TWI395338B

TWI395338B - 具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池及其製作方法

Info

Publication number: TWI395338B
Application number: TW098143036A
Authority: TW
Inventors: Chien Nan Lin; Hung Tse Huang; Yu Hung Tai; Yu Che Tsai; Cheng Ying Yu
Original assignee: Nexpower Technology Corp
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2013-05-01
Also published as: TW201123473A

Description

具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池及其製作方法

本發明係有關於一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池及其製作方法，其中此薄膜太陽能電池之背電極層係依序導入第一金屬層、中介層及第二金屬層而形成者。

20世紀70年代，由美國貝爾實驗室首先研製出的矽太陽能電池逐步發展起來。隨著太陽電池之發展，如今太陽能電池有多種類型，典型的有晶體矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池、化合物太陽能電池、染料敏化太陽能電池等。太陽能電池主要是利用光伏效應(photovoltaic effect)，將光能吸收後直接轉換成電能的一種P/N接面(p-n junction)的半導體結構。近年來，為因應太陽能電池薄型化的要求，薄膜疊層太陽能電池成為現今之發展趨勢。薄膜疊層太陽電池最大優點就是生產成本較低，然其效率和穩定度的問題也尚待改善。

請參考第1圖，係為一種習知之薄膜太陽能電池結構，而此習知之薄膜太陽能電池10包含依序堆疊形成的基板11、前電極層12、光吸收層13與背電極層14，其中此背電極層14之組成進一步包含依序堆疊形成的透明導電層(GZO)141、銀(Ag)金屬層142及鈦(Ti)金屬薄膜145。然，在上述習知之背電極層14之材質中，相較於透明導電物GZO與金屬Ti的膜厚比例，銀的膜厚佔最高，也就是GZO與Ti的膜厚分別是800埃(Å)與150埃(Å)，而銀的膜厚必須在2100埃(Å)才可維持背電極層較高之反射率。由於背電極層14導入銀的膜厚較高，使得整個薄膜太陽能電池製作成本也相對提高，不利大量生產，實有必要加以改良。

為了解決上述先前技術不盡理想之處，本發明提供一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，包含依序堆疊形成的基板、前電極層、光吸收層與背電極層，其中此背電極層進一步包含依序堆疊形成的透明導電層、第一金屬層、中介層、第二金屬層以及金屬薄膜，其中此中介層具有大於1微歐姆-公分(μΩ-cm)之電阻係數值，以提供第一金屬層與第二金屬層之間的導電障壁。

因此，本發明之主要目的在於提供一種有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中此第一金屬層、中介層及第二金屬層所形成之結構可提供背電極層之光反射率達到98%以上。

本發明之另一目的在於提供一種有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中此第一金屬層、中介層及第二金屬層所形成之結構可大幅降低背電極層之導入成本。

此外，本發明進一步提供一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，包含以下步驟：提供一基板；形成前電極層在此基板；形成光吸收層在上述前電極層；以及形成背電極層在此光吸收層，其中背電極層依序導入有透明導電層、第一金屬層、中介層、第二金屬層及金屬薄膜，其中中介層具有一電阻係數值大於1微歐姆-公分(μΩ-cm)，以提供第一金屬層與第二金屬層之間的導電障壁。

因此，本發明之主要目的在於提供一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中依序導入之第一金屬層、中介層及第二金屬層而形成之背電極層結構可使得光反射率達到98%以上。

本發明之另一目的在於提供一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中依序導入第一金屬層、中介層及第二金屬層而形成之背電極層結構可大幅降低背電極層之導入成本。

由於本發明係揭露一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池及其製作方法，其中所利用太陽能發電原理與基本功能，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，不再完整描述。同時，以下文中所對照之圖式，係表達與本發明特徵有關之結構示意，並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製，盍先敘明。

首先請參考第2圖，係根據本發明所提供之較佳實施例，為一種薄膜太陽能電池結構，此薄膜太陽能電池20主要包含有依序堆疊形成的基板21、前電極層22、光吸收層23與背電極層24，其中此背電極層24進一步包含依序堆疊形成的透明導電層241、第一金屬層242、中介層243、第二金屬層244以及金屬薄膜245，其中此中介層243具有大於1微歐姆-公分(μΩ-cm)之電阻係數值，以提供第一金屬層242與第二金屬層244之間的導電障壁。

在上述實施例中，金屬薄膜245可以是鈦(Ti)、鎳釩合金(Ni-V)、鎳鈦合金(Ni-Ti)及鎳鎘合金(Ni-Cd)等其中之一，在本實施例中係使用Ti且此金屬薄膜Ti具有厚度150埃(Å)。前電極層22係為一透明導電氧化物(TCO)。光吸收層23係為一非晶矽(a-Si)。背電極層24之透明導電層241係為鎵鋅氧化物(GZO)，而此透明導電層GZO具有厚度800埃(Å)。背電極層24之第一金屬層242係為銀(Ag)，而此第一金屬層Ag具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。背電極層24之中介層243係為透明導電氧化物(TCO)或金屬，在本實施例中係使用TCO且此中介層TCO具有厚度100埃(Å)。背電極層24之第二金屬層244可以是鋁(Al)、銅(Cu)及金(Au)等其中之一，在本實施例中係使用Al且此第二金屬層Al具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。

在上述實施例中，可藉由調整中介層TCO的片電阻以形成所需之導電障壁，進而提昇背電極層之光反射率達到98%以上。關於導電障壁之實驗數據，請參考如下之表1。

從上述各膜層組合測試表，可發現傳統薄膜太陽能電池為了維持背電極層較高之反射率，必須將背電極層的銀膜維持在2100 Å(如表1所示之標準值)的厚度，導致整個薄膜太陽能電池製作成本也相對提高，不利大量生產。但根據本發明之特殊背電極結構，也就是以實驗組數5、6、7之規格為例，銀膜的厚度只要300Å(大約是習知銀膜標準值的七分之一)，再以透明導電層之GZO膜厚100Å搭配第二金屬層之鋁膜厚1000Å、1500Å或2100Å，控制這三種堆疊之材質Ag/GZO/Al的膜厚比例就可以使背電極層之光反射率達到98%以上。換言之，使用成本較低廉的材質GZO與鋁，且控制GZO與鋁之膜厚在某一範圍之內，就可大幅降低使用銀膜的用量(只需要300Å)，卻可達到習知完全使用純銀之高成本才能達成的高反射率。

接著，請分別參考第3A、3B、3C圖，再從反射率與光譜之關係，來說明使用不同膜厚之純鋁、純銀及本發明之特殊堆疊結構Ag/GZO/Al對照標準膜厚2100 Å之純銀，隨著不同之光譜而分別對薄膜太陽能電池呈現反射率之變化。其中X軸為光譜波長，單位是奈米(nm)，Y軸為反射率，單位是百分比(%)。

在第3A圖中，在背電極層只導入不同膜厚之純鋁與對照導入標準膜厚2100 Å之純銀之間的效益比較，其中左手邊的關係圖係用以表示烘烤前之薄膜太陽能發電單元(unit cell)，而右手邊的關係圖係用以表示烘烤後之薄膜太陽能發電模組(module)。從第3A圖可發現，僅導入純鋁的背電極層之反射率較導入純銀差，也就是導入純鋁的膜厚從500Å變化到2100Å，背電極層對大部份光譜波長之反射率相較於導入標準膜厚2100 Å之純銀而言，反射率普遍不佳，由於背電極層之反射率不佳，因此對薄膜太陽能電池之光電轉換效益有負面影響。因此純鋁的無法直接取代純銀在背電極層反射率之提昇。

在第3B圖中，在背電極層只導入不同膜厚之純銀與對照導入標準膜厚2100 Å之純銀之間的效益比較，其中左手邊的關係圖係用以表示烘烤前之薄膜太陽能發電單元(unit cell)，而右手邊的關係圖係用以表示烘烤後之薄膜太陽能發電模組(module)。從第3B圖可發現，導入純銀的背電極層之反射率將隨著銀膜的厚度遞減而呈現較差趨勢，特別是當導入純銀的膜厚低於900 Å以下時，相較於導入標準膜厚2100 Å之純銀而言，背電極層之光反射率遞減幅度隨著光譜波長之遞減而呈現大幅惡化。因此若需維持背電極層之反射率在可接受之效益時，純銀的膜厚必須至少高於900 Å。

在第3C圖中，在背電極層導入本發明之特殊堆疊結構Ag/GZO/Al對照導入標準膜厚2100 Å之純銀之間的效益比較，其中左手邊的關係圖係用以表示烘烤前之薄膜太陽能發電單元(unit cell)，而右手邊的關係圖係用以表示烘烤後之薄膜太陽能發電模組(module)。從第3C圖可發現，導入特殊堆疊結構Ag/GZO/Al的背電極層之反射率完全不亞於導入標準膜厚2100 Å之純銀，也就是這樣的堆疊結構Ag/GZO/Al(膜厚分別是300 Å、100 Å、1000 Å~2100Å)對大部份光譜波長之反射率效果極佳，所以這樣的堆疊結構Ag/GZO/Al對薄膜太陽能電池之光電轉換效益有正面影響。因此本發明之特殊堆疊結構Ag/GZO/Al可直接取代標準膜厚2100 Å之純銀在背電極層反射率之效果，進而降低純銀使用率達66%，故可有效降低背電極層之導入成本。除了製程成本可有效降低之外，從整個薄膜太陽能電池之發電功率而言，相較於使用標準膜厚2100 Å之純銀在背電極層，用在背電極層之本發明特殊堆疊結構Ag/GZO/Al更可進一步使得整個薄膜太陽能電池之發電功率大致相同於使用標準膜厚2100 Å純銀之薄膜太陽能電池之發電功率。

此外，本發明提供另一較佳實施例，係為具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，包含以下步驟：

(1)提供基板21。

(2)形成前電極層22在上述基板21。

(3)形成光吸收層23在上述前電極層22，以及(4)形成背電極層24在上述光吸收層23，其中背電極層24依序導入有透明導電層241、第一金屬層242、中介層243、第二金屬層244及金屬薄膜245，其中中介層243具有一電阻係數值大於1微歐姆-公分(μΩ-cm)，以提供第一金屬層242與第二金屬層244之間的導電障壁。

在上述方法實施例中，金屬薄膜245可以是鈦(Ti)、鎳釩合金(Ni-V)、鎳鈦合金(Ni-Ti)及鎳鎘合金(Ni-Cd)等其中之一，在本實施例中係使用Ti且此金屬薄膜Ti具有厚度150埃(Å)。前電極層22係為一透明導電氧化物(TCO)。光吸收層23係為一非晶矽(a-Si)。背電極層24之透明導電層241係為鎵鋅氧化物(GZO)，而此透明導電層GZO具有厚度800埃(Å)。背電極層24之第一金屬層242係為銀(Ag)，而此第一金屬層Ag具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。背電極層24之中介層243係為透明導電氧化物(TCO)或金屬，在本實施例中係使用TCO且此中介層TCO具有厚度100埃(Å)。背電極層24之第二金屬層244可以是鋁(Al)、銅(Cu)及金(Au)等其中之一，在本實施例中係使用Al且此第二金屬層Al具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å) 之間。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之權利範圍。同時以上的描述，對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施，因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。

10(先前技術)、20‧‧‧薄膜太陽能電池

11(先前技術)、21‧‧‧基板

12(先前技術)、22‧‧‧前電極層

13(先前技術)、23‧‧‧光吸收層

14(先前技術)、24‧‧‧背電極層

141(先前技術)、241‧‧‧透明導電層

142(先前技術)、242‧‧‧第一金屬層

243‧‧‧中介層

244‧‧‧第二金屬層

145(先前技術)、245‧‧‧金屬薄膜

第1圖為一示意圖，係為一種習知之薄膜太陽能電池結構。

第2圖為一示意圖，係根據本發明提出之較佳實施例，為一種薄膜太陽能電池結構。

第3A圖為一反射率與光譜之影響關係，係比較背電極層所用不同膜厚之純鋁對照標準膜厚之純銀，隨著不同之光譜而分別對薄膜太陽能電池呈現反射率之變化。

第3B圖為一反射率與光譜之影響關係，係比較背電極層所用不同膜厚之純銀對照標準膜厚之純銀，隨著不同之光譜而分別對薄膜太陽能電池呈現反射率之變化。

第3C圖為一反射率與光譜之影響關係，係比較本實施例之背極層所用不同膜厚之銀/鎵鋅氧化物/鋁對照標準膜厚之純銀，隨著不同之光譜而分別對薄膜太陽能電池呈現反射率之變化。

20‧‧‧薄膜太陽能電池

21‧‧‧基板

22‧‧‧前電極層

23‧‧‧光吸收層

24‧‧‧背電極層

241‧‧‧透明導電層

242‧‧‧第一金屬層

243‧‧‧中介層

244‧‧‧第二金屬層

245‧‧‧金屬薄膜

Claims

一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，包含依序堆疊形成的一基板、一前電極層、一光吸收層與一背電極層，其特徵在於該背電極層進一步包含依序堆疊形成的一透明導電層、一第一金屬層、一中介層、一第二金屬層以及一金屬薄膜；其中，該中介層之厚度小於該第一金屬層及該第二金屬層的厚度。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該金屬薄膜係選自於由鈦(Ti)、鎳釩合金(Ni-V)、鎳鈦合金(Ni-Ti)及鎳鎘合金(Ni-Cd)所構成之群組。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該前電極層係為一透明導電氧化物(TCO)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該光吸收層係為一非晶矽(a-Si)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該背電極層之透明導電層係為鎵鋅氧化物(GZO)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該背電極層之第一金屬層係為銀(Ag)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該背電極層之中介層係為透明導電氧化物(TCO)或金屬。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該背電極層之第二金屬層係選自於由鋁(Al)、銅(Cu)及金(Au)所構成之群組。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該透明導電層具有厚度800埃(Å)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該第一金屬層具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該中介層具有厚度100埃(Å)。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該二金屬層具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。
依據申請專利範圍第2項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該金屬薄膜具有厚度150埃(Å)。
一種具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，包含提供一基板；形成一前電極層在該基板；形成一光吸收層在該前電極層；以及形成一背電極層在該光吸收層；其特徵在於該背電極層依序導入有一透明導電層、一第一金屬層、一中介層、一第二金屬層及一金屬薄膜；其中，該中介層之厚度小於該第一金屬層及該第二金屬層的厚度。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該金屬薄膜係選自於由鈦(Ti)、鎳釩合金(Ni-V)、鎳鈦合金(Ni-Ti)及鎳鎘合金(Ni-Cd)所構成之群組。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該前電極層係為一透明導電氧化物(TCO)。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該光吸收層係為一非晶矽(a-Si)。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該背電極層之透明導電層係為鎵鋅氧化物(GZO)。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該背電極層之第一金屬層係為銀(Ag)。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該背電極層之中介層係為透明導電氧化物(TCO)或金屬。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該背電極層之第二金屬層係選自於由鋁(Al)、銅(Cu)及金(Au)所構成之群組。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該透明導電層具有厚度800A。
依據申請專利範圍第1項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池，其中該第一金屬層具有厚度300埃(Å)到2100埃(Å)之間。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該中介層具有厚度100A。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該二金屬層具有厚度300A到2100A之間。
依據申請專利範圍第14項之具有特殊背電極結構之薄膜太陽能電池之製作方法，其中該金屬薄膜具有厚度150A。