用于薄膜太阳能电池的缓冲层厚度的快速分析的制作方法

用于薄膜太阳能电池的缓冲层厚度的快速分析的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于测量太阳能电池中的膜厚度的方法和装置，用于将发出多种辐射波长的光引导至太阳能电池的表面。每一种辐射都导致响应于光的电流的生成。通过电流计来指示感光电流，该装置具有与太阳能电池的表面连接的一个接触件和与另一表面连接的另一个接触件。确定与不同光辐射中的每一种相关联的电流，并且基于两个电流或者相关的量子效率和相关的吸收系数来计算太阳能电池中的膜的厚度。在一个实施例中，膜厚度是薄膜太阳能电池中的CdS或者其他缓冲膜的厚度。本发明还提供了用于薄膜太阳能电池的缓冲层厚度的快速分析。
【专利说明】用于薄膜太阳能电池的缓冲层厚度的快速分析
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池和用于监测太阳能电池的膜厚度的方法和系统。
【背景技术】
[0002]优选地，利用诸如CdS的缓冲层以在薄膜太阳能电池中制造可再生和高效的异质结。CdS缓冲层还应用在其他类型的太阳能电池中。太阳能电池是用于通过太阳光直接生成电流的光伏组件。由于对清洁能源的需求增长，近年来太阳能电池的制造已经急剧扩大。目前存在各种太阳能收集模块。一种这样的模块包括接收太阳能并且将太阳能直接转换为电能的光伏电池板。另一种这样的模块包括利用太阳能提供热量的太阳能热收集板。太阳能收集模块可以具有不同的几何尺寸并且可以由不同的材料形成，但是通常由很大的扁平太阳能电池板构成并且包括吸收层。
[0003]优选地，在太阳能电池中采用CdS层作为缓冲层。CIGS型太阳能电池利用设置在ZnO窗口层和CIGS (Cu (In，Ga) Se2)吸收层之间的CdS缓冲层。由于CdS (nr ^ 2.4)的折射率处于ZnO (η,~1.9)的折射率和CIGS (η,~2.9)的折射率之间，所以将CdS层集成到ZnO/CIGS系统中增强了太阳能电池的光谱吸收。因此，将ZnO和CIGSOir~2.9)的折射率之间的大差距(step)划分为两个较小的差距，从而导致太阳能电池的整体上降低的反射率。由于CdS层所起的作用，所以形成具有期望的质量和厚度的CdS层很重要。作为推论，分析和精确测量或者监测CdS缓冲层的厚度也很重要。这同样适用于其他的薄膜太阳能电池实施例中的其他缓冲层。
[0004]目前用于监测太阳能电池中的诸如CdS的缓冲层的厚度的方法包括用SEM(扫描式电子显微镜)和TEM(透射电子显微镜)计算厚度。这些技术中的每一种都具有破坏性、成本昂贵并且耗费时间。测量EQE(外量子效率)的许多其他的系统也成本昂贵并且涉及耗时的工艺和专用的设备。
[0005]期望提供用于以非破坏性的方式计算CdS和其他薄膜的厚度的精确的方法和系统。

【发明内容】

[0006]为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于测量太阳能电池膜的厚度的方法，所述方法包括:提供包括缓冲层的太阳能电池，所述缓冲层具有依赖波长的吸收系数；生成具有多种辐射波长的光；将所述太阳能电池暴露于至少两种波长的光；响应于暴露于每一种波长的光，测量所述太阳能电池中所生成的光伏电流；基于测量的光伏电流来数学地计算所述缓冲层的厚度；以及将所测量的厚度的输出信号传输至其他器件。
[0007]在该方法中，所述缓冲层包括CdS。
[0008]在该方法中，数学计算包括使用所述测量的光伏电流的比值以及将所述比值除以与所述至少两种波长的光的每一种相关联的吸收系数的差值来获得所述厚度。[0009]在该方法中，所述其他器件包括显示计算的厚度并且与缓冲层沉积系统通信的控制器。
[0010]在该方法中，生成所述光包括使用多个光源，每一个光源都具有相关的辐射波长，并且将太阳能电池结构暴露于所述至少两种波长的光包括将所述太阳能电池结构暴露于所述多个光源中的至少两个光源。
[0011]在该方法中，将所述太阳能电池结构暴露于所述至少两种波长的光包括将所述太阳能电池结构顺序暴露于所述多个光源中的至少两个光源。
[0012]在该方法中，生成所述光包括使用能够发出多种辐射波长的光的一个光源，并且暴露包括将信号引导至所述一个光源以顺序发出具有所述至少两种波长的光中的每一种的光。
[0013]在该方法中，所述信号的第一信号使所述一个光源发出包括第一波长的光的第一波长范围的光，并且所述信号的第二信号使所述一个光源发出包括第二波长的光的第二波长范围的光，并且所述方法进一步包括通过时间和频率中的一个来对所述第一信号和所述第二信号进行去耦。
[0014]在该方法中，提供太阳能电池结构包括设置在上导电层和相邻吸收层之间的所述缓冲层，并且所述缓冲层包括 CulnSe2 (CIS)、CuGaSe2 (CGS)、Cu (In，Ga) Se2 (CIGS)、Cu (In，Ga) (Se, S) 2 (CIGSS)和 CdTe 中的一种。
[0015]在该方法中，测量所述光伏电流包括提供电流计，将所述电流计的一个电极设置为与所述太阳能电池的顶面接触以及将所述电流计的另一电极设置为与所述太阳能电池的底层接触，以及其中，所述至少两种波长的光的第一波长在约250nm至500nm的范围内且所述至少两种波长的光的第二波长在约350nm至600nm的范围内。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量太阳能电池模块上的多个位置的厚度的方法，所述方法包括:提供包括多个太阳能电池的所述太阳能电池模块，每一个太阳能电池都包括缓冲层；对于每一个所述太阳能电池，通过以下步骤来确定所述缓冲层的厚度:提供多个光源并将所述太阳能电池暴露于来自所述多个光源的第一光源的第一辐射波长的光和暴露于来自所述多个光源的第二光源的第二福射波长的光；响应于暴露于所述第一辐射波长的光和响应于暴露于所述第二辐射波长的光，测量所述太阳能电池中所生成的光伏电流；以及基于测量的所述光伏电流和与每一波长的光相关联的吸收系数来数学计算所述缓冲层的厚度。
[0017]在该方法中，所述缓冲层包括CdS，提供所述多个光源包括提供位于不透明壳体内的两个光源，并且测量所述光伏电流包括使用限定所述壳体的开口并且与所述太阳能电池接触的环形的第一接触件，并且所述方法进一步包括基于相应的CdS层的厚度来映射所述太阳能电池模块的厚度。
[0018]根据本发明的又一方面，提供了一种用于测量太阳能电池膜的厚度的装置，包括:至少一个光源，能够将光引导至包括缓冲层的太阳能电池的表面，所述至少一个光源能够发出具有多种辐射波长的光；第一接触件，与所述表面接触；第二接触件，与所述太阳能电池的层的导电表面接触，所述导电表面设置在所述表面下方；电流计，连接在所述第一接触件和所述第二接触件之间并且能够读取通过第一辐射波长的光在所述第一接触件和所述第二接触件之间生成的第一电流和通过第二辐射波长的光在所述第一接触件和所述第二接触件之间生成的第二电流；以及处理器，能够基于所述第一电流和所述第二电流以及与所述第一辐射波长和所述第二辐射波长的每一个相对应的吸收系数来计算所述缓冲层的厚度。
[0019]在该装置中，所述至少一个光源包括两个光源，所述两个光源包括发出所述第一福射波长的光的第一 LED或者激光器的第一光源和发出所述第二福射波长的光的第二 LED或者激光器的第二光源。
[0020]该装置进一步包括:其中包含所述至少一个光源的壳体，所述壳体是不透明的并且包括通过所述第一接触件限定的开口。
[0021]在该装置中，所述壳体沿至少一个维度通常是对称的，并且所述第一接触件通常是环形的。
[0022]在该装置中，所述壳体由选自由导电橡胶、金属、铜纳米管和其他导电材料所组成的组的材料形成。
[0023]在该装置中，所述至少一个光源包括能够发出具有所述多种辐射波长的光的一个LED和与所述LED连接的电源。
[0024]在该装置中，所述电源将至少两个信号引导至所述一个LED或者激光器，所述至少两个信号包括指示所述一个LED或者所述激光器发出所述第一辐射波长的光的第一信号和指示所述一个LED或者所述激光器发出所述第二辐射波长的光的第二信号；以及所述装置进一步包括对所述第一信号和所述第二信号进行去耦的处理器。
[0025]在该装置中，所述一个LED或者所述激光器基本上同时发出所述第一辐射波长的光和所述第二辐射波长的光，所述电源使用转换器和滤波器中的至少一种来引导所述至少两个信号，并且所述第一信号和所述第二信号具有不同的频率。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据通常实践，各种部件没有按比例绘制。相反，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。在整个说明书和附图中相同的参考标号指定相同的部件。
[0027]图1示出用于测量膜厚度的系统的一个实施例；
[0028]图2示出用于测量膜厚度的系统的另一个实施例；
[0029]图3示出用于测量膜厚度的系统的又一个实施例；
[0030]图4示出根据本发明的膜厚度监测系统的另一个实施例；以及
[0031]图5是示出根据本发明用于测量太阳能模块的多个区域上的膜厚度的系统的一个实施例的俯视图。
【具体实施方式】
[0032]太阳能电池还可选地被称为光伏电池或者光电池，该太阳能电池是通过光伏效应将光能直接转换为电能的固态电气元件。
[0033]在基板上设置许多太阳能电池，该基板还可以被称为太阳能电池基板、太阳能电池板或者太阳能电池模块。太阳能电池基板用于采集来自太阳光的能量。由太阳能电池所生成的电能被称为太阳能，其是太阳能源的一个实例。太阳光中的光子照射太阳能电池并且被诸如硅、CIGS(Cu ((In，Ga，)Se2))或者其他吸收材料的半导体材料吸收。光子不规则地撞击来自原子的带负电荷的电子，从而导致电势差。电流开始流经太阳能电池材料以消除电势差进而获得电力。利用由太阳能电池基板上的大量太阳能电池所产生的电力并且将该电力连接至电缆。
[0034]通常独立的太阳能电池是形成在玻璃或者其他合适的材料上的半导体器件。每一个太阳能电池都包括至少一个吸收层。在一些实施例中，通常在太阳能电池的吸收层上方施加抗反射涂层。抗反射涂层增加了耦合到单独的太阳能电池中并且被吸收层吸收的光的数量。CIGS型太阳能电池利用设置在ZnO窗口层和CIGS(Cu((In，Ga，)Se2))吸收层之间的CdS缓冲层。优选地，CdS缓冲层在(CIGS)太阳能电池中产生可再生和高效的ZnO/CdS/Cu(In7Ga7)Se2的pn结并且通过减少反射来提高太阳能电池的效率。CdS缓冲层还应用在其他类型的太阳能电池中。
[0035]本发明提供了用于确定太阳能电池中缓冲层的厚度的方法。用于确定缓冲层的厚度的非破坏性的方法包括用多个辐射波长的光照射太阳能电池，测量响应于每一种辐射而生成的电流并且使用各种方法计算厚度。在一个实施例中，确定两种不同波长下电流比值并且该电流比值除以用于两种波长的吸收系数的差值以测量膜厚度。在一些实施例中，获得在各种波长下用于缓冲层的吸收系数α，并且在其他实施例中，通过实验方法获得吸收系数。在一个实施例中，缓冲层是CdS缓冲层。在其他实施例中，确定具有依赖于波长的吸收系数的其他缓冲层(诸如ZnS和ZnMgO或者其他合适的缓冲层材料)的厚度。
[0036]在一个实施例中，缓冲层的厚度通过以下公式得到:
【权利要求】
1.一种用于测量太阳能电池膜的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括缓冲层的太阳能电池，所述缓冲层具有依赖波长的吸收系数； 生成具有多种福射波长的光； 将所述太阳能电池暴露于至少两种波长的光； 响应于暴露于每一种波长的光，测量所述太阳能电池中所生成的光伏电流； 基于测量的光伏电流来数学地计算所述缓冲层的厚度；以及 将所测量的厚度的输出信号传输至其他器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲层包括CdS。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，数学计算包括使用所述测量的光伏电流的比值以及将所述比值除以与所述至少两种波长的光的每一种相关联的吸收系数的差值来获得所述厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述其他器件包括显示计算的厚度并且与缓冲层沉积系统通信的控制器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用多个光源，每一个光源都具有相关的辐射波长，并且将太阳能电池结构暴露于所述至少两种波长的光包括将所述太阳能电池结构暴露于所述多个光源中的至少两个光源。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述太阳能电池结构暴露于所述至少两种波长的光包括将所述太阳能电池结构顺序暴露于`所述多个光源中的至少两个光源。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用能够发出多种辐射波长的光的一个光源，并且暴露包括将信号引导至所述一个光源以顺序发出具有所述至少两种波长的光中的每一种的光。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述信号的第一信号使所述一个光源发出包括第一波长的光的第一波长范围的光，并且所述信号的第二信号使所述一个光源发出包括第二波长的光的第二波长范围的光，并且所述方法进一步包括通过时间和频率中的一个来对所述第一信号和所述第二信号进行去耦。
9.一种用于测量太阳能电池模块上的多个位置的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括多个太阳能电池的所述太阳能电池模块，每一个太阳能电池都包括缓冲层； 对于每一个所述太阳能电池，通过以下步骤来确定所述缓冲层的厚度: 提供多个光源并将所述太阳能电池暴露于来自所述多个光源的第一光源的第一辐射波长的光和暴露于来自所述多个光源的第二光源的第二福射波长的光； 响应于暴露于所述第一辐射波长的光和响应于暴露于所述第二辐射波长的光，测量所述太阳能电池中所生成的光伏电流；以及 基于测量的所述光伏电流和与每一波长的光相关联的吸收系数来数学计算所述缓冲层的厚度。
10.一种用于测量太阳能电池膜的厚度的装置，包括: 至少一个光源，能够将光引导至包括缓冲层的太阳能电池的表面，所述至少一个光源能够发出具有多种辐射波长的光； 第一接触件，与所述表面接触； 第二接触件，与所述太阳能电池的层的导电表面接触，所述导电表面设置在所述表面下方； 电流计，连接在所述第一接触件和所述第二接触件之间并且能够读取通过第一辐射波长的光在所述第一接触件和所述第二接触件之间生成的第一电流和通过第二辐射波长的光在所述第一接触件和所述第二接触件之间生成的第二电流；以及 处理器，能够基于所述第一电流和所述第二电流以及与所述第一辐射波长和所述第二辐射波长的每一个相对应 的吸收系数来计算所述缓冲层的厚度。
【文档编号】G01B7/06GK103868444SQ201310055791
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年2月21日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】蔡明典, 程子桓 申请人:台积太阳能股份有限公司