以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法

2023-06-10 10:51:21 1

專利名稱：以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法
技術領域：
本發明涉及一種光吸收層的方法，特別是涉及一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法。
背景技術：
近年來，隨國際油價高漲及環保意識的抬頭，綠色能源已成為新能源主流，其中太 陽能電池又因取自太陽的穩定輻射能，來源不會枯竭，因此更為各國所重視，無不挹注大量 研發經費及政策性補貼，以扶植本地的太陽能電池產業，使得全球太陽能產業的發展非常 快速。第一代太陽能模組包括單晶矽和多晶矽的太陽能模組，雖然光電轉換效率高且量 產技術成熟，但因為材料成本高，且矽晶圓常因半導體工業的需求而貨源不足，影響後續的 量產規模。因此，包含非晶矽薄膜、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜或銅銦鎵硒(硫)(CIGSS)薄膜和 碲化鎘薄膜的第二代的薄膜太陽能模組，在近幾年已逐漸發展並成熟，其中又以銅銦鎵硒 或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池的轉換效率最高(單元電池可高達20%而模組約14% )，因 此特別受到重視。參閱圖1，現有習用技術銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池結構的示意圖。如 圖1所示，現有習用技術的銅銦鎵硒太陽能電池結構包括基板10、第一導電層20、銅銦鎵硒 或銅銦鎵硒(硫)吸收層30、緩衝層40、絕緣層50以及第二導電層60，其中基板10可為玻 璃板、鋁板、不繡鋼板或塑膠板，第一導電層20 —般包括金屬鉬，當作背面電極，銅銦鎵硒 或銅銦鎵硒(硫)吸收層30包括適當比例的銅、銦、鎵及硒，當作ρ型薄膜，為主要的光線 吸收層，緩衝層40可包括硫化鎘(CdS)，當作η型薄膜，絕緣層50包括氧化鋅(ZnO)，用以 提供保護，第二導電層60包含氧化鋅鋁(Ζη0:Α1)，用以連接正面電極。上述銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池的製造方法主要依據銅銦鎵硒或銅銦 鎵硒(硫)吸收層的製造環境而分成真空製程及非真空製程。真空製程包括濺鍍法或蒸鍍 法，缺點是投資成本較高且材料利用率較低，因此整體製作成本較高。非真空製程包括印刷 法或電沉積法，缺點是技術仍不成熟，仍無較大面積的商品化產品。不過非真空製程仍具有 製造設備簡單且製程條件容易達成的優點，而有相當的商業潛力。銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)吸收層的非真空製程是先調配銅銦鎵硒或銅銦鎵硒 (硫)漿料或墨水(Ink)，用以塗布到鉬層上。現有習用技術中，銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)漿料調配先以適當比例混合含IB、 IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份的粉末以形成原始含銅銦鎵硒或銅銦鎵硒 (硫)的粉末，再添加適當比例的溶劑，並進行攪拌以形成原始銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫) 漿料，最後添加接著劑(binder)或界面活性劑以提高銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)吸收層和 鉬背面電極的接著性，並進行攪拌混合以形成最後銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)漿料。選用單一平均粒徑IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份的奈米粉末 會使顆粒和顆粒間的孔隙大，降低膜的緻密性，因此需要使用不同平均粒徑的奈米粉末改善上述問題，以增加塗布後膜的緻密性。上述現有習用技術的缺點是，配置好的漿料在RTA過程中，會因為硒揮發，造成銅 銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)吸收層中IB/IIIA/VIA的原始比例變化太大，影響銅銦鎵硒或銅 銦鎵硒(硫)吸收層的光吸收特性，嚴重者會造成此光吸收層從P層變化成N層，所形成的 太陽能電池會失去電池的特性，以往為補充損失的硒，會使用硒化製程，即用高毒性的硒化 氫氣體，以補充損失的硒成份，但高毒性的硒化氫氣體，稍一不慎會造成致命的危險。因此， 需要一種危險性較低，又可補充VI族成份的光吸收層製作方法，以改善上述現有習用技術 的問題。由此可見，上述現有的光吸收層的方法在方法與使用上，顯然仍存在有不便與缺 陷，而亟待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決 之道，但長久以來一直未見適切的方法能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲解決的 問題。因此如何能創設一種新的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，實屬 當前重要研發課題之一，亦成為當前業界極需改進的目標。有鑑於上述現有的光吸收層的方法存在的缺陷，本發明人基於從事此類產品設計 製造多年豐富的實務經驗及專業知識，並配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一 種新的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，能夠改進一般現有的光吸收層 的方法，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，並經過反覆試作樣品及改進後，終於創 設出確具實用價值的本發明。

發明內容
本發明的主要目的在於，克服現有的光吸收層的方法存在的缺陷，而提供一種新 的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，所要解決的技術問題是使用不同粒 徑且正常比例的銅銦鎵硒化合物配成漿料，並在RTA過程中加入VIA族粉末，補充銅銦鎵硒 或銅銦鎵硒(硫)前驅層的VIA族揮發所造成的損失，非常適於實用。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出 的一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，用以在非真空下一鉬層上形成 均勻光吸收層，其包括以下步驟(1)首先，依據配方比例，調配不同平均粒徑含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、 三成份或四成份粉末以形成含銅銦鎵硒(硫)混合粉末，其中小尺寸顆粒平均粒徑為大尺 寸顆平均粒徑的30%以下；(2)其次在含銅銦鎵硒(硫)混合粉末加入溶劑、NaI和界面活性劑攪拌形成含銅 銦鎵硒(硫)漿料；(3)接著將含銅銦鎵硒(硫)漿料以非真空塗布法塗布在含下電極的基板上；(4)再經過軟烤去除溶劑以形成含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層；(5)最後將含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層，置於含VIA族元素粉末的高溫RTA爐中長晶，完成銅銦鎵硒(硫)光吸收層的製作。本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的配方比例 指 IB IIIA VI 元素的莫耳比例=0. 9-1. 0 1. 0 2. 0。
前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的IB族元素 包括銅。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的IIIA族元 素包括銦或鎵或銦鎵混合材料。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的VIA族元 素為硒或硫或硒硫混合材料。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的大尺寸顆 粒粉末的平均粒徑粉介於5-500nm。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的溶劑包括 醇類、醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的非真空塗 布法包括電沉積法、刮刀塗布法、狹縫塗布法、網印法或超音波塗布法。
前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的VIA族元 素粉末為硒粉、硫粉或硒硫混合粉末其中之一。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的高溫RTA 爐內溫度介於400-800°C之間。本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上可知，為達到上述目 的，本發明提供了一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，用以在非真空下 一鉬層上形成均勻光吸收層。本發明主要利用調配銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)漿料時，使用 不同粒徑且正常比例的銅銦鎵硒化合物配成漿料，塗布形成光前驅層後，在RTA過程中加 入VIA族粉末，使VIA族粉末高溫形成蒸氣，補充銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)前驅層的VIA 族揮發所造成的損失。藉由上述技術方案，本發明以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法至 少具有下列優點及有益效果 1、本發明改善塗布後膜的緻密性。2、本發明不使用硒化法，避免使用危險的硒化氫。綜上所述，本發明是有關於一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方 法，在技術上有顯著的進步，具有明顯的積極效果，誠為一新穎、進步、實用的新設計。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。


圖1是現有技術銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池結構的示意圖。圖2是本發明銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)太陽能電池光吸收層的製造流程示意 圖。10 基板20:第一導電層30 銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)吸收層
40 緩衝層50:絕緣層60:第二導電層S210-S250 製造步驟
具體實施例方式為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方 法其具體實施方式
、方法、步驟、特徵及其功效，詳細說明如後。有關本發明的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實 施例的詳細說明中將可清楚的呈現。為了方便說明，在以下的實施例中，相同的元件以相同 的編號表示。請參閱圖2所示，本發明較佳實施例的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收 層的方法，其主要包括以下步驟步驟S210，先計算需求銅銦鎵硒或銅銦鎵硒硫配方比例，調配不同平均粒徑含 IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含銅銦鎵硒(硫)混合粉末， 其中小尺寸顆粒平均粒徑為大尺寸顆平均粒徑的30%以下；步驟S220其次，在含銅銦鎵硒(硫)混合粉末加入溶劑、NaI和界面活性劑攪拌 形成含銅銦鎵硒(硫)漿料；步驟S230，接著將含銅銦鎵硒(硫)漿料以非真空塗布法塗布在含下電極的基板 上；步驟S240，再經過軟烤去除溶劑以形成含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層；步驟S250，最後將含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層，置於含VIA族元素粉末的高 溫RTA爐中長晶，完成銅銦鎵硒(硫)光吸收層的製作。本發明的目的及解決其技術問題還可採用以下技術措施進一步實現。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的配方比例 指 IB IIIA VI 元素的莫耳比例=0. 9-1. 0 1. 0 2. 0。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的IB族元素 包括銅。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的IIIA族元 素包括銦或鎵或銦鎵混合材料。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的VIA族元 素為硒或硫或硒硫混合材料。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的大尺寸顆 粒粉末的平均粒徑粉介於5-500nm。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的溶劑包括 醇類、醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的非真空塗 布法包括電沉積法、刮刀塗布法、狹縫塗布法、網印法或超音波塗布法。
前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的VIA族元 素粉末為硒粉、硫粉或硒硫混合粉末其中之一。前述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其中所述的高溫RTA 爐內溫度介於400-800°C之間。本發明主要利用調配銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)漿料時，使用不同粒徑且正常比 例的銅銦鎵硒化合物配成漿料，塗布形成光前驅層後，在RTA過程中加入VIA族粉末，使VIA 族粉末高溫形成蒸氣，補充銅銦鎵硒或銅銦鎵硒(硫)前驅層的VIA族揮發所造成的損失。本發明的銅銦鎵硒(硫)漿料調配方法，先計算需求銅銦鎵硒(硫)配方比例，混 合含不同平均粒徑的IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份奈米粉末以形成原 始含銅銦鎵硒(硫)混合粉末，大的顆粒粒徑介於5-500nm範圍內，小的顆粒則為大顆粒的 30%以下，例如先選用平均粒徑約IOOnm大顆粒，則其他奈米粉末則選用30nm以下顆粒，可 使混合粉末中有不同平均粒徑的奈米顆粒，當不同顆粒奈米粉末堆迭時，形成較密堆積，提 高最後漿料塗布成膜後膜的緻密性。銅銦鎵硒(硫)配方比例所包含的IB、IIIA及VIA族元素的比例為IB IIIA VI 的莫耳比例=0.9-1.0 1.0 2.0。其中IIIA族元素可為純銦、純鎵或混合銦和鎵的材 料，另VIA族元素可為純硒、純硫或混合硒和硫的材料，將此混合材料和醇類、醚類、酮類等 單一溶劑或混合兩種以上的混合溶劑作為混合媒介，並添加如NaI或不同性質的界面活性 劑攪拌均勻以完成漿料的調配，以作為光吸收前驅層的材料。將上述漿料以非真空塗布法，如電沉積法、刮刀塗布法、狹縫塗布法、網印法或超 音波塗布法等塗布在含下電極的基板上，並軟烤去除溶劑以形成前驅層。再將前驅層以RTA爐400-800°C高溫長晶使形成光吸收層，另高溫RTA過程中，硒 成份會減少，可在RTA過程中添加純VIA族元素粉末，可為硒粉、硫粉或混合硒粉和硫粉，使 粉末在高溫中揮發形成VIA族蒸氣，補充損失的硒成份，使前驅層中含IB、IIIA及VIA族元 素的比例仍維持在IB IIIA VI的莫耳比例=0.9-1.0 1. 0 2的最佳比例。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對 以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，用以在非真空下一鉬層上形成均勻光吸收層，其特徵在於其包括以下步驟(1)首先，依據配方比例，調配不同平均粒徑含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含銅銦鎵硒(硫)混合粉末，其中小尺寸顆粒平均粒徑為大尺寸顆平均粒徑的30％以下；(2)其次在含銅銦鎵硒(硫)混合粉末加入溶劑、NaI和界面活性劑攪拌形成含銅銦鎵硒(硫)漿料；(3)接著將含銅銦鎵硒(硫)漿料以非真空塗布法塗布在含下電極的基板上；(4)再經過軟烤去除溶劑以形成含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層；(5)最後將含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層，置於含VIA族元素粉末的高溫RTA爐中長晶，完成銅銦鎵硒(硫)光吸收層的製作。
2.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的配方比例指IB IIIA VI元素的莫耳比例=0.9-1.0 1. 0 2. 0。
3.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的IB族元素包括銅。
4.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的IIIA族元素包括銦或鎵或銦鎵混合材料。
5.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的VIA族元素為硒或硫或硒硫混合材料。
6.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的大尺寸顆粒粉末的平均粒徑粉介於5-500nm。
7.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的溶劑包括醇類、醚類、酮類或混合所述二種以上溶劑的至少其中之一。
8.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的非真空塗布法包括電沉積法、刮刀塗布法、狹縫塗布法、網印法或超音波塗 布法。
9.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的VIA族元素粉末為硒粉、硫粉或硒硫混合粉末其中之一。
10.根據權利要求1所述的以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其特徵 在於其中所述的高溫RTA爐內溫度介於400-800°C之間。
全文摘要
本發明是有關於一種以非真空工藝製作銅銦鎵硒(硫)光吸收層的方法，其主要包括以下步驟首先依據配方比例，調配不同平均粒徑含IB、IIIA及VIA族元素的二成份、三成份或四成份粉末以形成含銅銦鎵硒(硫)混合粉末，其中小尺寸顆粒平均粒徑為大尺寸顆平均粒徑的30％以下；其次在含銅銦鎵硒(硫)混合粉末加入溶劑；接著將含銅銦鎵硒(硫)漿料以非真空塗布法塗布在含下電極的基板上；再經過軟烤形成含銅銦鎵硒(硫)的光吸收前驅層，並將其置於含VIA族元素粉末的高溫RTA爐中長晶，完成銅銦鎵硒(硫)光吸收層的製作。本發明改善塗布後膜的緻密性，且不使用硒化法，避免使用危險的硒化氫。
文檔編號H01L31/18GK101820025SQ20101011148
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月11日 優先權日2010年2月11日
發明者楊益郎, 林群福, 陳文仁 申請人:崑山正富機械工業有限公司