TWI452634B - 銅銦鎵硒薄膜的製造方法 - Google Patents

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Description

銅銦鎵硒薄膜的製造方法
本發明是有關於一種薄膜，且特別是有關於一種銅銦鎵硒薄膜。
薄膜太陽能電池依材料技術可分為許多種類，如非晶矽(a-Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池等。其中，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池因具有高轉換效率的優點，已成為各國廠商的新寵兒。
銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池中的光吸收層為銅銦鎵硒薄膜。一般而言，製作銅銦鎵硒(CIGS)薄膜的方法有共蒸鍍(Co-evaporation)法以及二階段硒化(sequential method)法。在共蒸鍍法中，是以高溫同時蒸鍍銅、銦、鎵以及硒等元素於鍍鉬(Mo)基板上，而形成銅銦鎵硒薄膜。在二階段硒化法中，是先在鍍鉬基板上濺鍍鎵化銅(CuGa)以及銦(In)等金屬前驅疊層，再藉由爐管或快速熱製程(Rapid Thermal Process，RTP)進行高溫硒化製程以於鍍鉬基板上形成銅銦鎵硒薄膜。
然而，以共蒸鍍法形成之銅銦鎵硒薄膜雖其品質較佳，但其製程費時。以二階段硒化法形成之銅銦鎵硒薄膜，其製程時間較短，但其所形成之銅銦鎵硒薄膜中易有缺陷(defect)，導致電子電洞復合(recombination)機率提高，而降低其光電轉換效率。承上述，如何在較短之製程時間內製作出一高品質的銅銦鎵硒薄膜，實為目前研發者亟欲達成之目標之一。
本發明提供一種銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其藉由一結晶誘發層使銅銦鎵硒薄膜可以較短之製程時間製作完成，並且具有良好的品質(晶向排列)。
本發明提供一種銅銦鎵硒薄膜的製造方法，包括於基板上形成結晶誘發層，於結晶誘發層上形成第一前驅金屬層。第一前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵。然後，透過升溫製程使結晶誘發層與第一前驅金屬層硒化為一銅銦鎵硒薄膜。
本發明提供一種銅銦鎵硒薄膜的製造方法，包括於基板上形成第一結晶誘發層，於第一結晶誘發層上形成第一前驅金屬層。第一前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵。接著，於第一前驅金屬層上形成第二結晶誘發層。然後，於第二結晶誘發層上形成一第二前驅金屬層。第二前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵。最後，透過升溫製程使第一結晶誘發層、第一前驅金屬層、第二結晶誘發層與第二前驅金屬層硒化為銅銦鎵硒薄膜。
基於上述，本發明之銅銦鎵硒薄膜的製造方法主要是藉由形成一結晶誘發層以使特定厚度之銅銦鎵硒薄膜能夠在較短時間下製作完成，且此銅銦鎵硒薄膜具有良好的結晶品質(即晶向排列)。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
 【第一實施例】
圖1為本發明第一實施例之銅銦鎵硒薄膜製作流程剖面示意圖。請參照圖1，首先，於基板110上形成結晶誘發層120。接著，於結晶誘發層120上形成第一前驅金屬層130。然後，透過升溫製程使結晶誘發層120與第一前驅金屬層130硒化(selenization)為銅銦鎵硒薄膜200。
在本實施例中，基板110可為表面上已經形成有導電層114之基板。本實施例之基板110包括一基底112，其可為一玻璃或是其他材質之硬質基板，然本發明不限於此。在其他實施例中，基底112亦可為具有可撓性之軟性基板例如塑膠基板或金屬基板(不銹鋼基板、銅基板、鋁合金基板)等。本實施例之導電層114例如為一鉬(Mo)金屬層，可與其上之銅銦鎵硒薄膜200形成良好的歐姆接觸(ohmic contact)，並可做為一背電極使用。
本實施例之結晶誘發層120例如為一銅銦鎵硒結晶誘發層，其具有良好晶向排列以使後續形成之第一前驅金屬層130具有較佳之晶向排列。然，本發明不限定結晶誘發層120之材質必須為銅銦鎵硒，在其他可行的實施中，結晶誘發層120亦可為一包含有銦與硒之化合物。舉例而言，可以使用In2 Se3 結晶誘發層或其他適當種類的結晶誘發層。為了以較短之製程時間形成結晶誘發層120，本實施例之結晶誘發層120厚度t小於銅銦鎵硒薄膜200厚度T，舉例而言，結晶誘發層120厚度t可大於或等於T/4並且小於或等於T/3。本實施例中，T的範圍為0.7um≦T≦2.7um。但不以此限制本發明。
圖2為本實施例之結晶誘發層製作流程剖面示意圖。請參照圖2，本實施例之結晶誘發層120例如為一銅銦鎵硒結晶誘發層，其例如是透過下述方法所形成。首先，於基板110上形成第二前驅金屬層126。接著，利用一慢速升溫硒化製程(selenization)使第二前驅金屬層126硒化為結晶誘發層120。在本實施例中，第二前驅金屬層126之材質包括銅、銦以及鎵，舉例而言，第二前驅金屬層126可為一銅鎵合金層122與銦金屬層124之疊層，其中銦金屬層124位於銅鎵合金層122上。然，本發明不限於此，在其他可行的實施中，第二前驅金屬層126亦可為其他型態之單層或疊層。
需特別說明的是，在上述之慢速升溫硒化製程(selenization)中，升溫速率例如為每秒30 C以下，較佳的是每秒10 C至20 C，其升溫速率遠小於傳統快速升溫硒化製程中的升溫速率每秒100 C。因此，透過此慢速升溫硒化製程(selenization)可形成一緻密(dense)且具良好晶向排列的銅銦鎵硒薄膜，以做為結晶誘發層120使用。然，本發明不限於此，在其他可行的實施中，結晶誘發層120亦可透過共蒸鍍(Co-evaporation)製程或濺鍍(Sputtering)製程製作，同樣可以獲得緻密(dense)且具良好晶向排列的薄膜。
圖3A為本實施例之第一前驅金屬層剖面示意圖。請參照圖3A，本實施例之第一前驅金屬層130，其材質包括銅、銦以及鎵，而形成第一前驅金屬層130方法例如是先於結晶誘發層120上形成銅鎵合金層132，再於銅鎵合金層132上形成銦金屬層134。然，本發明並不限於此，在其他可行的實施中，吾人可先於結晶誘發層120上形成銦金屬層134，再於銦金屬134層上形成銅鎵合金層132，如圖3B所示；或者，先於結晶誘發層120上形成一疊層，此疊層由多層銅鎵合金層132以及多層銦金屬層134交替堆疊而成，其中銅鎵合金層132之層數無須與銦金屬層134之層數相同，如圖3C所示；或者，於結晶誘發層120上形成一銅銦鎵合金層136，如圖3D所示。
本實施例之銅銦鎵硒薄膜200可做為銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中的光吸收層使用。當本實施例之銅銦鎵硒薄膜200被應用於銅銦鎵硒薄膜太陽能電池以當作光吸收層時，其可透過下述製程進行製作。首先，於基板110上形成本實施例之銅銦鎵硒薄膜200後，可透過化學槽水浴法(chemical bath deposition，CBD)於銅銦鎵硒薄膜200上形成緩衝層，緩衝層之材質例如為硫化鎘(CdS)。之後，再於緩衝層上濺鍍一高阻值透明窗層，高阻值透明窗層之材質例如為本徵型氧化鋅(intrinsic-ZnO)。接著，於高阻值透明窗層上濺鍍上一低阻值透明導電層，低阻值透明導電層之材質例如為摻雜鋁之氧化鋅(AZO)以做為透明導電窗口(window layer)。最後，於低阻值透明導電層上可依設計者需求，選擇性鍍上一導線(如鋁導線)，即完成一銅銦鎵硒薄膜太陽能電池。在其他實施例中，也可以不鍍上導線，本發明並不加以限制。由於本實施例之銅銦鎵硒薄膜200在製作上所需之時間較短，且銅銦鎵硒薄膜200具有良好的光電轉換效率，故十分適於應用在薄膜太陽能電池之量產上。
【第二實施例】
圖4為本發明第二實施例之銅銦鎵硒薄膜製作流程剖面示意圖。請參照圖4，首先，於基板310上形成第一結晶誘發層320。接著，於第一結晶誘發層320上形成第一前驅金屬層330。然後，於第一前驅金屬層330上形成第二結晶誘發層340。再來，於第二結晶誘發層340上形成第二前驅金屬層350。最後，透過升溫製程使第一結晶誘發層320、第一前驅金屬層330、第二結晶誘發層340與第二前驅金屬層350硒化(selenization)為一銅銦鎵硒薄膜400。
在本實施例中，基板310可為表面上已經形成有導電層314之基板。本實施例之基板310與導電層314之材質同第一實施例中所述，於此便不再贅述。
在本實施例中，第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340例如為一銅銦鎵硒結晶誘發層，其具有良好晶向排列以分別使後續形成之第一前驅金屬層330以及第二前驅金屬層350具有較佳之晶向排列。然，本發明不限定第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340之材質必須為銅銦鎵硒，在其他可行的實施中，第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340亦可為一包含有銦與硒之化合物。舉例而言，可以使用In2 Se3 結晶誘發層或其他適當種類的結晶誘發層。為了以較短之製程時間形成第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340，本實施例之第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340，其厚度d1 以及厚度d2 皆小於銅銦鎵硒薄膜400厚度D，舉例而言，第一結晶誘發層320以及第二結晶誘發層340之厚度d1 、d2 可大於或等於D/4並且小於或等於D/3。
圖5為本實施例之第一結晶誘發層製作流程剖面示意圖。請參照圖5，本實施例之第一結晶誘發層320例如為一銅銦鎵硒結晶誘發層，其例如是透過下述方法所形成。首先，於基板310上形成第三前驅金屬層326。接著，利用一慢速升溫硒化製程(selenization)使第三前驅金屬層326硒化為結晶誘發層320。在本實施例中，第三前驅金屬層326之材質包括銅、銦以及鎵，舉例而言，第三前驅金屬層326可為一銅鎵合金層322與銦金屬層324之疊層，其中銦金屬層324位於銅鎵合金層322上。然，本發明不限於此，在其他可行的實施中，第三前驅金屬層326亦可為其他型態之單層或疊層。結晶誘發層320亦可透過共蒸鍍(Co-evaporation)製程或濺鍍(Sputtering)製程製作，同樣可以獲得緻密(dense)且具良好晶向排列的薄膜。
圖6為本實施例之第二結晶誘發層製作流程剖面示意圖。請參照圖6，本實施例之第二結晶誘發層340例如為一銅銦鎵硒結晶誘發層，其可透過共蒸鍍(Co-evaporation)製程或濺鍍(Sputtering)製程在第一前驅金屬層330上形成之。以共蒸鍍(Co-evaporation)製程或濺鍍(Sputtering)製程形成之第二結晶誘發層340亦具有緻密(dense)及良好的晶向排列。本實施例之第一前驅金屬層330以及第二前驅金屬層350其可行之結構與形成方式同第一實施例之第一前驅金屬層130，於此亦不再贅述。
本實施例之銅銦鎵硒薄膜400亦可做為銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中的光吸收層使用。另外，由於本實施例之銅銦鎵硒薄膜400在製作上所需之時間較短，且銅銦鎵硒薄膜400具有良好的光電轉換效率，故亦十分適於應用在薄膜太陽能電池之量產上。
綜上所述，本發明在形成前驅金屬層之前先形成一較薄且具有良好晶相之結晶誘發層，以使得前驅金屬層與結晶誘發層可透過製程時間較短的升溫製程形成一高品質之銅銦鎵硒薄膜。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，當可作些許之更動與潤飾，故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。
110、310．．．基板
112、312．．．基底
114、314．．．導電層
120．．．結晶誘發層
122、132、322．．．銅鎵合金層
124、134、324．．．銦金屬層
126、350．．．第二前驅金屬層
130、330．．．第一前驅金屬層
136．．．銅銦鎵合金層
200、400．．．銅銦鎵硒薄膜
320．．．第一結晶誘發層
326．．．第三前驅金屬層
340．．．第二結晶誘發層
t、T、d、D．．．厚度
圖1為本發明第一實施例之銅銦鎵硒薄膜製作流程剖面示意圖。
圖2為本發明第一實施例之結晶誘發層製作流程剖面示意圖。
圖3A、圖3B、圖3C以及圖3D為本發明一實施例之前驅金屬層剖面示意圖。
圖4為本發明第二實施例之銅銦鎵硒薄膜製作流程剖面示意圖。
圖5為本發明第二實施例之第一結晶誘發層製作流程剖面示意圖。
圖6為本發明第二實施例之第二結晶誘發層製作流程剖面示意圖。
110．．．基板
112．．．基底
114．．．導電層
120．．．結晶誘發層
130．．．第一前驅金屬層
200．．．銅銦鎵硒薄膜
t、T．．．厚度

Claims (19)

  1. 一種銅銦鎵硒薄膜的製造方法，包括：於一基板上形成一第一結晶誘發層；於該第一結晶誘發層上形成一第一前驅金屬層，該第一前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵；於該第一前驅金屬層上形成一第二結晶誘發層；於該第二結晶誘發層上形成一第二前驅金屬層，該第二前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵；以及透過升溫製程使第一結晶誘發層、第一前驅金屬層、第二結晶誘發層與該第二前驅金屬層硒化為一銅銦鎵硒薄膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第一結晶誘發層係透過共蒸鍍製程或濺鍍製程製作。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第一結晶誘發層為一銅銦鎵硒結晶誘發層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第一結晶誘發層為一第一銅銦鎵硒結晶誘發層，而形成該第一結晶誘發層的方法包括：於該基板上形成一第三前驅金屬層，該第三前驅金屬層之材質包括銅、銦以及鎵；以及透過慢速升溫硒化製程(selenization)使該第三前驅金屬層硒化為該第一結晶誘發層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該銅銦鎵硒薄膜之厚度為T，且0.7um≦T≦ 2.7um。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第一結晶誘發層的厚度為t，而該銅銦鎵硒薄膜之厚度為T，且T/4tT/3。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第二結晶誘發層係透過共蒸鍍製程或濺鍍製程製作。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第二結晶誘發層為一銅銦鎵硒結晶誘發層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第二結晶誘發層的厚度為t，而該銅銦鎵硒薄膜之厚度為T，且T/4tT/3。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第一前驅金屬層的方法包括：於該第一結晶誘發層上形成一銅鎵合金層；以及於該銅鎵合金層上形成一銦金屬層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第一前驅金屬層的方法包括：於該第一結晶誘發層上形成一銦金屬層；以及於該銦金屬層上形成一銅鎵合金層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第一前驅金屬層的方法包括於該第一結晶誘發層上形成一疊層，該疊層由多層銅鎵合金層以及多層銦金屬層交替堆疊而成。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的 造方法，其中形成該第一前驅金屬層的方法包括於該第一結晶誘發層上形成一銅銦鎵合金層。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第二前驅金屬層的方法包括：於該第二結晶誘發層上形成一銅鎵合金層；以及於該銅鎵合金層上形成一銦金屬層。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第二前驅金屬層的方法包括：於該第二結晶誘發層上形成一銦金屬層；以及於該銦金屬層上形成一銅鎵合金層。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第二前驅金屬層的方法包括於該第二結晶誘發層上形成一疊層，該疊層由多層銅鎵合金層以及多層銦金屬層交替堆疊而成。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中形成該第二前驅金屬層的方法包括於該第二結晶誘發層上形成一銅銦鎵合金層。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第一結晶誘發層之材質包括銦以及硒。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之銅銦鎵硒薄膜的製造方法，其中該第二結晶誘發層之材質包括銦以及硒。
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