光電池基板和包括此光電池基板的光電池的製作方法

2023-10-11 23:16:39

專利名稱：光電池基板和包括此光電池基板的光電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電池基板和包括所述光電池基板的光電池。
背景技術：
光電池是將太陽能直接轉化為電能的太陽能發電中的關鍵部件。光電池用在包括電氣和電子裝置、住宅和建築物的供電和工業發電的各種領域。光電池的最主要的基本結構為p-n結二極體。根據光吸收層中所用的材料，光電池可分為使用矽作為光吸收層的矽光電池；使用二硒化銅銦(CIS:Cdr^e2)、碲化鎘(CdTe)等作為光吸收層的化合物光電池； 染料敏化光電池，其中通過吸收可見光來激活電子的光敏染料顆粒被吸收在多孔膜的納米顆粒表面上；串疊型光電池。此外，光電池可被分為大體積光電池和薄膜光電池。目前，大體積多晶矽光電池佔據市場90%或更高。然而，使用大體積多晶矽光電池發電是現有的發電如熱發電、原子能發電或水力發電價格的三至十倍。這主要歸因於昂貴的多晶矽和製造工藝複雜的大體積多晶矽光電池的高製造成本。因此，最近，薄膜非晶矽 (a-Si:H)光電池和薄膜微晶矽(yc-Si:H)光電池正在被積極研究且在商業上經銷。圖1是顯示現有技術的光電池110的結構的截面圖，其使用非晶矽作為光吸收層。如圖1所示，常規非晶矽(如a-Si:H)光電池110包括透明基板111、透明導電膜 112、摻雜有摻雜劑的ρ型非晶矽(a-Si:H)層113、未摻雜有摻雜劑的本徵非晶矽(a_Si:H) 層114、摻雜有摻雜劑的η型非晶矽(a-Si :Η)層115和背反射器116。在此p-i-n型非晶矽(a-Si:H)結構中，本徵非晶矽(a-Si:H)層114受到ρ型和η型非晶矽(a_Si:H)層113 和115的損耗，使得其中產生電場。當電子-空穴對響應於入射光(hv)在本徵非晶矽 (a-Si:H)層114中形成時，其因內部電場而移動，並隨後被ρ型非晶矽(a-Si:H)層113和 η型非晶矽(a-Si:H)層115所收集，以此產生電流。微晶矽(yc-Si:H)為介於單晶矽和非晶矽之間的中間物，且具有數十至數百納米的粒徑。在晶界處，非晶相經常存在，且在大多數情況下，由於其高缺陷密度導致載流子結合發生。微晶矽(yc-Si:H)具有約1.6eV的能帶隙，這與單晶矽的能帶隙(約1. 12Ev) 差別不顯著，且未顯示出非晶矽(a_Si:H)光電池中發生的那種降低。除了光吸收層外，微晶矽(yc-Si:H)光電池的結構與非晶矽(a-Si:H)光電池的結構極為相似。使用非晶矽(a-Si:H)、微晶矽(yc-Si:H)等作為光吸收層的單p-i_n結薄膜光電池具有低的光轉換效率，這對其實際應用產生很多限制。因此，引入通過多重堆疊非晶矽 (a-Si:H)光電池單元、微晶矽(yc-Si:H)光電池單元等製造的串疊型(多結)光電池。串疊型光電池具有使光電池單元串聯連接的結構，因此可增加開路電壓和改進光轉化效率。圖2為顯示現有技術的串疊型光電池210的結構的截面圖。
如圖2所示，現有技術的串疊型光電池210通常包括透明基板211、透明導電膜 212、第一 p-n結層213、隧道p-n結層214、第二 p-n結層215和背反射器216。在現有技術的串疊型光電池210中，具有預定帶隙(如Eg= 1.6eV)的第一 p_n結層213被布置在具有較低帶隙(如Eg = 1. IeV)的第二 p-n結層215之上，使得具有1. IeV <hv < 1.6eV的能量的光子能通過第一 p-n結層213，但被第二 p-n結層215所吸收。可通過增加串疊型光電池中堆疊的P-n結層的數量實現較高的光轉化效率。要求光電池中所用的透明導電膜呈現優異的透光率、導電率和光俘獲效率。特別地，在串疊型薄膜光電池的情況中，要求透明導電膜對400nm至IlOOnm的寬波長帶顯示出高透光率和高混濁值。此外，當沉積透明導電膜時，還需要耐受氫等離子體。光電池應用所用的流行透明導電膜包括氧化錫(SnO2)作為主要成分。然而，當其通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)沉積時，此類型的透明導電膜因氫等離子體而受損。此外，現有透明導電膜常用的銦錫氧化物(ITO)具有與主要成分稀有元素銦(In)價格持續上漲、氫等離子體加工期間銦的高還原性和所得物的化學不穩定性等相關的問題。因此，研究正在向開發可替代具有SnA或ITO作為其主要成分的透明膜的透明導電膜發展。氧化鋅(aio)是作為最理想材料而在近期引起關注的材料。因為氧化鋅可很容易被摻雜且具有窄的導帶，所以根據摻雜劑的類型，很容易於控制氧化鋅的電學-光學性質。此外，當經受氫等離子體加工時，具有氧化鋅作為主要成分的透明導電膜是穩定的，可以低成本製造，且顯示出高透光率和高導電率。雖然氧化鋅(ZnO)具有通過控制摻雜劑可很容易地調節其導電率和光學性質的優點，但其具有不耐熱的缺點。需要氧化鋅顯示出熱穩定性，這是因為包含Si、銅、銦鎵硒化物(CIGS)或碲化鎘作為主要成分的光吸收層需要形成在透明導電膜上。通常，需要高溫來在透明導電膜上形成光吸收層。因此，需要作為透明導電膜主要成分的氧化鋅有效地抵抗高溫，而不顯示出性能降低，如電阻增加或透光率降低。本發明背景技術中所公開的信息僅用於增加對本發明背景的了解，且不應被認為此信息構成了本領域技術人員已知的現有技術。

發明內容
本發明的各個方面提供了具有優異耐熱性的光電池基板和包括該光電池基板的光電池。本發明還提供了具有高光電轉換效率的光電池和包括該光電池基板的光電池。在本發明一個方面中，所述光電池基板包括透明基板和形成在所述透明基板上的透明導電膜。所述透明導電膜包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層，且根據X射線衍射(XRD)
數據，(000 生長平面和(IOii)生長平面均存在於氧化鋅薄膜層中。當光吸收層形成在光電池基板上時，前述光電池基板在高溫下性能未降低，如電阻增加或透光率降低。本發明的方法和裝置具有的其它特徵和優點可從併入本文的附圖和具體實施方式
中得出，或描述在附圖和具體實施方式
中，二者共同起到解釋本發明原理的作用。


圖1是顯示現有技術的光電池的結構的截面圖，其使用非晶矽作為光吸收層；圖2為顯示現有技術的串疊型光電池的結構的截面圖；圖3是顯示製造根據本發明示例性實施方式的光電池基板的方法的流程圖；圖4是顯示光電池基板的結構的截面圖，所述光電池基板通過根據本發明示例性實施方式的製造光電池基板的方法製造；圖5是顯示熱處理前和熱處理後的光電池基板的X射線衍射(XRD)圖的圖；且圖6是顯示熱處理前和熱處理後光電池基板透光率與波長相比的圖。
具體實施例方式下面詳細說明本發明的各種實施方式，其實施例圖示於附圖中並下文中說明。雖然結合示例性實施方式描述了本發明，應理解的是此描述並不意味著將本發明限制為那些示例性實施方式。相反，本發明意圖不僅覆蓋這些示例性實施方式，還覆蓋各種改變、修飾、 等同物和可以包括在所附權利要求書中所定義的本發明精神和範圍內的其他實施方式。圖3是顯示製造根據本發明示例性實施方式的光電池基板的方法的流程圖。如圖3所示，製造此實施方式的光電池基板的方法包括將透明基板置於濺射室內的步驟(步驟S311)。將由待沉積在透明基板上的材料製成的濺射靶安裝在濺射室內。隨後，在S312中，在透明基板上形成防雜質洗脫膜。防雜質洗脫膜作用是防止雜質被從透明基板的內部洗脫。在一個實施例中，防雜質洗脫膜可由二氧化矽(SiO2)或二氧化鈦(TiO2)製成。隨後，在S313中，摻雜有摻雜劑的氧化鋅(SiO)薄膜層形成在布置於濺射室內部
的透明基板上。通常，為了使由具有(000 生長平面或(IOii)生長平面的氧化鋅製成的薄
膜層生長，需要長的平均自由行程。平均自由行程是指這樣的距離，即從濺射靶向透明基板移動的顆粒可自由地行進，而不與室內的其它顆粒碰撞的距離。同時，隨著表面遷移變大， (0002)生長平面形成的可能性增加，在表面遷移中，透明基板的溫度導致己移動到透明基板上的顆粒移動。因此，在透明基板上形成摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層的步驟S313中，為了降低表面遷移同時增加平均自由行程，優選將濺射室內部的壓力保持在lmTorr至50mTorr的範圍內，將透明基板的溫度保持在200°C至300°C的範圍內。在一個實施例中，添加到氧化鋅中的摻雜劑可包括選自鋁(Al)、鎵(( )、銦an)、鈦(Ti)和硼⑶中的至少一種。圖4是顯示根據本發明示例性實施方式的光電池基板的結構的截面圖，且圖5是顯示熱處理前和熱處理後的光電池基板的X射線衍射(XRD)圖的圖，所述熱處理用於耐熱性測試，以檢查光電池基板是否可承受光電池隨後生產方法的熱條件。首先，如圖4所示，光電池基板包括透明基板411和透明導電膜412。透明導電膜 412包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅(SiO)薄膜層41加。透明基板411可為具有5mm或更低厚度和90%或更高透光率的玻璃片。在另一個實施例中，透明基板411可為通常由聚合物類材料製成的熱固化或紫外線(UV)固化的有機膜。聚合物類材料的實例可包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、壓克力(acryl)、聚碳酸酯 (PC)、聚氨酯丙烯酸酯(UA)、聚酯、環氧丙烯酸酯(EA)、溴化丙烯酸酯、聚氯乙烯(PVC)等。透明導電膜412允許光電轉換產生的電流通過。透明導電膜412形成在透明基板411上，且包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層412a。因為氧化鋅的電學性質與絕緣體的電學性質很類似，所以氧化鋅需要用摻雜劑摻雜以具有導電率。此時，氧化鋅中的摻雜劑可包括選自鋁(Al)、鎵(Ga)、銦an)、鈦(Ti)和硼⑶中的至少一種。在此實施例中，氧化鋅可用兩種或更多種摻雜劑共摻雜。優選氧化鋅中的摻雜劑為具有相對優異抗溼性的( 或 Al。通常，為了在透明導電膜412上形成包含Si、銅銦鎵硒化物(CKS)或碲化鎘 (CdTe)作為主要成分的光吸收層，需要在如250°C至600°C範圍內的高加熱溫度。因此，需要透明導電膜412的氧化鋅薄膜層41 顯示出耐熱性，使得其可抵抗高溫，而不降低性能， 如電阻增加或透光率降低。根據XRD數據，優選氧化鋅薄膜層31 既具有(000 生長平面又具有(10 1)生長平面。根據氧化鋅的結構，(10 1)晶體平面的原子平面密度小於(0002)結晶平面的原子平面
密度。因此，當摻雜劑被摻雜且取代鋅原子時，其位於具有較小原子平面密度的(10 1)晶體平
面。因此，所出現的張力數量級相對小於僅具有(000 生長平面的氧化鋅的薄膜的張力數量級。此外，為了補充張力而出現在氧化鋅結構中的本徵缺陷較少。也就是說，(0002)生
長平面和(10 1)生長平面均存在的氧化鋅薄膜層41 不耐熱。在一個實施例中，氧化鋅薄膜層41 可通過濺射方法形成，在濺射方法中透明基板411的溫度在200°C至300°C範圍內，且濺射室內部壓力在從ImTorr至50mTorr範圍內。在氧化鋅薄膜層412中，在進行用於透明導電膜耐熱測試的熱處理後，根據XRD數
據，優選(ιο )生長平面的峰強度等於或大於(000 生長平面的峰強度。下表1顯示在圖4所示的光電池基板耐熱測試前和耐熱測試後XRD強度峰的變化。表 權利要求
1.一種光電池基板，包括 透明基板；和形成在所述透明基板上的透明導電膜，其中所述透明導電膜包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層，其中，根據X射線衍射數據，(000 生長平面和(10 1)生長平面均存在於氧化鋅薄膜層中。
2.如權利要求1所述的光電池基板，其中在進行用於所述透明導電膜耐熱測試的熱處理後，根據所述X射線衍射數據，所述(10 1)生長平面的峰強度大於或等於所述(000 生長平面的峰強度。
3.如權利要求1所述的光電池，其中加入到氧化鋅中的所述摻雜劑為選自Al、fe、ln、 Ti和B中的至少一種。
4.如權利要求1所述的光電池基板，其中所述透明導電膜進一步包括形成在所述透明基板和所述氧化鋅薄膜之間的防雜質洗脫膜，所述防雜質洗脫膜防止雜質從所述透明基板內部洗脫。
5.如權利要求1所述的光電池，其中所述防雜質洗脫膜由二氧化矽(Sit)》或二氧化鈦 (TiO2)製成。
6.一種光電池，包括光電池基板，其中所述光電池基板包括 透明基板；和形成在所述透明基板上的透明導電膜，其中所述透明導電膜包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層，其中，根據X射線衍射數據，(000 生長平面和(10 1)生長平面均存在於氧化鋅薄膜層中。
7.如權利要求6所述的光電池，包括選自串疊型光電池、化合物光電池和染料敏化光電池中的一種。
全文摘要
一種光電池基板和包括所述光電池基板的光電池。所述光電池基板包括透明基板和形成在所述透明基板上的透明導電膜。所述透明導電膜包括摻雜有摻雜劑的氧化鋅薄膜層，且根據X射線衍射(XRD)數據，(0002)生長平面和生長平面均存在於氧化鋅薄膜層中。
文檔編號H01G9/20GK102194901SQ20111004282
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月21日 優先權日2010年2月19日
發明者劉泳祚, 金序炫, 金鎮奭 申請人:三星康寧精密素材株式會社