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    一種薄膜太陽能電池，包含基板、光電轉換層，及電極層，基板透光且供電導通，光電轉換層設置於基板上，並在接受光能時將光能轉換成電能，電極層設置於光電轉換層上並與基板配合將光電轉換層轉換的電能導出，並包括以氧化鋅構成的主體，及分佈在該主體中的第一副成分，第一副成分的重量百分比分佈由接近光電轉換層往遠離光電轉換層的方向減少，且第一副成分選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合。本發明藉由電極層的第一副成分提升整體光電轉換效率。
    公开号:TW201314929A
    申请号:TW100135270
    申请日:2011-09-29
    公开日:2013-04-01
    发明作者:guang-jie Lai；Feng-Jian Xie；Ren-Hong Wang
    申请人:Nexpower Technology Corp；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    薄膜太陽能電池及其製作方法
    本發明是有關於一種太陽能電池及其製作方法，特別是指一種薄膜太陽能電池及其製作方法。
    太陽能電池是一種將光能轉換成電能的光電轉換元件，而且提供有別於目前易產生多餘廢熱的核能發電或火力發電外的另一種乾淨且無汙染的選擇。
    參閱圖1，目前太陽能電池大致分類為矽薄膜太陽能電池、化合物太陽能電池，及有機太陽能電池。而矽薄膜太陽能電池的基本結構為一基板11、一設置於該基板11上的光電轉換層12，及一形成於該光電轉換層12上的電極層13。
    該基板11為一基材111，及一形成於該基材111上的透明導電膜112構成，所以該基板11可供電導通，且該透明導電膜112為鋅的氧化物或銦錫氧化物。
    該光電轉換層12以矽半導體材料為主構成，包括自鄰近而遠離該該基板11的透明導電膜112的一p型半導體層部121、一本質(intrinsic)半導體層部122，及一n型半導體層部123，而形成p-i-n的二極體接面結構，當該光電轉換層12接受不小於半導體材料的能隙的光能時，電子自價帶躍遷至導帶而產生電子電洞對，並經由p-i-n接面的空乏區形成的電場將電子電洞分離，電子往n型半導體層部123移動，電洞往p型半導體層部121移動形成電位勢，而將光能轉換為電能。
    該電極層13與該光電轉換層12的n型半導體層部123連結，且該電極層13是作為電極的用途。
    當光(以箭號表示)自該基板11的基材111進入該光電轉換層12時，該光電轉換層12將光能轉換為電能，接著，該電極層13與該基板11的透明導電膜112相配合而將形成的電能傳送至外界。
    但直接將電極層13與該光電轉換層12連結，電極層13中的金屬原子易擴散進入該光電轉換層12中，破壞該光電轉換層12的光電轉換特性，或造成該電極層13經由擴散進入該光電轉換層12中的金屬原子而直接與基板11的透明導電膜112導通。
    近來，研究人員發現預定晶格型態的氧化鋅具備良好的導電性，且若以氧化鋅薄膜取代電極層13作為電極，可避免原子進入光電轉換層12，但氧化鋅薄膜的費米能階與該光電轉換層12差異太大，而無法供電流順利流過。所以研究人員持續對氧化鋅薄膜做研發與改良，以期製得光電轉換效率及電流密度更好的太陽能電池，是業界努力的方向之一。
    因此，本發明之目的，即在提供一種提升光電轉換效率及電流密度的薄膜太陽能電池。此外，本發明之另一目的，即在提供一種提升光電轉換效率及電流密度的薄膜太陽能電池的製作方法。
    於是，本發明薄膜太陽能電池，包含一基板、一光電轉換層及一電極層。
    該基板透光且供電導通。該光電轉換層設置於該基板上，並在接受光能時將光能轉換成電能。該電極層設置於該光電轉換層上並與該基板配合而將該光電轉換層所轉換的電能導出，並包括一以氧化鋅構成的主體，及一分佈在該主體中的第一副成分，該第一副成分的重量百分比分佈由接近該光電轉換層往遠離該光電轉換層的方向減少，且該第一副成分選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合。
    本發明太陽能電池的目的及解決技術問題還採用以下技術手段進一步實現。
    較佳地，該第一副成分選自鋁、鎵，及此等之組合。
    較佳地，該第一副成分選自重量百分比為0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比為0.15 wt%～5wt%的鋁，及此等之一組合。
    較佳地，該電極層還包括一含氧且氧的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層的方向增加的第二副成分。
    較佳地，本發明太陽能電池還包含一設置於該電極層上並供光反射而將光導向為朝向該光電轉換層的反射層。
    再者，本發明薄膜太陽能電池的製作方法，包括一步驟(a)及一步驟(b)。
    該步驟(a)在一透明並可導電的基板上設置一將光能轉換成電能的光電轉換層。
    該步驟(b)以濺鍍的方式在該光電轉換層上以至少一具有一以氧化鋅構成的起始物，及一選自鋁、鎵、銦、鉈，及此等之一組合構成的第二起始物的靶材，而形成一具有一以氧化鋅構成的第一主成分，及一選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合構成的第一副成分的電極層，且該第一副成分的重量百分比往遠離該光電轉換層的方向減少。
    本發明太陽能電池的製作方法的目的及解決技術問題還採用以下技術手段進一步實現。
    較佳地，該步驟(b)的靶材的第二起始物以選自重量百分比為0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比為0.15 wt%～5wt%的鋁，及此等之組合構成。
    較佳地，該步驟(b)在形成該電極層的過程中氧流量由低至高，且氧流量的範圍為0.1sccm至4sccm，而形成的電極層還具有一第二副成分，且該第二副成分的氧的重量百分比分佈自鄰近該光電轉換層往遠離該光電轉換層的方向增加。
    較佳地，該步驟(b)的放電密度(discharge density)是0.5W/cm2～4 W/cm2。
    較佳地，本發明太陽能電池的製作方法還包含一步驟(c)，該步驟(c)是以濺鍍的方式於該電極層上設置一供光反射的反射層。
    本發明之功效：本發明薄膜太陽能電池利用該電極層的第一副成分選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合，且其重量百分比分佈自鄰近該光電轉換層往遠離該光電轉換層的方向減少，進而提升元件整體的光電轉換效率。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
    在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
    參閱圖2，本發明薄膜太陽能電池的一第一較佳實施例包含一基板21、一形成於該基板21上的光電轉換層22，及一形成於該光電轉換層22上且藉由該光電轉換層22而與該基板21間隔的電極層23。
    該基板21包括一基材211，及一形成於該基材211表面的透明導電膜212，該基材211透明可透光，並選自玻璃及抗熱塑膠軟板，該透明導電膜212以選自銦錫氧化物、氧化錫、氧化銦、鋅的氧化物，及此等之一組合為主要材料所構成，故該基板21透光、可導電，且該透明導電膜212可搜集橫向擴散的電流。
    該光電轉換層22以矽半導體材料為主所構成，在本較佳實施例中，該光電轉換層22包括一形成於該基板21的透明導膜膜表面的p型半導體層部221，及依序連結於該p型半導體層部221的一本質半導體層部222與一n型半導體層部223，而形成p-i-n的二極體接面結構。且該矽半導體材料是屬於對可見光的吸收程度高的非晶矽，而可在沈積薄片狀時即可吸收大量光能，但不以非晶矽為限，也選自單晶矽及多晶矽；此外該光電轉換層22也可根據光線照射方向改變結構，例如具有多層膜，且此為熟習本領域的技藝人士所熟習，在此不再多加贅述。
    當該光電轉換層22接受不小於半導體材料的能隙的光能時，電子自價帶躍遷至導帶而產生電子電洞對，並經由p-i-n接面的空乏區形成的電場將電子電洞分離，電子往n型半導體層部223移動，電洞往p型半導體層部221移動形成電位勢，而將光能轉換為電能。
    該電極層23形成於該光電轉換層22遠離該基板21的表面，並包括一以氧化鋅構成的主體，及一分佈於該主體中的第一副成分，該第一副成分選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合，且該第一副成分的重量百分比分佈由鄰近該光電轉換層22往遠離該光電轉換層22的方向漸減，而於形成性質穩定且薄膜內的載子不易擴散的薄層於該光電轉換層22上。
    當光線(以箭號表示)照射至該基板21的基材211裸露的表面，會經過該基板21的透明導電膜212而到達該光電轉換層22，半導體材料受光激發而使電子自價帶躍遷至導帶而產生電子電洞對，並經由p-i-n接面的空乏區形成的電場將電子電洞分離，電子往n型半導體層部223移動，電洞往p型半導體層部221移動，則p-i-n半導體結構形成相對於p型半導體層部221的電位較高及n型半導體層部223的電位較低的電位勢，而將光能轉換為電能；若自該基板21及該電極層23配合電連接一負載(圖未示)，將會將電能釋出而產生一電流。
    由於該電極層23包括該氧化鋅為主體，及摻雜選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合的第一副成分，且該第一副成分往遠離該光電轉換層22的方向減少，因此，不會如以往以金屬作為電極層23的太陽能電池中，電極層23的金屬原子易自該電極層23擴散至該光電轉換層22中的缺點。
    此外，若將本發明含有該具有第一副成分及以氧化鋅為主體的電極層23的太陽能電池與僅以氧化鋅構成的電極層的太陽能電池相比較，具有第一副成分的電極層23將費米能階調整至更接近導帶能階，而該光電轉換層22的費米能階與該電極層23的導帶能階近似，進而使電子更容易自該光電轉換層22傳送至該電極層23並有效提升光電轉換程度；且由於本發明的電極層23於光電轉換層22的附著力佳，亦明顯提升傳送至外界的電流密度。
    較佳地，該第一副成分選自鋁、鎵，及此等之組合。
    更佳地，該第一副成分選自重量百分比為0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比為0.15wt%～5wt%的鋁，及此等之組合。
    需說明的是，若該電極層23還包括一含氧且氧的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層22的方向增加的第二副成分，且較佳地，隨該第一副成分的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層22的方向漸減，該第二副成分的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層22的方向漸增。
    參閱圖3，本發明的一第二較佳實施例與該第一較佳實施例相似，其不同處在於該第二較佳實施例還包含一反射層24。該反射層24形成於該電極層23遠離該光電轉換層22的表面，而可藉由該反射層24反射穿過該光電轉換層22的光，供光可在反射後再次朝向該光電轉換層22，以增加光在該光電轉換層22的機率，進而增加光電轉換效率；且該電極層23主要選自金、銀、鋁，及此等之一組合，且該反射層24也可與該電極層23相配合傳輸電能，由於該反射層24的功函數接近電極層23的導帶，再配合電極層23的第一副成分的重量百分比分佈朝鄰近該反射層24的方向漸減，該電極層23的費米能階隨之而朝鄰近該反射層24的方向漸遠離該電極層23的導帶能階，進而產生更大的位能供電子往該反射層24的方向移動，增加所產生的電能傳送至外界的機率。
    參閱圖3、圖4，圖4是太陽能電池的光電轉換效率圖，圖右側為該第二較佳實施例的具體例，圖左側為比較例；具體例的電極層23的第一副成分為鎵，且鎵的重量百分比分佈自鄰近而遠離該光電轉換層22的方向為4wt%～0.1wt%，並成梯度分佈；比較例與具體例的相異處在於電極層僅以氧化鋅構成。由圖4可得知，具體例的光電轉換效率的中位數將近10.7%，而比較例的光電轉換效率的中位數僅10.5%，所以本發明的光電轉換效率確實較比較例高。
    參閱圖3、圖5，圖5是太陽能電池的電流密度分佈圖，圖右側為該第二較佳實施例的具施例，圖左側為比較例；具體例的電極層23的第一副成分為鎵，且鎵的重量百分比分佈自鄰近而遠離該光電轉換層22的方向為4wt%～0.1wt%，並成梯度分佈；比較例與具體例的相異處在於電極層僅以氧化鋅構成。由圖5可得知，具體例的光電轉換效率的中位數約10.6mA/cm2，而比較例的光電轉換效率的中位數不到10.3mA/cm2，所以本發明具體例的短路電流密度確實也較比較例高。
    需說明的是，由於ⅢA族元素於摻雜時的相質皆相近，故以鎵作為具體例的第一副成分。
    參閱圖2、圖6，本發明太陽能電池的第一較佳實施例的製作方法包含一步驟31與一步驟32。該步驟31是在一透明並可導電的基板21上設置一將光能轉換成電能的光電轉換層22；該步驟32是以濺鍍的方式在該光電轉換層22上以至少一靶材形成該電極層23，該靶材具有一以氧化鋅構成的第一起始物，及一選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合的第二起始物，該電極層23具有一以氧化鋅構成的第一主成分，及一選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合的第一副成分，且該第一副成分的重量分比分佈往遠離該光電轉換層22的方向減少。
    首先，進行該步驟31：在該基材211上以濺鍍或是蒸鍍的方式設置該透明導電膜212而構成該基板21；再於該基板21的透明導電膜212的表面以氣相沉積法，例如電漿氣相沉積法，依序形成該p型半導體層部221、該本質半導體層部222，及該n型半導體層部223，而於該基板21上連結該光電轉換層22。
    接著，進行該步驟32，將連結該光電轉換層22的基板21放置於一濺鍍機的一腔體的頂部的載台(holder)，該濺鍍機可為直流型態(DC)或射頻型態(RF)。該腔體的底部設置有與電源連接的靶材，且該光電轉換層22裸露的表面朝向該靶材，該靶材含有該第一起始物及一第二起始物，該第一起始物以氧化鋅構成，該第二起始物選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合；待該基板21及該靶材放妥後，將該腔體中抽至氣壓不大於0.01Pa的真空度，再充氬氣於該腔體中，且放電密度(discharge density)為0.5W/cm2～4W/cm2，便可以濺鍍的方式，使氬氣電離形成的氬電流轟擊該靶材，並藉由複數個所含第二起始物的重量百分比不同的靶材作為起始物，先自所含第二起始物的重量百分比最高靶材先通電進行濺鍍，再逐步轉換為第二起始物的重量百分比較低的靶材，而形成複數層薄膜(圖未示)，再利用該等薄膜界面間的擴散，進而得到成預定重量百分比分佈且成梯度分佈的電極層23。
    更佳地，該靶材的第二起始物選自重量百分比0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比0.15 wt%～5wt%的鋁，及此等之組合
    說明的是，若欲形成還具有該第二副成分的電極層23，則在濺鍍的過程中將氧氣通入該濺鍍機的腔體中，所通入的氧流量是由低至高，而形成第二副成分的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層22的方向漸增，且氧流量的範圍為0.1sccm～4sccm。
    參閱圖3、圖7，為本發明的第二較佳實施例的製作方法，與該第一較佳實施例的製作方法相似，其不同處在於還包含一步驟33，該步驟33是於步驟32後以濺鍍的方式在該電極層裸露的表面形成一供光反射的反射層24，而可使該光電轉換層22吸收更多穿過該光電轉換層22並經該反射層24反射的光能，進而提高光電轉換效率。
    該第一較佳實施例及該第二較佳實施例的製作方法主要於同一濺鍍機中製作含有該主體及該第一副成分的電極層23，且該第一副成分自鄰近而遠離該光電轉換層22減少，而可避免太陽能電池在製作過程中須破真空並放置於外界而導致汙染。
    綜上所述，本發明利用摻雜於該電極層23的主體中的第一副成分，且該第一副成分的重量百分比分佈自鄰近該光電轉換層22往遠離該光電轉換層22的方向減少，以增加與該光電轉換層22間的附著力及能階匹配程度，進而提升元件整體的光電轉換效率，故確實能達成本發明之目的。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
    21．．．基板
    211．．．基材
    212．．．透明導電膜
    22．．．光電轉換層
    221．．．p型半導體層部
    222．．．本質半導體層部
    223．．．n型半導體層部
    23．．．電極層
    24．．．反射層
    31．．．步驟
    32．．．步驟
    33．．．步驟
    圖1是一剖視圖，說明以往的一太陽能電池；
    圖2是一剖視圖，說明本發明一第一較佳實施例；
    圖3是一剖視圖，說明本發明一第二較佳實施例；
    圖4是一光電轉換效率比較圖，說明具體例的光電轉換效率高於比較例的光電轉換效率；
    圖5是一短路電流密度圖比較圖，說明具體例的短路電流密度高於比較例的短路電流密度；
    圖6是一流程圖，說明該第一較佳實施例的製作方法；及
    圖7是一流程圖，說明該第二較佳實施例的製作方法。
    21．．．基板
    211．．．基材
    212．．．透明導電膜
    22．．．光電轉換層
    221．．．p型半導體層部
    222．．．本質半導體層部
    223．．．n型半導體層部
    23．．．電極層
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種薄膜太陽能電池，包含：一基板，透光且供電導通；一光電轉換層，設置於該基板上，並在接受光能時將光能轉換成電能；及一電極層，設置於該光電轉換層上並與該基板配合將該光電轉換層所轉換的電能導出，並包括以一氧化鋅構成的主體，及一分佈在該主體中的第一副成分，該第一副成分的重量百分比分佈由接近該光電轉換層往遠離該光電轉換層的方向減少，且該第一副成分選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合。
    [2] 依據申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池，其中，該第一副成分選自鋁、鎵，及此等之組合。
    [3] 依據申請專利範圍第2項所述之薄膜太陽能電池，其中，該第一副成分選自重量百分比為0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比為0.15wt%～5wt%的鋁，及此等之組合。
    [4] 依據申請專利範圍第3項所述之薄膜太陽能電池，其中，該電極層還包括一含氧且氧的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層的方向增加的第二副成分。
    [5] 依據申請專利範圍第4項所述之薄膜太陽能電池，還包含一設置於該電極層上並供光反射而將光導向為朝向該光電轉換層的反射層。
    [6] 一種薄膜太陽能電池的製作方法，包含：(a)在一透明並可導電的基板上設置一將光能轉換成電能的光電轉換層；及(b)以濺鍍的方式在該光電轉換層上以至少一具有一以氧化鋅構成的第一起始物，及一選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合的第二起始物的靶材，而形成一具有一以氧化鋅構成的第一主成分，及一選自硼、鋁、鎵、銦，及此等之一組合的第一副成分的電極層，且該第一副成分的重量百分比分佈往遠離該光電轉換層的方向減少。
    [7] 依據申請專利範圍第6項所述之薄膜太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(b)的靶材的第二起始物選自重量百分比為0.2wt%～10wt%的鎵、重量百分比為0.15 wt%～5wt%的鋁，及此等之組合。
    [8] 依據申請專利範圍第7項所述之薄膜太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(b)在形成該電極層的過程中氧流量由低至高，且氧流量的範圍為0.1sccm至4sccm，而形成的電極層還具有一第二副成分，且該第二副成分的氧的重量百分比分佈自鄰近該光電轉換層往遠離該光電轉換層的方向增加。
    [9] 依據申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(b)的放電密度的範圍為0.5W/cm2～4W/cm2。
    [10] 依據申請專利範圍第8項所述之薄膜太陽能電池的製作方法，還包含一步驟(c)，該步驟(c)是以濺鍍的方式於該電極層上設置一供光反射的反射層。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI446559B|2014-07-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-04-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100135270A|TWI446559B|2011-09-29|2011-09-29|Thin film solar cell and its making method|TW100135270A| TWI446559B|2011-09-29|2011-09-29|Thin film solar cell and its making method|
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