具有多個透明導電層的太陽能電池及其製造方法
2023-07-26 17:23:16
專利名稱：具有多個透明導電層的太陽能電池及其製造方法
技術領域：
本發明涉及具有多個透明導電層的太陽能電池及其製造方法。更具體地，本發明 涉及通過將透明導電層形成為具有不同的氧含量和不同的光吸收係數的多個層而提高吸 收到光電轉換層中的太陽光的比率的太陽能電池及其製造方法。
背景技術：
最近，由於快速上漲的石油價格、地球的環境問題、化石能源的枯竭、原子能發電 中的廢物處理、與新發電廠建設相應的位置選擇等，對可再生能源的關注增加，針對作為無 汙染能源的太陽能電池的研究與開發被積極地推進。太陽能電池是利用光生伏打效應將光能轉換為電能的裝置，與可替代能源需求的 增長相應，太陽能電池最近已引起更多關注。在太陽能電池中，重要的是提高與將入射太陽光轉換為電能的比率有關的轉換效 率。已經開展了各種提高該轉換效率的研究，並且已經在研究通過儘可能地減少光損失以 增加吸收到太陽能電池中的太陽光的比率，從而提高太陽能電池的效率。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種太陽能電池及其製造方法，該太陽能電池通過將太 陽能電池的透明導電層形成為包括具有不同的氧含量和不同的光吸收係數的多個層的多 層結構，而提高太陽光的透射率，從而能夠提高效率。本發明的另一個目的是提供一種太陽能電池及其製造方法，該太陽能電池通過將 太陽能電池的透明導電層形成為包括具有不同折射率的多個層的多層結構，以使得即使當 入射太陽光穿過光電轉換層，由後電極反射並再次到達透明導電層，入射太陽光仍被再次 吸收到光電轉換層中，從而能夠提高效率。本發明的再一個目的是提供一種太陽能電池及其製造方法，通過將太陽能電池的 透明導電層配置為包括高氧含量的第一層和沉積在第一層上的第二層的結構，使得即使在 第二層仍可以保持第一層的極好的結晶度和大晶粒尺寸，從而提供包括整體上具有極好的 結晶度和大晶粒尺寸的透明導電層的太陽能電池。為了達到上述目的，本發明提供的太陽能電池包括襯底、透明導電層和光電轉換 層，所述透明導電層包括具有第一光吸收係數的第一層；以及形成在第一層上並具有大 於第一光吸收係數的第二光吸收係數的第二層。每一透明導電層可以被配置為一個層或多個層。在本發明中，第一層的氧含量可以相對高於第二層的氧含量。在本發明中，可以隨著所述第一層和所述第二層遠離所述襯底，所述第一層和所 述第二層的氧含量減少。在本發明中，第一層的結晶度可以相對地高於第二層的結晶度。本發明的透明導 電層的第一層和第二層的結晶度可以由包括形成各層的材料的結晶程度(即，每單位體積
3由晶粒尺寸佔據的體積比)的概念和包括這些層的晶粒尺寸的概念來定義。在本發明中，第一層和第二層的折射率可以彼此不同。在本發明中，第一層的光學禁帶寬度可以相對地低於第二層的光學禁帶寬度。在本發明中，第一層的電阻率可以相對地高於第二層的電阻率。在本發明中，透明導電層可以含有從氧化鋅(ZnO)基材料、氧化錫(SnO2)和氧化 銦錫(ITO) (In2O3 = SnO2)所構成的組中選出的任意一種，或者所述透明導電層可以摻雜有從 鋁(Al)、鎵(Ga)、氟(F)、鍺(Ge)、鎂(Mg)、硼(B)、銦(In)、錫(Sn)和鋰(Li)所構成的組中 選出的至少一種。本發明的太陽能電池可以被配置為在由上述多層的第一層和第二層構成的透明 導電層之間包括具有上述特性的中間特性的層作為中間層。本發明的透明導電層的第一層由於具有相對出色的光透射率，可以稱為透射層 (transmitting layer)，並且透明導電層的第二層由於可以具有小於第一層的光透射率 但具有顯著減小的電阻率，並且由於與隨後沉積的光電轉換層之間的較低的接觸電阻，它 可以被用作移動從光電轉換層生成的載流子的導電層，因此可以稱為導電層(conductive layer)0為了達到上述目的，本發明提供了一種太陽能電池，其包括襯底、透明導電層、 光電轉換層，其中透明導電層在鄰近光電轉換層的表面具有比光入射表面更高的光吸收系 數。在本發明中，光入射表面的氧濃度可以高於鄰近光電轉換層的表面的氧濃度。在本發明中，透明導電層可以在同一層減少氧濃度。為了達到上述目的，本發明提供了一種太陽能電池的製造方法，該太陽能電池包 括襯底、透明導電層和光電轉換層，該製造方法包括將隨著遠離襯底而氧含量減少的透明 導電層沉積在襯底上。在本發明的製造方法中，在逐漸地減小沉積時引入的氣體中氧的容積率的同時沉 積透明導電層。為了達到上述目的，本發明提供了一種太陽能電池的製造方法，該太陽能電池包 括襯底、透明導電層和光電轉換層，該製造方法包括在含氧的氣氛下在所述襯底上沉積第 一層，以製備所述透明導電層；以及，在氧濃度比沉積所述第一層的步驟中使用的氧濃度低 的氣氛下，在所述第一層上沉積第二層。在本發明的製造方法中，透明導電層可以含有從氧化鋅(ZnO)基材料、氧化錫 (SnO2)和氧化銦錫(ITO) (In2O3 = SnO2)所構成的組中選出的任意一種，或者所述透明導電層 可以摻雜有從鋁(Al)、鎵(Ga)、氟(F)、鍺(Ge)、鎂(Mg)、硼(B)、銦(In)、錫(Sn)和鋰(Li) 所構成的組中選出的至少一種。根據本發明，可以將太陽能電池的透明導電層形成為包括具有不同的氧含量和不 同的光吸收係數的多個層的多層結構，從而提高太陽光的透射率，以提高太陽能電池的效率。此外，通過將太陽能電池的透明導電層形成為包括具有不同折射率的多個層的多 層結構，使得即使入射太陽光穿過光電轉換層，被後電極反射並再次到達透明導電層，入射 太陽光仍被再次吸收進入光電轉換層，從而提高太陽能電池的效率。
而且，通過將太陽能電池的透明導電層配置為包括高氧含量的第一層和沉積在第 一層上的第二層的結構，使得即使在第二層仍可以保持第一層的極好的結晶度和較大的晶 粒尺寸，從而使該太陽能電池包括整體上具有極好的結晶度和較大晶粒尺寸的透明導電層。
從下面結合附圖對優選實施方式的描述，本發明的上述和其它目的、特性和優點 將變得明顯，在附圖中圖1是示意性示出根據本發明一個實施方式的透明導電層的配置的剖視圖；圖2是示出圖1的透明導電層中包括的每一層的氧含量的圖形；圖3和圖4是示出根據本發明一個實施方式的表面被紋理化的透明導電層的透射 率的圖；圖5是示出根據本發明的一個實施方式的透明導電層的霧度的圖形；圖6是示出應用了根據本發明一個實施方式的透明導電層的太陽能電池的光學 性能的圖；圖7和圖8是示出根據本發明的一個實施方式的透明導電層的電特性的圖；圖9是示出根據本發明的一個實施方式的透明導電層的表面形狀的圖像；並且圖10是示出根據本發明的一個實施方式在沉積透明導電層的時候增加氧氣時透 明導電層的結晶度改善的圖。
具體實施例方式以下，將參考附圖詳細描述本發明的示例性實施方式。圖1是示意性示出根據本發明的一個實施方式透明導電層的配置的剖視圖。如圖1所示，應用於本發明的太陽能電池的透明導電層100包括依次沉積在玻璃 襯底110上的透射層130、中間層150和導電層170。根據每一層中的氧含量來劃分透射層 130、中間層150和導電層170。即，每一層由相同的材料構成，而各層的氧的量彼此不同。 參考示出了每層氧含量的圖2，透射層130是氧含量最大的層，導電層170是氧含量最少的 層，而中間層150是在沉積透射層130之後減少氧量而沉積的層，是透射層130和導電層 170之間的分界層。同時，作為透射層130、中間層150和導電層170的組成材料，可以主要地使用氧 化鋅基(ZnO-based)材料，但是也可使用氧化錫(SnO2)和氧化銦錫(ITO) (In2O3 = SnO2)等， 其中基本材料可以用鋁(Al)、鎵(Ga)、氟(F)、鍺(Ge)、鎂(Mg) Jf (B)、銦(In)、錫(Sn)和 鋰(Li)等摻雜。其中優選使用具有高霧度的氧化鋅。在此，霧度是由漫透射率/直接透射 率X 100%定義的值。霧度由下式1表示。Haze Γ^100= , ^ χ 100
1I
「 (1)其中，Td表示漫透射率，Ts表示直接透射率，並且Tt表示總透射率。高霧度意味著通過使入射通過玻璃襯底110的太陽光中的漫射或透射的光所佔的比率高，而使大部分的入射太陽光能夠被吸收進入光電轉換層。如上所述，透射層130是氧含量相對較大的層。由於具有較大氧含量的特性，其光 透射率會相對更高。因此，透射層130能夠起到減小入射通過玻璃襯底110的太陽光的損 失的作用。另一方面，由於透射層130包含大量的氧，所以結晶度極好，並且晶粒尺寸也增 大。導電層170包括氧量比透射層130少得多的層，它是在沉積過程中減少氧量而沉 積的層。根據該特性，因為導電層170具有比透射層130相對更高的光吸收係數，所以光學 禁帶寬度Eg變得更高。同時，在沉積導電層170時，透射層130用作種子層並且透射層130具有高氧含量 的特性有利於生長導電層170。因為導電層170具有較低的氧含量，透射率會相對較低，但是電阻率顯著降低。由 於該低電阻率，與隨後沉積的光電轉換層的接觸電阻較低，使得由光電轉換層中的光吸收 生成的載流子可以在導電層170中移動。另一方面，中間層150是在依次沉積透射層130和導電層170的過程中減少氧量 而沉積的層，用作將透射層130的結晶度保持到導電層170。表1表示透射層130和導電層170各自關於太陽能電池的主要吸收波長段的吸收 係數之間的差異。表 1
波長(服)吸收係數差異(%)導電層透射層5502.99χ1032.66χ10311.2310008.64χ1028.49χ1021. 69400 至 10002.31χ1032.IOxlO39. 17從表1可以看出，在400nm至IOOOnm的波長段中平均有9%的吸收係數差異。因 此，在本發明中，使用如透射層130那樣具有相對較小的吸收係數的薄膜能有助於提高太 陽能電池的效率。同時，圖3和圖4是示出表面紋理化的透明導電層100的透射率的圖。如圖3和圖4所示，可以看出，本發明的透明層100與相關技術相比提高了在 400nm至1200nm的波長段中的總透射率Ττ。同時，圖5是示出本發明的透明導電層100的霧度的圖形。如圖5所示，本發明的透明導電層100在大約550nm的波長區域內具有大約60% 的霧度，並且具有40 %或更高的平均霧度，使得它適合應用於透明導電層。從利用下式2的光學特性仿真結果可以明顯地看出具有根據本發明的透明導電 層100的太陽能電池的效率提高效果。
Cns-n^)2R(%)二，丄 2,2 X IOO
(2)其中，R表示反射係數，ns表示表面的折射率，並且η。表示塗層的折射率。
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假設在覆板太陽能電池(superstrate solar cell)中具有大約550nm波長的光 垂直地入射，而進行光學特性仿真。表2中示出了用於光學特性仿真的各種材料的折射率， 並且圖7示出應用了本發明的用式2和表2所示數據進行了仿真的透明導電層100的太陽 能電池的光學特性。表2 圖6是示出在如下情況下光學特性的圖入射通過玻璃襯底110的光通過光電轉 換層，被由金屬或金屬氧化物製成的後電極反射，並返回到玻璃襯底110。如圖6所示，在使用相關技術的透明導電層的太陽能電池中，當入射光線通過光 電轉換層，被從後電極反射，並返回時，85 %的入射光到達玻璃襯底，但是在使用本發明的 透明導電層的太陽能電池的情況下，因為導電層170和透射層130各自具有不同的折射率， 光被反射回至光電層從而僅大約71%的光到達玻璃襯底。換言之，當使用本發明的透明導電層100的太陽能電池將從後電極入射通過玻璃 襯底110的光反射回時，大約14%的光被反射回到光電轉換層，從而通過光的再吸收而提 高了太陽能電池的效率。同時，圖7和圖8是示出根據本發明的透明導電層100的電特性的圖。如圖7所示，透明導電層100表現出10Ω或更小的值，該值是透明導電層通常需 要的表面電阻(Rs)值，並且表現出5X10_4或更小的值，該值是透明導電層通常需要的電阻 率值，使得它可以應用於太陽能電池。此外，如圖8所示，通過增加氧，光學禁帶寬度Eg稍有降低，但是表現出3. OeV的 值，該值是通常需要的Eg值，使得這些特性也可以應用於太陽能電池。同時，圖9是示出根據本發明的一個實施方式的透明導電層100的表面形狀的圖 像。如圖9所示，當與相關技術中的透明導電層比較時，可以看出通過顯著減少具有不規則 小尺寸的凹坑，透明導電層變得均勻。此外，當為了形成表面紋理化結構而在透明導電層100上進行刻蝕時，當與在相 關技術中的透明導電層上進行刻蝕比較時，可以觀察到透明導電層的損傷較小並且在表面 形成了細微摺痕。這表明，如上所述的，在透射層130中保持的高氧含量、極好的結晶度和大晶粒尺寸也在導電層170中得以保持。下面將介紹根據本發明的透明導電層100的製造方法。首先，在氧氣氛的條件下，要用作透明導電層的材料被沉積在玻璃襯底110上。如 上所述，該材料可以將氧化鋅(ZnO)基材料作為基本材料。可以通過濺射、化學氣相沉積等 已知的沉積方法來進行沉積。在具有較高的初始氧比率的氣氛下沉積在玻璃襯底110上的 材料可以用作透射層130。之後，如果用於透明導電層的材料被連續地沉積在玻璃襯底110上，則外圍氧氣 的量被減少，使得具有較小含量氧的層被沉積在頂部。通過這些過程，能夠形成導電層170。 當沉積導電層時，透射層130可以用作種子層170。圖10是示出在沉積的時候當增加氧氣時透明導電層的結晶度改善的圖。參考圖 10，在沉積時引入的氣體中氧氣所佔用的容積率越高，結晶度增加得就越多，使得在具有較 高氧比率的氣氛下沉積的透射層130表現出極好的結晶度特性。該透射層130能有利地用 於生長導電層170，使得諸如極好的結晶度和大晶粒等特性可以向上傳遞至導電層170。同時，如上所述，通過在上述氧氣氛的條件下連續地進行沉積而自然地降低氧氣 的比例，能夠順序地形成透射層130和導電層170。然而，可以在具有高的氧比例的氣氛下 沉積透射層130，然後可以在具有低的氧比例的氣氛下沉積導電層170。作為包括根據本發明的透明導電層的太陽能電池結構的一個實施方式，可以有順 序地形成有以下層的太陽能電池玻璃襯底、作為下透明導電層的本發明的透明導電層、作 為光電轉換層的非晶矽太陽能電池層(a-si :Hp/i/n層)、作為下透明導電層的本發明的透 明導電層和後電極。包括本發明的透明導電層的太陽能電池可以根據本領域技術人員熟知 的方法製造，因此將不再重複製造方法的詳細描述。以上描述了利用本發明的透明電極的非晶矽型太陽能電池，但是可以通過改變例 如化合物、染色靈敏度和有機材料等因素而將該透明電極應用於具有光電轉換層的太陽能 電池。儘管參考本發明當前優選實施例詳細描述了本發明，但本領域技術人員應當 理解，在不脫離由所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對本 發明進行各種修改和等同。而且，本說明書所說明的各個組分(constituent)的物質 (substances)可以由本領域技術人員從各種熟知的物質容易地選擇並處理。而且，本領域 技術人員可以移除說明書中所述組分的一部分而不使性能惡化，或者可以增加組分用於提 高性能。此外，本領域技術人員可以根據處理或設備的環境來改變本說明書中說明的有條 理的步驟的順序。從而，意圖是本發明包括該發明的修改和變形，如果其在所附權利要求和 其等價的範圍內。
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權利要求
一種太陽能電池，其包括襯底、透明導電層和光電轉換層，所述透明導電層包括具有第一光吸收係數的第一層；以及形成在所述第一層上並具有大於所述第一光吸收係數的第二光吸收係數的第二層。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述第一層的氧含量相對高於所述第二層的氧含量。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，隨著所述第一層和所述第二層遠離所述 襯底，所述第一層和所述第二層的氧含量減少。
4.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述第一層的結晶度相對高於所述第二 層的結晶度。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述第一層和所述第二層的折射率彼此 不同。
6.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述第一層的光學禁帶寬度相對小於所 述第二層的光學禁帶寬度。
7.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述第一層的電阻率相對高於所述第二 層的電阻率。
8.根據權利要求1所述的太陽能電池，其中，所述透明導電層含有從氧化鋅(ZnO)基材 料、氧化錫(SnO2)和氧化銦錫(ITO) (In2O3 = SnO2)所構成的組中選出的任意一種，或者所述 透明導電層摻雜有從鋁(Al)、鎵(Ga)、氟(F)、鍺(Ge)、鎂(Mg) Jf (B)、銦(In)、錫(Sn)和 鋰(Li)所構成的組中選出的至少一種。
9.一種太陽能電池，其包括襯底、透明導電層和光電轉換層，其中，所述透明導電層在鄰近光電轉換層的表面具有比光入射表面更高的光吸收係數。
10.根據權利要求9所述的太陽能電池，其中，所述光入射表面處的氧濃度高於所述鄰 近光電轉換層的表面處的氧濃度。
11.根據權利要求9所述的太陽能電池，其中，所述透明導電層在同一層中減少氧濃度。
12.—種太陽能電池的製造方法，所述太陽能電池包括襯底、透明導電層和光電轉換 層，所述製造方法包括將隨著遠離所述襯底而氧含量減少的所述透明導電層沉積在所述襯底上。
13.根據權利要求12所述的製造方法，其中，在逐漸減小沉積時引入的氣體中氧的容 積率的同時沉積所述透明導電層。
14.一種太陽能電池的製造方法，所述太陽能電池包括襯底、透明導電層和光電轉換 層，所述製造方法包括在含氧的氣氛下在所述襯底上沉積第一層，以製備所述透明導電層；以及在氧濃度比沉積所述第一層的步驟中使用的氧濃度低的氣氛下，在所述第一層上沉積 弟·~ 層。
15.根據權利要求12至14中任意一項所述的製造方法，其中，所述透明導電層含有從 氧化鋅(ZnO)基材料、氧化錫(SnO2)和氧化銦錫(ITO) (In2O3 = SnO2)所構成的組中選出的任 意一種，或者所述透明導電層摻雜有從鋁(Al)、鎵(Ga)、氟(F)、鍺(Ge)、鎂(Mg)、硼(B)、銦 (In)、錫(Sn)和鋰(Li)所構成的組中選出的至少一種。
全文摘要
本發明提供了一種通過將透明導電層形成為具有不同的氧含量和不同的光吸收係數的多個層而提高吸收到光電轉換層中的太陽光的比率的太陽能電池及其製造方法。本發明的太陽能電池包括襯底、透明導電層和光電轉換層，其中所述透明導電層包括具有第一光吸收係數的第一層；以及形成在所述第一層上並具有大於所述第一光吸收係數的第二光吸收係數的第二層。
文檔編號H01L31/042GK101933159SQ200980104034
公開日2010年12月29日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月4日
發明者李憲民, 池光善, 魚英株 申請人:Lg電子株式會社