薄膜太陽能電池及其形成方法
【專利摘要】本發明描述了一種具有改善的性能的太陽能電池器件及其制造方法。太陽能電池包括形成在襯底上的后接觸層、形成在后接觸層上的吸收層、形成在吸收層上的緩沖層、以及在緩沖層上通過沉積透明導電氧化物（TCO）層并將沉積的TCO層進行退火形成的前接觸層。
【專利說明】薄膜太陽能電池及其形成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及薄膜光伏太陽能電池及其制造方法。更具體地，本發明涉及更高器件 性能的諸如包括透明導電氧化物膜的太陽能電池子結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 太陽能電池是通過光伏（PV)效應由太陽光直接產生電流的電氣設備。可以通過 各自的互連結構將多個太陽能電池串聯連接以形成太陽能電池模塊。可以連接多個模塊以 形成陣列。太陽能電池包括吸收太陽能并將其轉化為電流的吸收層。
[0003] 由于對清潔能源需求的增長，最近幾年間，太陽能電池器件的制造急劇地增長并 還在繼續增長。出現了各種類型的太陽能電池和太陽能電池子結構并還在不斷地被開發。 一些類型的太陽能電池器件包括形成允許光穿過并到達下面的有源層的窗的一層透明導 電氧化物（TOC)材料。T0C材料通常包括光學透明且導電的材料。但是T0C材料的透射率和 阻抗特性之間存在平衡（trade-off)，例如具有高透射率的材料也具有高電阻率（g卩，低導 電性)。由于用于改善層導電性的應用通常會降低層的光透射率，所以這種平衡限制了 T0C 層在光伏器件中的效力。
【發明內容】
[0004] 為解決上述問題，本發明提供了一種用于制造太陽能電池的方法，包括：在襯底上 形成后接觸層；在所述后接觸層上形成吸收層；在所述吸收層上形成緩沖層；在所述緩沖 層上方沉積透明導電氧化物（TC0)層；以及對所沉積的T⑶層進行退火以提供前接觸層。
[0005] 其中，所述沉積的步驟包括通過化學汽相沉積來沉積所述TC0層。
[0006] 其中，所沉積的TC0層包括摻雜的金屬氧化物。
[0007] 其中，所述退火步驟包括在約60°C至約300°C的溫度范圍內對所沉積的TC0層進 行退火。
[0008] 其中，所述退火步驟包括在約100°C至約200°C的溫度范圍內對所沉積的TC0層進 行退火。
[0009] 其中，所述退火步驟包括對所沉積的TC0層進行退火持續約1小時以下。
[0010] 其中，所述退火步驟包括對所沉積的TC0層進行退火持續約10分鐘以上。
[0011] 其中，所述退火步驟包括將所述太陽能電池放置于退火室中。
[0012] 其中，所述沉積步驟包括將所述太陽能電池放置于沉積室中。
[0013] 其中，在單個的同軸室中實施所述沉積步驟和所述退火步驟。
[0014] 此外，還提供了一種用于制造太陽能電池的方法，包括：提供子結構，所述子結構 包括：后接觸層，位于襯底上；P1線，穿過所述后接觸層；吸收層，位于所述后接觸層上且填 充所述P1線；緩沖層，位于所述吸收層上；和P2線，穿過所述緩沖層和所述吸收層；在所述 緩沖層上方沉積透明導電氧化物（TC0)層；對所沉積的TC0層進行退火；以及劃出穿過所述 tco層、所述緩沖層和所述吸收層的P3線。
[0015] 該方法進一步包括將所述子結構放置于單個的同軸室中，其中，在所述單個的同 軸室中實施沉積所述τ⑶層的步驟以及將所沉積的TC0層退火的步驟。
[0016] 該方法進一步包括：（a)在沉積所述TC0層之前將所述子結構放置于沉積室中，在 所述沉積室中沉積所述TC0層；以及（b)在所述退火步驟之前將所述子結構放置于退火室 中，在所述退火室中實施所述退火。
[0017] 其中，在所述退火步驟之前實施劃出所述P3線的步驟。
[0018] 其中，所述沉積步驟包括通過化學汽相沉積來沉積所述TC0層。
[0019] 此外，還提供給了一種太陽能電池，包括：后接觸層；吸收層，位于所述后接觸層 上；緩沖層，位于所述吸收層上；以及前接觸層，位于所述緩沖層上，所述前接觸層包括退 火的TC0層。
[0020] 其中，所述退火的TC0層包括選自由氧化鋅、氧化銦、氧化錫銦和氧化鎘組成的組 中的材料。
[0021] 其中，所述退火的TC0層包括含有摻雜物的金屬氧化物材料，所述摻雜物選自由 鋁、硼、錫和銦組成的組中。
[0022] 其中，所述退火的TC0層在約400nm至約1200nm的波長范圍內的透射率至少為 80%。
[0023] 其中，所述退火的TC0層的表面電阻率小于15單位面積歐姆值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 根據下文的具體描述結合參考附圖可以更好地理解本發明。應該強調，根據通常 的實踐，各個部件未按比例繪出。相反，為了清楚的目的，各個部件的尺寸可以任意地增大 或減小。在說明書和附圖中，相同的標號表不相同的部件。
[0025] 圖1是本文中描述的太陽能電池的實施例的截面圖。
[0026] 圖2是本文中示出且描述的制造太陽能電池的方法的流程圖。
[0027] 圖3A是在本文中示出且描述的用于制造太陽能電池的沉積和退火室的示意圖。
[0028] 圖3B是在本文中示出且描述的用于制造太陽能電池的單個的同軸室（single in-line chamber)的不意圖。
[0029] 圖4是本文中示出且描述的制造太陽能電池的方法的流程圖。
[0030] 圖5是本文中示出且描述的制造太陽能電池的方法的流程圖。
[0031] 圖6是本文中示出且描述的制造太陽能電池的方法的流程圖。
[0032] 圖7是示出與傳統器件相比本文描述的太陽能電池電阻的數據的圖表。
[0033] 圖8是示出與傳統器件相比本文描述的太陽能電池遷移率的數據的圖表。
【具體實施方式】
[0034] 在說明書中，諸如"下面的"、"上面的"、"水平的"、"垂直的，，、"在…上方"、 "在· · ·下方"、"在· · ·上面"、"在· · ·下面"、"在_ · ·頂部"和"在· . ·底部"等以及其衍生 詞（如"水平地"、"向下地"、"向上地"等）的相關術語，應該被解釋為是指下面論述的附圖 中描述的或示出的方位。這些相關術語用于方便的描述且不要求裝置以特定方位構造或操 作。除非清楚的描述，否則表示連接、稱合等的諸如"連接"和"互連，，的術語表示結構直接 或通過中介結構間接的互相固定或連接，也表示可移動或鋼性的連接或關系。
[0035]本發明提供了用于光伏太陽能電池器件的改善的子結構以及用于制造器件和子 結構的方法。特別是，本發明提供了顯著改善導電性且不降低透射率的高質量透明導電氧 化物（TOC)膜的易于控制的且穩定的形成。圖1示出了根據本發明的各種太陽能電池子結 構的總覽。其他參考附圖進一步詳細提供了方法和根據該方法形成的結構。結合參考附圖 閱讀示例性實施例的說明，參考附圖被認為是整個說明書的一部分。
[0036]根據一些實施例，圖1示出了太陽能電池100的截面圖。太陽能電池100包括襯 底110、后接觸層12〇、位于后接觸層12〇上的吸收層130、位于吸收層130上的緩沖層 14〇 以及位于緩沖層140上方的前接觸層150。太陽能電池 1〇〇也可以包括互連結構，互連結 構包括二條劃線，稱為P1、P2和P3。P1劃線延伸穿過后接觸層120,且使用吸收層材料13〇 填充劃線PI。P 2劃線延伸穿過緩沖層140和吸收層13〇,且使用前接觸層材料15〇填充P2 劃線。P3劃線延伸穿過前接觸層ISO、緩沖層140和吸收層130。
[0037] 襯底110包括諸如玻璃的任何合適的襯底材料。在一些實施例中，襯底ι10可以 包括諸如鈉鈣玻璃的玻璃襯底、柔性金屬箔或聚合物(例如，聚酰亞胺、聚乙烯、聚對苯二甲 酸乙二醇酯（PET)、聚乙烯萘（PEN))。其他實施例也包括其他襯底材料。
[0038]后接觸層120包括諸如金屬的任何合適的后接觸材料。在一些實施例中，后接觸 層120可以包括鉬（Mo)、鉑（Pt)、金（Au)、銀（Ag)、鎳（Ni)或銅（Cu)。其他實施例也包括其 他后接觸材料。
[0039] 吸收層13〇包括諸如p型半導體的任何合適的吸收材料。在一些實施例中，吸收 層 130 可以包括包含 Cu(In，Ga)Se2 (CIGS)、碲化鎘（CdTe)、CuLnSe2 (CIS)、CuGaSe2 (CGS)、 CU(In，Ga)Se2 (CIGS)、Cu(In，Ga)(Se，S)2 (CIGSS)、CdTe 或非晶硅的黃銅礦基材料。其他 實施例也包括其他吸收材料。
[0040]緩沖層140包括諸如η型半導體的任何合適的緩沖材料。在一些實施例中，緩沖 層140可以包括硫化碲（CdS)、硫化鋅（ZnS)、硒化鋅（ZnSe)、硫化銦（III) (In3S3)、硒化銦 (In2Se3)或Z niJV[gx0 (例如ZnO)。其他實施例也包括其他合適的緩沖材料。
[0041] 前接觸層15〇包括退火的TC0層。用于退火的TC0層的TC0材料可以包括諸如金 屬氧化物和金屬氧化物前體的任何合適的前接觸材料。在一些實施例中，TC0材料可以包括 氧化鋅（ZnO)、氧化碲（CdO)、氧化銦（Ιη203)、二氧化錫（Sn02)、五氧化二鉭（Ta 205)、氧化銦 鎵（Galn03)、（CdSb20 3)或氧化銦（IT0)。TC0材料也可以摻雜合適的摻雜物。在一些實施例 中，ZnO 可以摻雜鋁（A1)、鎵（Ga)、硼（B)、銦（In)、釔（Y)、鈧（Sc)、氟（F)、釩（V)、硅（Si)、 鍺（Ge)、鈦（Ti)、鋯（Zr)、鉿（Hf)、鎂(Mg)、砷（As)或氫（Η)中的任一個。在其他實施例中， Sn02可摻雜銻（Sb )、F、As、鈮（Nb )或鉭（Ta)。在其他實施例中，Iη203可以摻雜錫（Sn)、Mo、 Ta、鎢（W)、Zr、F、Ge、Nb、Hf或Mg。在其他實施例中，CdO可摻雜In或Srl。在其他實施例 中，Galn0 3可以摻雜Sn或Ge。在其他實施例中，CdSb203可以摻雜Y。在其他實施例中，ΙΤΟ 可以摻雜Sn。其他實施例也包括其他TC0材料及對應的摻雜物。
[0042] 前接觸層15〇在光穿透時表現導電功能。為減小太陽能電池的電阻，可以增加 TC0 層的摻雜濃度和/或在TC0層的沉積期間應用紫外線或微波輻射。可以改善導電性的技術 也會降低TC0層的透射率。TC0層透射率的減小進而降低吸收層接收到的能量，從而使得更 少的能量可用于轉化為電流。相反地，消除或減少這些技術會提供更好的透射率，但會增加 電阻（因此降低效率)。前接觸層150的性能通過本文所述的退火的TCO層被顯著地改善。 特別地，太陽能電池100和制造太陽能電池100的方法增加了前接觸層150的導電性而不 降低透射率，從而改善了太陽能電池器件的性能。
[0043]圖2示出了描述了用于制造包括退火的TC0層的太陽能電池的主要方法200的流 程圖。在步驟2加中，后接觸層形成在襯底上。在步驟230中，吸收層形成在后接觸層上。 在步驟240^，緩沖層形成在吸收層上。在步驟 250中，前接觸層形成在緩沖層上方。在步 驟251中，前接觸層的形成包括沉積TC0層。在一些實施例中，可以使用諸如原子層沉積 (ALD)和化學汽相沉積（CVD)(包括常壓CVD (PECVD)、等離子體增強CVD (PECVD)和金屬 有機CVD (M0CVD))的薄膜沉積技術形成TC0層。
[0044]在步驟255中，對沉積的TC0層進行退火。在一些實施例中，在步驟260中，太陽 能電池可以經歷額外的工藝操作且可以連接至其他太陽能電池以形成太陽能模塊。例如， 進一步的處理可以包括劃線、EVA/ 丁基合成橡膠（butyl)的應用、層壓、后端工藝和模塊形 成。太陽能模塊可以依次以串聯或并聯的形式連接至其他太陽能模塊以形成陣列。說明書 及參考附圖提供了方法的進一步的細節和步驟220至步驟260的應用。
[0045]在步驟225中，在退火室32〇/321中對沉積的TC0層實施退火。如圖3A所示，在 一些實施例中，退火室320可以與用于TC0層沉積的沉積室310相隔離。如圖3B所示，在 其他實施例中，沉積室和退火室可以同軸（in-line)結合以形成單個室321。
[0046]在一些實施例中，退火室32〇/321可以包括上熱源325、下熱源326,或同時具有上 熱源與下熱源。在一些實施例中，T⑶層的退火溫度可以為約6(TC以上、75?以上、8(TC以 上、85°C以上、90°C以上、100°C以上、125?以上以及15(TC以上。在其他實施例中，TC0層 的退火溫度可以為 3〇〇°C以下、25〇°C以下、20(TC以下、175?以下、150?以下以及10(TC以 下。在其他實施例中，退火溫度可以介于前述溫度組合的范圍內。例如，可以介于約60? 至3〇0°C的范圍內、介于80°C至300°C的范圍內、介于l〇(TC至20(TC的范圍內、介于8(TC至 200°C的范圍內以及介于80°C至150°C的范圍內。本文中所使用的術語"約，，表示溫度可以 包括小幅的偏差。例如，偏差為加或減1度、加或減2度、或者加或減5度。
[0047] 在一些實施例中，TC0層的退火時間可以為約1〇分鐘（min)以上、13min以上、 15min以上、20min以上以及30min以上。在其他實施例中，TC0層的退火時間可以為1小 時以下、50min以下、45min以下、30min以下、25min以下以及15min以下。在其他實施例 中，退火時間可以介于前述時間組合的范圍內。例如，退火時間可以介于約lOmin至1小時 的范圍內、lOmin至 3〇min的范圍內、15min至50min的范圍內以及l〇min至15min的范圍 內。本文中所使用的術語"約"表示時間可以包括小幅的偏差。例如，偏差可以為加或減1 分鐘、或加或減5分鐘。對于較長的時段，偏差可以更大(例如，大于 30分鐘)，例如，加或減 5分鐘、或加或減10分鐘。
[0048]在一些實施例中，TC0層可以在受控大氣下進行退火。例如，可以在諸如氫氣（h2) 的活性氣體的受控大氣下進行退火。在其他實施例中，可以在真空環境、或在諸如氮氣（n2) 或稀有氣體的惰性氣體中對TC0層進行退火。
[0049]圖4至圖6示出了制造改善的太陽能電池器件的額外方法。每種太陽能電池器件 包括太陽能電池子結構，太陽能電池子結構包括位于襯底上的后接觸層、穿過后接觸層的 P1線、位于后接觸層上且填充P1線的吸收層、位于吸收層上的緩沖層、以及穿過緩沖層和 吸收層的P2線。子結構可通過以下步驟制造，在步驟420/520/620中在襯底上形成后接觸 層，在步驟425/525/625中形成穿過后接觸層的劃線P1，在步驟430/530/630中在后接觸 層上形成吸收層，在步驟440/ 540/640中在吸收層上形成緩沖層，且在步驟44δ/545/645中 形成劃線Ρ2。該方法可以包括制造或提供子結構，在緩沖層上方沉積TC0層，對沉積的TC0 層進行退火，以及形成穿過TCO層、緩沖層和吸收層的劃線Ρ3。如圖4至圖6所示以及下文 中所述，制造的順序可以進行改變。
[0050] 首先參見圖4,在一些實施例中，順序可以包括：（a)在步驟451中將子結構放置于 單個的同軸室中；（b)在步驟452中，沉積TC0層；（c)在步驟453中，對沉積的TC0層進行 退火；以及（d)在步驟454中，形成劃線P3。可以在室中同軸地實施沉積和退火步驟452和 453。然后參見圖5,在一些實施例中，順序可以包括：（a)在步驟551中，將子結構放置于 沉積室中；（b)在步驟552中，沉積TC0層；（c)在步驟553中，將子結構放置于退火室中； (d)在步驟554中，對沉積的TC0層進行退火；以及（e)在步驟555中，形成劃線P3。接下 來參見圖6,在一些實施例中，順序可以包括：（a)在步驟651中，在子結構的緩沖層上方沉 積TC0層；（b)在步驟652中，形成劃線P3 ;以及（c)在步驟653中，對沉積的TC0層進行退 火。在給出的順序中，每個連續的步驟(b)至步驟（e)可以完全在前序步驟（ a)至步驟（d) 之前進行。在步驟460/560/660中，器件也可以經歷額外的工藝操作。
[0051] 實例
[0052] 太陽能電池的制造
[0053]作為比較，根據本文所描述的方法制造太陽能電池。通過濺射在玻璃襯底上形成 Mo的后接觸。使用激光劃出P1互連線。在后接觸上形成CIGS的吸收層。通過化學浴沉積 在吸收層上形成CdS或ZnS的緩沖層。使用機械劃線器劃線P2互連線。通過M0CVD在緩 沖層上方形成硼摻雜ZnO (Zn:B)的TC0層。
[0054]根據不包含退火步驟的方法完成太陽能電池（S01)的第一子設備，方法包括劃出 P3互連線、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA)和丁基合成橡膠的應用、層壓以及其他后端工藝。 [00 55]參見圖2至圖6,根據前文描述的方法完成太陽能電池（S02)的第二子設備。 特別地，將子結構放置于退火室中，退火室包括作為熱源的上紅外線燈且工藝壓強小于 lX10_2torr (托)。退火TC0層。在退火之后，允許子結構自然地冷卻。使用機械劃線器劃 出P3互連線。S02太陽能電池也經歷EVA和丁基合成橡膠的應用、層壓以及其他后端工藝。 [00 56] 太陽能電池的比較
[0057]對S01和S02太陽能電池的電學和光學性能進行比較。根據本發明的s〇i太陽能 電池和S02太陽能電池的電阻和透射率的示例性測量如下：
[0058]
【權利要求】
1. 一種用于制造太陽能電池的方法，包括： 在襯底上形成后接觸層； 在所述后接觸層上形成吸收層； 在所述吸收層上形成緩沖層； 在所述緩沖層上方沉積透明導電氧化物（TCO)層；以及 對所沉積的TCO層進行退火以提供前接觸層。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述沉積的步驟包括通過化學汽相沉積來沉積 所述TCO層。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所沉積的TCO層包括摻雜的金屬氧化物。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟包括在約60°C至約300°C的溫度范 圍內對所沉積的TCO層進行退火。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟包括在約l〇〇°C至約200°C的溫度 范圍內對所沉積的TCO層進行退火。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟包括對所沉積的TCO層進行退火持 續約1小時以下。
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟包括對所沉積的TCO層進行退火持 續約10分鐘以上。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述退火步驟包括將所述太陽能電池放置于退 火室中。
9. 一種用于制造太陽能電池的方法，包括： 提供子結構，所述子結構包括：后接觸層，位于襯底上；P1線，穿過所述后接觸層；吸收 層，位于所述后接觸層上且填充所述P1線；緩沖層，位于所述吸收層上；和P2線，穿過所述 緩沖層和所述吸收層； 在所述緩沖層上方沉積透明導電氧化物（TCO)層； 對所沉積的TCO層進行退火；以及 劃出穿過所述TCO層、所述緩沖層和所述吸收層的P3線。
10. -種太陽能電池，包括： 后接觸層； 吸收層，位于所述后接觸層上； 緩沖層，位于所述吸收層上；以及 前接觸層，位于所述緩沖層上，所述前接觸層包括退火的TCO層。
【文檔編號】H01L31/0352GK104241441SQ201310385229
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年6月14日
【發明者】江濟宇, 邱永升, 嚴文材 申請人:臺積太陽能股份有限公司