ga)S2(CIGS)、Cu(In,Ga)Se2(CIGSe)、Cu2ZnSnS4(CZTS)、CdTe和其組合物，所述光吸收層係經由沉積所述硫族化合物及使用H2Se或H2S氣體進行熱處理而形成，其中，所述預處理係將所述光吸收層的表面浸漬到H2S、H2Se、H2Te或其組合物中來進行，以及所述緩衝層包含低於3重量%的雜質，所述雜質為C。
  14. 如請求項13所述的方法，其中，所述第一緩衝層包括ZnS、ZnSe、ZnTe或其組合物。
  15. 如請求項13所述的方法，其中，所述第一緩衝層是經由重複製程循環 1-10次來形成的，其中，所述製程循環包括注入一金屬前體氣體、第一次吹洗、注入一反應氣體和第二次吹洗。
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