TWI531078B

TWI531078B - 太陽電池的製造方法

Info

Publication number: TWI531078B
Application number: TW099146612A
Authority: TW
Inventors: 黃明政; 黃明義; 林漢塗
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2016-04-21
Also published as: TW201228007A; CN102254999A

Description

太陽電池的製造方法

本發明是有關於一種太陽電池的製作方法，且特別是有關於一種銅銦鎵硒(CIGS)型太陽電池的製作方法。

太陽能是一種乾淨無污染而且取之不盡用之不竭的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。在眾多太陽光電技術中，相較於矽晶太陽電池，銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Diselenide，CIGS)型太陽電池只需極小部份的矽原料，而轉換效率可以達到20%，且在生產過程中消耗的能源為傳統矽基太陽電池的一半，因此銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Diselenide，CIGS)型太陽電池具備高光電轉換效率以及低成本等優勢，而受到市場重視。

在習知銅銦鎵硒型太陽電池中，形成銅銦鎵硒的真空製程技術包括共蒸鍍(Co-evaporation)、硒化(Selenization)、濺鍍(Sputtering)等。圖1繪示習知一種銅銦鎵硒型太陽電池中銅銦鎵硒層與緩衝層的結構示意圖。請參照圖1，銅銦鎵硒型太陽電池100中的銅銦鎵硒層110例如是以硒化之真空製程製作而成，如圖1所示，結晶化的銅銦鎵硒層110表面粗糙，致使製作於其上的緩衝層120無法順利成膜。

為了避免前述緩衝層無法在銅銦鎵硒層110表面順利成膜，緩衝層120必須使用化學浴沉積法(Chemical Bath Deposition)加以製作。然而，化學浴沉積法屬於濕式製程，不利於量產。此外，由於習知銅銦鎵硒層110的表面的能隙較低，導致習知銅銦鎵硒型太陽電池100之開路電壓(Voc)低下。

有鑑於此，本發明提供一種太陽電池的製造方法，其有利於生產元件特性較佳的光吸收層。

本發明提出一種太陽電池的製造方法，其包括下列步驟。首先，提供一基板，並於基板上形成一基底電極。接著，於基底電極上形成一銅銦鎵硒結晶層。之後，對銅銦鎵硒結晶層的表面進行一化學機械研磨製程，以平坦化銅銦鎵硒結晶層的表面。繼之，於已平坦化的銅銦鎵硒結晶層表面上形成一緩衝層。接著。於緩衝層上形成一透明導電層。

在本發明之一實施例中，前述之銅銦鎵硒結晶層經化學機械研磨製程後的厚度偏差小於0.1微米。。

在本發明之一實施例中，前述之銅銦鎵硒結晶層經化學機械研磨製程後的表面能隙大於等於1.3eV。

在本發明之一實施例中，前述之銅銦鎵硒結晶層經化學機械研磨製程後的能隙實質上介於1.3eV至1.68eV之間。

在本發明之一實施例中，前述之銅銦鎵硒結晶層經化學機械研磨製程後的膜厚介於1.5微米至2.5微米之間。

在本發明之一實施例中，前述之形成緩衝層的方法為乾沈積(dry deposition)。舉例而言，形成緩衝層的乾沈積方法包括化學氣相沈積或物理氣相沈積。

在本發明之一實施例中，前述之銅銦鎵硒結晶層為P型半導體，且緩衝層為N型半導體。

在本發明之一實施例中，前述之緩衝層的材料包括硫化鎘(CdS)，基底電極的材料包括鉬、鈦、鎢或鋁。

在本發明之一實施例中，前述之透明導電層的材料包括氧化鋅(ZnO)、鋁氧化鋅(AZO)或銦錫氧化物(ITO)等透明氧化層。

基於上述，由於本發明之太陽電池的製造方法在形成銅銦鎵硒結晶層後，對銅銦鎵硒結晶層的表面進行一化學機械研磨製程，因此銅銦鎵硒結晶層的表面可以被平坦化，藉此，可讓形成於銅銦鎵硒結晶層表面上的緩衝層順利地成膜，有助於量產。此外，銅銦鎵硒結晶層在經化學機械研磨製程後，其表面具有較高的能隙，因此太陽電池具有較高的開路電壓，因而表現出較佳的元件特性。

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。

圖2A至圖2F為本發明一實施例中一種太陽電池的製造方法的流程示意圖。

請參照圖2A，先提供一基板210，並於基板210上形成一基底電極220。在本實施例中，基板210譬如為玻璃、金屬基板(如不繡鋼板)、高分子膜(如塑膠)或其他適合的材料，本發明並不加以限定，而基底電極220的材料包括鉬、鈦、鎢或鋁等金屬導體，用以作為太陽電池的背電極以利於電洞傳導。

接著，請參照圖2B，於基底電極220上形成一銅銦鎵硒結晶層230，以作為光吸收層。形成銅銦鎵硒結晶層230的方式可以是如共蒸鍍(Co-evaporation)、硒化(Selenization)或濺鍍(Sputtering)等真空鍍膜技術，也可以是如塗佈製程(Coating Process)、化學噴灑熱解法(Chemical spray Pyrolysis)、電沉積(Electrodeposition)等非真空製程技術。本實施例之銅銦鎵硒結晶層230的成膜厚度例如實質上為3微米至3.5微米。此外，如圖2B之放大圖所示，於基底電極220上所形成之銅銦鎵硒結晶層230具有晶粒連結而成的表面，其表面粗糙度較高，具體而言，本實施例之銅銦鎵硒結晶層230表面的算術平均粗糙度Ra約為0.3微米至0.4微米。

特別的是，請參照圖2C與圖2D，在形成緩衝層240之前，先對銅銦鎵硒結晶層230的表面進行一化學機械研磨製程，以平坦化銅銦鎵硒結晶層230的表面。詳細來說，本實施例之化學機械研磨製程是藉由供應具有CeO₂、SiO₂或其他合適的材料之研磨液於研磨墊250與銅銦鎵硒結晶層230間，並對銅銦鎵硒結晶層230施加一壓力以將其壓置於研磨墊250上，讓銅銦鎵硒結晶層230及研磨墊250之間彼此進行相對運動。藉由相對運動所產生的機械摩擦及研磨液的化學作用下，移除銅銦鎵硒結晶層230中粗糙度較大的表層，使其表面逐漸平坦，達成平坦化的目的，銅銦鎵硒結晶層230的厚度遠小於研磨墊250，圖2C僅為示意圖。如圖2D所示，本實施例之銅銦鎵硒結晶層230的表面在經化學機械研磨製程研磨之後，銅銦鎵硒結晶層230的厚度縮減為實質上1.5微米至2.5微米之間，且其算術平均粗糙度Ra實質上接近0微米。以不同的量測方法來評價銅銦鎵硒結晶層230經化學機械研磨製程後的表面平坦度時，銅銦鎵硒結晶層230經化學機械研磨製程後的膜厚均勻度小於10%，厚度偏差(thickness derivation)小於0.1微米。

請參照圖2E，於已平坦化的銅銦鎵硒結晶層230表面上形成一緩衝層240。由於銅銦鎵硒結晶層230的表面已先經化學機械研磨製程進行處理，因此當緩衝層240形成於銅銦鎵硒結晶層230的平坦化表面上時，可以順利地成膜，不會產生膜層不連續的缺陷。因此，形成緩衝層240之製程可廣用較適宜量產的鍍膜製程，可以不必受限於習知之化學浴沉積法的濕式沈積製程，換言之，本實施例之緩衝層240亦可以利用乾沈積(dry deposition)的方式進行製作，因此有助於量產，其中形成緩衝層240的乾沈積方法可列舉化學氣相沈積或物理氣相沈積等。緩衝層240的材料可以選用適當材料，舉例來說，本實施例之緩衝層240的材料包括硫化鎘(CdS)，硫化鋅(ZnS)，因此在本實施例中，銅銦鎵硒結晶層230為P型半導體，而緩衝層240為N型半導體。

請參照圖2F，於緩衝層240上形成一透明導電層260。透明導電層260具備高穿透度，以減低太陽光之吸收，並且透明導電層260可以讓太陽光穿透以入射至緩衝層240以及銅銦鎵硒結晶層230上，藉此將光能轉換為電能。透明導電層260的材質可以是透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxide,TCO)，舉例而言，透明導電氧化物包括銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)或鋁氧化鋅(AZO)等。

為了清楚說明本發明之銅銦鎵硒結晶層230在化學機械研磨製程前後的結構，圖3進一步繪示本發明之一實施例中銅銦鎵硒結晶層在掃描式電子顯微鏡下的結構圖。請參照圖3，在本實施例中，銅銦鎵硒結晶層230形成後的厚度約為3微米至3.5微米，且其表面具有相當程度的粗糙度，因此不利於在其表面上使緩衝層240形成連續膜。如圖3所示，利用化學機械研磨製程來對銅銦鎵硒結晶層230的表層進行研磨，以移除深度P的部分銅銦鎵硒結晶層230，藉此來平坦化銅銦鎵硒結晶層230的表面，如前述，其銅銦鎵硒結晶層230在化學機械研磨後其厚度偏差(thickness derivation)例如小於0.1微米、膜厚均勻度例如小於10%、算術平均粗糙度Ra例如實質上接近0微米。

圖4為圖2F之太陽電池中銅銦鎵硒結晶層之深度與能隙關係示意圖，在圖4中令銅銦鎵硒結晶層230鄰近緩衝層240之表面為零深度，越往基底電極220的方向則深度增加。請參照圖4，銅銦鎵硒結晶層230的能隙為導帶能階CB與價帶能階VB之間的差值，如圖4所示，在化學機械研磨之前，銅銦鎵硒結晶層230的表面能隙Eg1實質上約為1.04eV。當以化學機械研磨製程移除深度P之部分銅銦鎵硒結晶層230後，被暴露出來之銅銦鎵硒結晶層230的表面能隙實質上為大於或等於1.3eV。換言之，銅銦鎵硒結晶層230經化學機械研磨製程後的表面能隙Eg2實質上介於1.3eV至1.68eV之間，且銅銦鎵硒結晶層230經化學機械研磨製程後的厚度實質上為圖4中所標示的深度Q。因此，銅銦鎵硒結晶層230在經化學機械研磨製程後，其表面具有較高的能隙，因此太陽電池具有較高的開路電壓，因而表現出較佳的元件特性。

綜上所述，本發明之太陽電池的製造方法藉由化學機械研磨製程對銅銦鎵硒結晶層的表面進行一化學機械研磨製程，以讓形成於銅銦鎵硒結晶層表面上的緩衝層能夠順利成膜，有助於量產。此外，銅銦鎵硒結晶層在經化學機械研磨製程後，其表面具有較高的能隙，利用此銅銦鎵硒結晶層之太陽電池能夠具備較高的開路電壓，因而表現出較佳的元件特性。

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。

210．．．基板

220．．．基底電極

110、230．．．銅銦鎵硒結晶層

120、240．．．緩衝層

250．．．研磨墊

260．．．透明導電層

CB．．．導帶能階

Eg1、Eg2．．．能隙

VB．．．價帶能階

P、Q．．．深度

圖1繪示習知一種銅銦鎵硒型太陽電池中銅銦鎵硒層與緩衝層的結構示意圖。

圖3進一步繪示本發明之一實施例中銅銦鎵硒結晶層在掃描式電子顯微鏡下的結構圖。

圖4為圖2F之太陽電池中銅銦鎵硒結晶層之深度與能隙關係示意圖。

210．．．基板

220．．．基底電極

230．．．銅銦鎵硒結晶層

250．．．研磨墊

Claims

一種太陽電池的製造方法，包括：提供一基板，並於該基板上形成一基底電極；於該基底電極上形成一銅銦鎵硒結晶層，該銅銦鎵硒結晶層具有背向該基底電極的一第一表面，該第一表面的表面能隙為Eg1；對該銅銦鎵硒結晶層的該第一表面進行一化學機械研磨製程，以使該銅銦鎵硒結晶層的該第一表面平坦化為一第二表面，該第二表面的表面能隙為Eg2，其中(Eg2-Eg1)≧0.26電子伏特(eV)；於已平坦化的該銅銦鎵硒結晶層的該第二表面上形成一緩衝層；以及於該緩衝層上形成一透明導電層。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該銅銦鎵硒結晶層經該化學機械研磨製程後的表面能隙大於或等於1.3eV。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該銅銦鎵硒結晶層經該化學機械研磨製程後的能隙實質上介於1.3eV至1.68eV之間。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該銅銦鎵硒結晶層經該化學機械研磨製程後的膜厚介於1.5微米至2.5微米之間。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中形成該緩衝層的方法為乾沈積(dry deposition)。
如申請專利範圍第5項所述之太陽電池的製造方法，其中形成該緩衝層的乾沈積方法包括化學氣相沈積或物理氣相沈積。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該銅銦鎵硒結晶層為P型半導體，且該緩衝層為N型半導體。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該緩衝層的材料包括硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)，該基底電極的材料包括鉬、鈦、鎢或鋁。
如申請專利範圍第1項所述之太陽電池的製造方法，其中該透明導電層的材料包括氧化鋅(ZnO)、鋁氧化鋅(AZO)或銦錫氧化物(ITO)。