用于薄膜太陽能電池的緩沖層厚度的快速分析的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于測量太陽能電池中的膜厚度的方法和裝置，用于將發出多種輻射波長的光引導至太陽能電池的表面。每一種輻射都導致響應于光的電流的生成。通過電流計來指示感光電流，該裝置具有與太陽能電池的表面連接的一個接觸件和與另一表面連接的另一個接觸件。確定與不同光輻射中的每一種相關聯的電流，并且基于兩個電流或者相關的量子效率和相關的吸收系數來計算太陽能電池中的膜的厚度。在一個實施例中，膜厚度是薄膜太陽能電池中的CdS或者其他緩沖膜的厚度。本發明還提供了用于薄膜太陽能電池的緩沖層厚度的快速分析。
【專利說明】用于薄膜太陽能電池的緩沖層厚度的快速分析
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能電池和用于監測太陽能電池的膜厚度的方法和系統。
【背景技術】
[0002]優選地，利用諸如CdS的緩沖層以在薄膜太陽能電池中制造可再生和高效的異質結。CdS緩沖層還應用在其他類型的太陽能電池中。太陽能電池是用于通過太陽光直接生成電流的光伏組件。由于對清潔能源的需求增長，近年來太陽能電池的制造已經急劇擴大。目前存在各種太陽能收集模塊。一種這樣的模塊包括接收太陽能并且將太陽能直接轉換為電能的光伏電池板。另一種這樣的模塊包括利用太陽能提供熱量的太陽能熱收集板。太陽能收集模塊可以具有不同的幾何尺寸并且可以由不同的材料形成，但是通常由很大的扁平太陽能電池板構成并且包括吸收層。
[0003]優選地，在太陽能電池中采用CdS層作為緩沖層。CIGS型太陽能電池利用設置在ZnO窗口層和CIGS (Cu (In，Ga) Se2)吸收層之間的CdS緩沖層。由于CdS (nr ^ 2.4)的折射率處于ZnO (η,~1.9)的折射率和CIGS (η,~2.9)的折射率之間，所以將CdS層集成到ZnO/CIGS系統中增強了太陽能電池的光譜吸收。因此，將ZnO和CIGSOir~2.9)的折射率之間的大差距(step)劃分為兩個較小的差距，從而導致太陽能電池的整體上降低的反射率。由于CdS層所起的作用，所以形成具有期望的質量和厚度的CdS層很重要。作為推論，分析和精確測量或者監測CdS緩沖層的厚度也很重要。這同樣適用于其他的薄膜太陽能電池實施例中的其他緩沖層。
[0004]目前用于監測太陽能電池中的諸如CdS的緩沖層的厚度的方法包括用SEM(掃描式電子顯微鏡)和TEM(透射電子顯微鏡)計算厚度。這些技術中的每一種都具有破壞性、成本昂貴并且耗費時間。測量EQE(外量子效率)的許多其他的系統也成本昂貴并且涉及耗時的工藝和專用的設備。
[0005]期望提供用于以非破壞性的方式計算CdS和其他薄膜的厚度的精確的方法和系統。
【發明內容】
[0006]為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發明的一方面，提供了一種用于測量太陽能電池膜的厚度的方法，所述方法包括:提供包括緩沖層的太陽能電池，所述緩沖層具有依賴波長的吸收系數；生成具有多種輻射波長的光；將所述太陽能電池暴露于至少兩種波長的光；響應于暴露于每一種波長的光，測量所述太陽能電池中所生成的光伏電流；基于測量的光伏電流來數學地計算所述緩沖層的厚度；以及將所測量的厚度的輸出信號傳輸至其他器件。
[0007]在該方法中，所述緩沖層包括CdS。
[0008]在該方法中，數學計算包括使用所述測量的光伏電流的比值以及將所述比值除以與所述至少兩種波長的光的每一種相關聯的吸收系數的差值來獲得所述厚度。[0009]在該方法中，所述其他器件包括顯示計算的厚度并且與緩沖層沉積系統通信的控制器。
[0010]在該方法中，生成所述光包括使用多個光源，每一個光源都具有相關的輻射波長，并且將太陽能電池結構暴露于所述至少兩種波長的光包括將所述太陽能電池結構暴露于所述多個光源中的至少兩個光源。
[0011]在該方法中，將所述太陽能電池結構暴露于所述至少兩種波長的光包括將所述太陽能電池結構順序暴露于所述多個光源中的至少兩個光源。
[0012]在該方法中，生成所述光包括使用能夠發出多種輻射波長的光的一個光源，并且暴露包括將信號引導至所述一個光源以順序發出具有所述至少兩種波長的光中的每一種的光。
[0013]在該方法中，所述信號的第一信號使所述一個光源發出包括第一波長的光的第一波長范圍的光，并且所述信號的第二信號使所述一個光源發出包括第二波長的光的第二波長范圍的光，并且所述方法進一步包括通過時間和頻率中的一個來對所述第一信號和所述第二信號進行去耦。
[0014]在該方法中，提供太陽能電池結構包括設置在上導電層和相鄰吸收層之間的所述緩沖層，并且所述緩沖層包括 CulnSe2 (CIS)、CuGaSe2 (CGS)、Cu (In，Ga) Se2 (CIGS)、Cu (In，Ga) (Se, S) 2 (CIGSS)和 CdTe 中的一種。
[0015]在該方法中，測量所述光伏電流包括提供電流計，將所述電流計的一個電極設置為與所述太陽能電池的頂面接觸以及將所述電流計的另一電極設置為與所述太陽能電池的底層接觸，以及其中，所述至少兩種波長的光的第一波長在約250nm至500nm的范圍內且所述至少兩種波長的光的第二波長在約350nm至600nm的范圍內。
[0016]根據本發明的另一方面，提供了一種用于測量太陽能電池模塊上的多個位置的厚度的方法，所述方法包括:提供包括多個太陽能電池的所述太陽能電池模塊，每一個太陽能電池都包括緩沖層；對于每一個所述太陽能電池，通過以下步驟來確定所述緩沖層的厚度:提供多個光源并將所述太陽能電池暴露于來自所述多個光源的第一光源的第一輻射波長的光和暴露于來自所述多個光源的第二光源的第二福射波長的光；響應于暴露于所述第一輻射波長的光和響應于暴露于所述第二輻射波長的光，測量所述太陽能電池中所生成的光伏電流；以及基于測量的所述光伏電流和與每一波長的光相關聯的吸收系數來數學計算所述緩沖層的厚度。
[0017]在該方法中，所述緩沖層包括CdS，提供所述多個光源包括提供位于不透明殼體內的兩個光源，并且測量所述光伏電流包括使用限定所述殼體的開口并且與所述太陽能電池接觸的環形的第一接觸件，并且所述方法進一步包括基于相應的CdS層的厚度來映射所述太陽能電池模塊的厚度。
[0018]根據本發明的又一方面，提供了一種用于測量太陽能電池膜的厚度的裝置，包括:至少一個光源，能夠將光引導至包括緩沖層的太陽能電池的表面，所述至少一個光源能夠發出具有多種輻射波長的光；第一接觸件，與所述表面接觸；第二接觸件，與所述太陽能電池的層的導電表面接觸，所述導電表面設置在所述表面下方；電流計，連接在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間并且能夠讀取通過第一輻射波長的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第一電流和通過第二輻射波長的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第二電流；以及處理器，能夠基于所述第一電流和所述第二電流以及與所述第一輻射波長和所述第二輻射波長的每一個相對應的吸收系數來計算所述緩沖層的厚度。
[0019]在該裝置中，所述至少一個光源包括兩個光源，所述兩個光源包括發出所述第一福射波長的光的第一 LED或者激光器的第一光源和發出所述第二福射波長的光的第二 LED或者激光器的第二光源。
[0020]該裝置進一步包括:其中包含所述至少一個光源的殼體，所述殼體是不透明的并且包括通過所述第一接觸件限定的開口。
[0021]在該裝置中，所述殼體沿至少一個維度通常是對稱的，并且所述第一接觸件通常是環形的。
[0022]在該裝置中，所述殼體由選自由導電橡膠、金屬、銅納米管和其他導電材料所組成的組的材料形成。
[0023]在該裝置中，所述至少一個光源包括能夠發出具有所述多種輻射波長的光的一個LED和與所述LED連接的電源。
[0024]在該裝置中，所述電源將至少兩個信號引導至所述一個LED或者激光器，所述至少兩個信號包括指示所述一個LED或者所述激光器發出所述第一輻射波長的光的第一信號和指示所述一個LED或者所述激光器發出所述第二輻射波長的光的第二信號；以及所述裝置進一步包括對所述第一信號和所述第二信號進行去耦的處理器。
[0025]在該裝置中，所述一個LED或者所述激光器基本上同時發出所述第一輻射波長的光和所述第二輻射波長的光，所述電源使用轉換器和濾波器中的至少一種來引導所述至少兩個信號，并且所述第一信號和所述第二信號具有不同的頻率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明。應該強調的是，根據通常實踐，各種部件沒有按比例繪制。相反，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。在整個說明書和附圖中相同的參考標號指定相同的部件。
[0027]圖1示出用于測量膜厚度的系統的一個實施例；
[0028]圖2示出用于測量膜厚度的系統的另一個實施例；
[0029]圖3示出用于測量膜厚度的系統的又一個實施例；
[0030]圖4示出根據本發明的膜厚度監測系統的另一個實施例；以及
[0031]圖5是示出根據本發明用于測量太陽能模塊的多個區域上的膜厚度的系統的一個實施例的俯視圖。
【具體實施方式】
[0032]太陽能電池還可選地被稱為光伏電池或者光電池，該太陽能電池是通過光伏效應將光能直接轉換為電能的固態電氣元件。
[0033]在基板上設置許多太陽能電池，該基板還可以被稱為太陽能電池基板、太陽能電池板或者太陽能電池模塊。太陽能電池基板用于采集來自太陽光的能量。由太陽能電池所生成的電能被稱為太陽能，其是太陽能源的一個實例。太陽光中的光子照射太陽能電池并且被諸如硅、CIGS(Cu ((In，Ga，)Se2))或者其他吸收材料的半導體材料吸收。光子不規則地撞擊來自原子的帶負電荷的電子，從而導致電勢差。電流開始流經太陽能電池材料以消除電勢差進而獲得電力。利用由太陽能電池基板上的大量太陽能電池所產生的電力并且將該電力連接至電纜。
[0034]通常獨立的太陽能電池是形成在玻璃或者其他合適的材料上的半導體器件。每一個太陽能電池都包括至少一個吸收層。在一些實施例中，通常在太陽能電池的吸收層上方施加抗反射涂層。抗反射涂層增加了耦合到單獨的太陽能電池中并且被吸收層吸收的光的數量。CIGS型太陽能電池利用設置在ZnO窗口層和CIGS(Cu((In，Ga，)Se2))吸收層之間的CdS緩沖層。優選地，CdS緩沖層在(CIGS)太陽能電池中產生可再生和高效的ZnO/CdS/Cu(In7Ga7)Se2的pn結并且通過減少反射來提高太陽能電池的效率。CdS緩沖層還應用在其他類型的太陽能電池中。
[0035]本發明提供了用于確定太陽能電池中緩沖層的厚度的方法。用于確定緩沖層的厚度的非破壞性的方法包括用多個輻射波長的光照射太陽能電池，測量響應于每一種輻射而生成的電流并且使用各種方法計算厚度。在一個實施例中，確定兩種不同波長下電流比值并且該電流比值除以用于兩種波長的吸收系數的差值以測量膜厚度。在一些實施例中，獲得在各種波長下用于緩沖層的吸收系數α，并且在其他實施例中，通過實驗方法獲得吸收系數。在一個實施例中，緩沖層是CdS緩沖層。在其他實施例中，確定具有依賴于波長的吸收系數的其他緩沖層(諸如ZnS和ZnMgO或者其他合適的緩沖層材料)的厚度。
[0036]在一個實施例中，緩沖層的厚度通過以下公式得到:
【權利要求】
1.一種用于測量太陽能電池膜的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括緩沖層的太陽能電池，所述緩沖層具有依賴波長的吸收系數； 生成具有多種福射波長的光； 將所述太陽能電池暴露于至少兩種波長的光； 響應于暴露于每一種波長的光，測量所述太陽能電池中所生成的光伏電流； 基于測量的光伏電流來數學地計算所述緩沖層的厚度；以及 將所測量的厚度的輸出信號傳輸至其他器件。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述緩沖層包括CdS。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，數學計算包括使用所述測量的光伏電流的比值以及將所述比值除以與所述至少兩種波長的光的每一種相關聯的吸收系數的差值來獲得所述厚度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述其他器件包括顯示計算的厚度并且與緩沖層沉積系統通信的控制器。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用多個光源，每一個光源都具有相關的輻射波長，并且將太陽能電池結構暴露于所述至少兩種波長的光包括將所述太陽能電池結構暴露于所述多個光源中的至少兩個光源。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，將所述太陽能電池結構暴露于所述至少兩種波長的光包括將所述太陽能電池結構順序暴露于`所述多個光源中的至少兩個光源。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用能夠發出多種輻射波長的光的一個光源，并且暴露包括將信號引導至所述一個光源以順序發出具有所述至少兩種波長的光中的每一種的光。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述信號的第一信號使所述一個光源發出包括第一波長的光的第一波長范圍的光，并且所述信號的第二信號使所述一個光源發出包括第二波長的光的第二波長范圍的光，并且所述方法進一步包括通過時間和頻率中的一個來對所述第一信號和所述第二信號進行去耦。
9.一種用于測量太陽能電池模塊上的多個位置的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括多個太陽能電池的所述太陽能電池模塊，每一個太陽能電池都包括緩沖層； 對于每一個所述太陽能電池，通過以下步驟來確定所述緩沖層的厚度: 提供多個光源并將所述太陽能電池暴露于來自所述多個光源的第一光源的第一輻射波長的光和暴露于來自所述多個光源的第二光源的第二福射波長的光； 響應于暴露于所述第一輻射波長的光和響應于暴露于所述第二輻射波長的光，測量所述太陽能電池中所生成的光伏電流；以及 基于測量的所述光伏電流和與每一波長的光相關聯的吸收系數來數學計算所述緩沖層的厚度。
10.一種用于測量太陽能電池膜的厚度的裝置，包括: 至少一個光源，能夠將光引導至包括緩沖層的太陽能電池的表面，所述至少一個光源能夠發出具有多種輻射波長的光； 第一接觸件，與所述表面接觸； 第二接觸件，與所述太陽能電池的層的導電表面接觸，所述導電表面設置在所述表面下方； 電流計，連接在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間并且能夠讀取通過第一輻射波長的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第一電流和通過第二輻射波長的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第二電流；以及 處理器，能夠基于所述第一電流和所述第二電流以及與所述第一輻射波長和所述第二輻射波長的每一個相對應 的吸收系數來計算所述緩沖層的厚度。
【文檔編號】G01B7/06GK103868444SQ201310055791
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年2月21日 優先權日:2012年12月7日
【發明者】蔡明典, 程子桓 申請人:臺積太陽能股份有限公司