专利名称：太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
人们知道利用CuInSe2(CIS)或Cu(In，Ga)Se2(CIGS)(即，CIS与Ga的固溶体)作为光学吸收层的薄膜太阳能电池(下面，分别称作CIS太阳能电池或CIGS太阳能电池)。CIS和CIGS是复合半导体层(黄铜矿结构的半导体层)，含有选自Ib族、IIIb族和VIb族中的每一族的元素。据报道，这种CIS太阳能电池和CIGS太阳能电池的优点在于表现出高的能量转换效率；不会因为被光照射而造成效率降低。
由于CIS太阳能电池和CIGS太阳能电池可通过层叠薄膜而形成，因此它们可形成在挠性基板上，集成的太阳能电池可通过在基板上形成多个串联连接的单电池而制成。为了形成高品质的CIS或CIGS膜，目前需要500℃或更高的成膜温度。因此，采用具有高耐热性的金属箔作为基板从而以高效率制造挠性CIS或CIGS太阳能电池是有利的。但是，当单独采用金属箔作为基板时，不能制造出集成的太阳能电池，因为金属箔具有导电性。因而，人们提出采用在其一面上形成有绝缘层的金属箔作为基板的太阳能电池。
例如，Sato等人在2001年举办的第12届国际光电科学与工程会议上做了关于CIGS太阳能电池的题为“CIGS Solar Cells on StainlessSteel Substrates Covered with Insulating Layers”报告(参见第12届国际光电科学与工程会议(12thInternational Photovoltaic Science andEngineering Conference)的技术文摘，韩国，2001，第93页)。根据此报告，Sato等人在作为基板的不锈钢箔上形成了作为绝缘层的SiO2层，由此获得具有12.2％的转换效率的CIGS太阳能电池。而且，M.Powalla等人在2001年举办的第17届欧洲光电太阳能会议上做了关于CIGS太阳能电池的题为“First Results ofthe CIGS Solar ModulePilot Production”的报告(参见第17届欧洲光电太阳能会议(17thEuropean Photovoltaic Solor Energy Coference)的汇编，德国，2001年，第983页)。根据此报告，Powalla等人利用Cr箔作基板、并在其上形成了具有由Al2O3层和SiO2层构成的双层结构的绝缘层，由此制成集成的CIGS太阳能电池。但是，由于绝缘层的绝缘性不够，因此转换效率仅为6.0％这样低。正如从上述结果所理解的那样，为了使包括挠性金属基板的集成太阳能电池获得高的转换效率，绝缘层必须具备足够的绝缘性。
同时，在其中把太阳能电池组件串联连接以获得高电功率的太阳能阵列中，由于以下原因，需要将旁路二极管并联连接到该太阳能电池组件，所述旁路二极管显示出以与太阳能电池中的p-n结方向相反的方向的整流。当一个组件由于例如损坏或被挡住光线等原因不能再产生电功率时，由正常工作组件产生的电能可绕过失效的组件。通过设置这种旁路二极管，即使有失效组件时，也能够正常地提供电能。虽然通常不在组件内的每个太阳能电池中设置这种旁路二极管，但是已经报道了包括在电池中形成的旁路二极管的Si太阳能电池的结构。目前还没有针对薄膜太阳能电池的这种报道的例子。
在太阳能电池组件中，当一个单电池被损坏，部分地在其表面上产生斑点或部分地被遮光时，该单电池不产生电功率，因此太阳能电池组件的效率降低。并且，如果在这种条件下的太阳能电池组件长时间暴露于阳光下，正常工作的电池也会损坏。因此，优选在太阳能电池组件中形成旁路二极管。然而，当通过常规方法在薄膜太阳能电池中形成旁路二极管时，有可能出现下述问题制造步骤的数量增加并且变得复杂；在形成旁路二极管的过程中在太阳能电池中的p-n结二极管的性能变差。
然而，可以加大薄膜太阳能电池的面积，降低制造成本。但是，由于金属基板的表面比玻璃或有机膜的表面更粗糙，因此即使以大面积在金属基板的表面上形成厚绝缘层，也可能在部分表面上没有覆盖绝缘层。用作太阳能电池的背面(backside)电极的导电膜(通常是金属膜)直接连接到未被绝缘层覆盖的部分金属基板，由此在此处造成短路。因此，为了利用金属基板形成具有高转换效率的薄膜太阳能电池，必须在形成绝缘层之后去除在金属基板和背面电极(导电膜)之间的短路部分。
发明概述鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种具有新型结构的具有优异的性能和可靠性的太阳能电池及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明的第一太阳能电池包括导电基板；依次设置在基板上的绝缘层、导电层和半导体层。形成通孔以便穿过绝缘层和导电层，用构成该半导体层的半导体填充通孔。
此外，本发明的第二太阳能电池包括导电基板；在基板上形成的绝缘层；和形成在绝缘层上并串联连接的多个单电池。每个单电池包括依次设置在绝缘层上的导电层和半导体层，其中形成通孔以便穿过绝缘层和导电层，该通孔中填充有构成所述半导体层的半导体。
在本发明的太阳能电池中，选自构成基板的元素中的至少一种元素可扩散到用于填充通孔的半导体中。
在本发明的太阳能电池中，基板可由金属合金或不锈钢制成，该金属合金含有选自Ti、Cr、Fe和Ni的至少两种元素。
在本发明的太阳能电池中，绝缘层可由选自SiO2、TiO2、Al2O3、Si3N4、TiN和玻璃的至少一种制成。
在本发明的太阳能电池中，导电层可包括Mo。
在本发明的太阳能电池中，半导体层可由含有一种Ib族元素、一种IIIb族元素和一种VIb族元素的复合半导体制成。
在本发明的太阳能电池中，属于Ib族的所述元素可以是Cu，属于IIIb族的所述元素可以是选自In和Ga的至少一种元素，属于VIb族的所述元素可以是选自Se和S的至少一种元素。
在本发明的太阳能电池中，复合半导体可以是p-型半导体，可填充通孔的半导体可以是比复合半导体的所述p-型半导体的电阻更高的p-型或n-型半导体。
并且，本发明的制造方法是用于制造太阳能电池的方法，所述太阳能电池包括导电基板和依次设置在该基板上的绝缘层、导电层和半导体层，该制造方法包括步骤(i)在基板上顺次层叠绝缘层和导电层；(ii)形成通孔以便穿过绝缘层和导电层；和(iii)在通孔中和导电层上形成半导体层。
在本发明的上述制造方法中，在步骤(ii)中，可以通过使电流在导电层和基板之间流动而形成通孔。
本发明的上述制造方法可进一步包括去除一部分导电层以形成条形的步骤，使得导电层分成多个条，此步骤在步骤(i)之后、步骤(ii)之前进行。此外，在步骤(ii)中，可以通过让电流在选自导电层的多个条的两个导电层之间流动，从而形成通孔。
附图的简要说明
图1是本发明的太阳能电池的例子的截面图；图2A是表示在本发明的制造方法的例子中的工艺的截面图；图2B是在图2A所示的工艺中形成的通孔的截面图；图3A是本发明的太阳能电池的一部分的截面图；
图3B是图3A所示部分的功能的示意图；图4是本发明的太阳能电池的另一例子的截面图；图5A是在本发明的制造方法的另一例子中的工艺的截面图；图5B是在图5A所示的工艺中形成的通孔的截面图；图6是本发明的太阳能电池的又一例子的截面图；图7是表示在本发明的制造方法中在导电基板和导电层之间的电阻值与施加电压之间的关系的示图；图8是表示在凹槽的两侧上的两个导电层之间的电阻变化的示图，示出了在将电压施加在两个导电层之前和之后的状态。
本发明的最佳实施方式下面，参照附图描述本发明的实施方式。应注意，本发明不限于在此描述的实施例。
实施例1在实施例1中，描述本发明的薄膜太阳能电池的结构的例子。
图1表示实施例1的太阳能电池的截面图。如图1所示，实施例1的太阳能电池10包括导电基板11、在导电基板11上形成的绝缘层12、在绝缘层12上形成的导电层13、在导电层13上形成的半导体层14、在导电层14上形成的窗口层15、在窗口层15上形成的透明导电膜16、以及在透明导电膜16上形成的引出电极17。此外，在窗口层15和透明导电膜16之间还可以设置由半导体或绝缘体制成的第二窗口层。
在绝缘层12和导电层13中，形成通孔18以穿透它们。用构成半导体层14的半导体填充通孔18。在形成在通孔18中的半导体层14和设置在通孔18上的半导体层14中，从构成半导体基板11的元素中选出的至少一种元素扩散并形成半导体层14a，半导体层14a的特性不同于其它部分(参见图3A中的放大图)。例如，如果半导体层14是p-型半导体，半导体层14a是电阻比半导体层14更高的p-型或n-型半导体。半导体层14a的载流子密度可以是例如1015cm-3或更低。其中扩散了构成半导体基板11的元素的半导体层14a到达窗口层15。
导电基板11可由金属例如、含有从Ti、Cr、Fe和Ni中选出的至少两种元素的金属合金或不锈钢制成。对于金属合金，例如，可采用Fe-Ni合金。在这些材料中，不锈钢是优选的，因为由不锈钢制成的基板即使在制得薄的时候也能保持其强度。
绝缘层12由绝缘材料构成，更具体来说，由选自SiO2、TiO2、Al2O3、Si3N4、TiN和玻璃的至少一种材料构成。通过层叠多层这些材料层所形成的多层膜可用于绝缘层12。
导电层13可由导电材料(例如，金属)形成，并可含有钼(Mo)。具体而言，Mo层、钼化合物层(例如，MoSe2)或将这两层层叠的多层膜可用于导电层13。
对于可用作光学吸收层的半导体层14，例如，可采用含有一种Ib族元素、一种IIIb族元素和一种VIb族元素的黄铜矿结构的半导体。该Ib族元素可以是Cu，该IIIb族元素可以是从In和Ga中选出的至少一种元素。所述VIb族元素可以是从Se和S中选出的至少一种元素。具体而言，可采用例如CuInSe2、Cu(In，Ga)Se2半导体，或含有硫(S)以取代一部分Se的半导体。通常，这些半导体是p-型半导体。在它们之中，通过调整In与Ga的固溶体比率，可将Cu(In，Ga)Se2(CIGS)的带隙(band gap)控制在1.0eV至1.6eV。因此，通过采用CIGS，能够容易地提供具有用于获得高转换效率的理想带隙的半导体层。由于这些黄铜矿结构的半导体具有高光学吸收系数，即使它们薄，也能够吸收足够的阳光。因此，通过采用挠性基板和黄铜矿结构的半导体，可获得挠性太阳能电池。在实施例1的太阳能电池中，用作光学吸收层的半导体层通常是具有3μm或更薄厚度的薄膜。
窗口层15由半导体或绝缘体制成。例如，可采用CdS、ZnO、ZnMgO、Zn(O，S)、ZnInxSey、InxSey或In2O3作为窗口层15。这里，例如ZnO、ZnMgO、ZnInxSey、InxSey和In2O3这些材料是半导体，但表现出比较高的电绝缘性，因此可当作半导体和绝缘体对待。
此外，可在窗口层15和透明导电膜16之间形成第二窗口层。如果形成第二窗口层，它可由半导体或绝缘体形成。如果Zn(O，S)层用作第一窗口层15，第二窗口层优选由例如是ZnO和ZnMgO的材料制成。在第一窗口层15不够宽(thick)、无法充分覆盖半导体层14的情况下，第二窗口层可有效防止在半导体层14和透明导电膜16之间发生短路。
透明导电膜16可由例如ITO(In2O3:Sn)、用硼(B)掺杂的ZnO(ZnO:B)、用铝(Al)掺杂的ZnO(ZnO:Al)或用镓(Ga)掺杂的ZnO(ZnO:Ga)形成。对于透明导电膜16，可采用一种叠层膜，该叠层膜中层叠了两层或多层上述材料。
对于引出电极17，可采用例如层叠了NiCr膜(或Cr膜)和Al膜(或Ag膜)的叠层膜。
下面描述用于制造太阳能电池10的方法的例子。首先，将绝缘层12和导电层13按此顺序层叠在导电基板11上(步骤(i))。通过例如溅射法、蒸镀法或化学汽相淀积(CVD)形成绝缘层12。通过例如蒸镀法或溅射法形成导电层13。
接下来，形成通孔18以穿透绝缘层12和导电层13(步骤(iii))。参照图2A描述用于形成通孔18的方法的例子。如图2A所示，例如，将电压施加在导电基板11和导电层13之间，使电流在导电基板11和导电层13之间流动。那么，电流就汇聚到在导电基板11和导电层13之间电阻低的部分，也就是说，汇聚到没有充分覆盖绝缘层12的低电阻部分12a，使得在那部分的温度升高。结果，燃烧掉并去除了.在低电阻部分12a处的绝缘层12和导电层13，从而在绝缘层12和导电层13的一部分中形成了通孔18，从而将它们穿透。对在导电基板11和导电层13之间施加的电压没有特别地限制，只要该电压使得能够去除没有充分覆盖绝缘层12的部分、从而形成通孔18即可。
此后，在导电层13上形成用作光学吸收层的半导体层14(步骤(iii))。通过例如蒸镀法或硒化(selenidation)法形成半导体层14。如果采用selenidation法，在由溅射法制成由例如一种Ib族元素和一种IIIb族元素构成的金属膜之后，在含有一种VIb族元素等的气氛(H2Se)下对金属膜进行热处理。在步骤(iii)中，半导体层14同样形成在通孔18中。
此后，通过例如化学浴沉积(CBD)、蒸镀法或溅射法形成窗口层15。然后，通过例如溅射法在窗口层15上形成透明导电膜16。随后，通过例如蒸镀法或印刷法形成引出电极17。例如，如果在窗口层15和透明导电膜16之间形成了上述第二窗口层，则可采用溅射法。按照此方式，可制成太阳能电池10。
根据实施例1，在形成半导体层14的方法中，构成导电基板11的至少一种元素扩散到在通孔18中形成的半导体层14中。构成导电基板11的元素增加了在半导体层14中的杂质量，改变了半导体层14的载流子密度或导电类型。例如，虽然作为半导体层14的材料的上述CIS和CIGS，用于太阳能电池，是具有足够载流子密度的p型半导体，但当构成导电基板11的元素(例如，Fe、Cr或Ni)扩散到它们之中时这些半导体改变成具有高电阻的p型或n型半导体。因此，如图3A中所示，在通孔18中形成的半导体14和位于通孔18之上的半导体14变为具有高电阻的p型或n型半导体层14a。这种半导体层14a没有与n型窗口层15形成p-n结(或者通过结合高电阻n型窗口层和低电阻n型透明导电膜而构成的n型层)，在半导体层14a和窗口层15之间的结(junction)和在窗口层15和透明导电膜16之间的结表现出实质上的整流特性。
然而，相对于作为整流接触的在导电层13和整体半导体14之间的结，在半导体层14a和导电层1 3之间形成肖特基(Schottky)结。结果，如图3B所示，在半导体层14a中形成了旁路二极管19b，其显示了与在半导体层14a之外的部分中形成的p-n结二极管19a反方向的整流性能。注意在此处，在太阳能电池的工作点，将反向电压施加在旁路二极管19b的两端，在那种情况下反向电流很低，在一般情况下旁路二极管19b不会严重影响太阳能电池的性能。
如上所述，实施例1的太阳能电池设置有旁路二极管。在把多个实施例1的太阳能电池串联连接的太阳能电池阵列中，如果仅有一部分太阳能电池没有产生电功率，由其它太阳能电池产生的光电流经由旁路二极管流到下一电池，因此防止了转换效率的降低。因此，实施例1能够提供具有高转换效率和优异稳定性的太阳能电池。
实施例2在实施例2中，将描述本发明的薄膜太阳能电池的例子。具体而言，介绍在基板上把多个太阳能电池(单电池)串联连接的集成太阳能电池组件的一个例子。
图4表示实施例2的太阳能电池组件的截面图。如图4所示，实施例2的太阳能电池组件20包括导电基板21、在导电基板21上形成的绝缘层22、在绝缘层22上形成的用作背面电极的导电层23、在导电层23上形成的用作光学吸收层的半导体层24、由在半导体层24上形成的半导体或绝缘体制成的窗口层25和在窗口层25上形成的透明导电膜26。此外，在窗口层25和透明导电膜26之间还可以设置由半导体或绝缘体制成的第二窗口层。
在绝缘层22和导电层23的一部分中，形成通孔27以穿透它们。用构成半导体层24的半导体填充通孔27。这里，在通孔27中的半导体和在通孔27之上的半导体包括从构成导电基板21的元素中选出的至少一种元素，所述元素以与在图3A的半导体层14a相同的方式进行扩散，因此具有与其余半导体层24不同的特性。
导电层23、半导体层24和窗口层25(如果第二窗口层设置在窗口层25和透明导电膜26之间，则包括第二窗口层)、以及透明导电膜26分别通过条形的凹槽23a、24a和26a被分割成条形。分割成条形的各层形成多个单电池28。也就是说，每个单电池28设置有形成条形的导电层23、半导体层24、窗口层25和透明导电膜26。在每个单电池28中的透明导电膜26通过凹槽24a连接到在相邻单电池28中的导电层23。按照此方式，所有的单电池28串联连接。
对于导电基板21，例如，可采用用于实施例1的导电基板11的上述材料。同样，用于实施例1的绝缘层12、导电层13、半导体层14、窗口层15和透明导电膜16的上述材料和结构分别可用于绝缘层22、导电层23、半导体层24、窗口层25和透明导电膜26。
下面，描述用于制造太阳能电池20的方法的例子。用于制造绝缘层22、导电层23、半导体层24、窗口层25、第二窗口层和透明导电膜26的方法与实施例1的相同，在此省略。
首先，将绝缘层22和导电层23以此顺序层叠在导电基板21上(步骤(i))。然后，去除一部分导电层23以形成条形，由此将导电层23分割成多个条形导电层。用于分割导电层的方法的例子描述如下。首先，将绝缘层22形成在导电基板21上。然后，在绝缘层22上部分地形成条形抗蚀图形。此后，形成导电层23以覆盖抗蚀图形，接着利用溶剂剥离抗蚀图形，由此形成条形凹槽23a。用于分割导电层的方法的另一例子是按照绝缘层、导电层的顺序形成绝缘层22和导电层23，然后通过激光束或线性等离子照射去除呈条形的一部分导电层23，从而形成凹槽23a。条形凹槽23a将导电层23分割成条形。
接下来，形成通孔27以便穿透绝缘层22和导电层23(步骤(ii))。参照图5A描述用于制造通孔27的方法的例子。通过让电流在从多个条形导电层23选出的至少两个导电层之间流动，来形成通孔27。例如，如图5A所示，在其间设置有凹槽23a的两个相邻导电层23之间电压施加。在此步骤中，电流汇聚到低电阻部分22a中，此处绝缘层22a的覆盖不充分，因此在那部分产生了热量。由此产生的热量使绝缘层22和导电层23部分地烧掉并去除，由此如图5B所示那样在绝缘层22和导电层23的一部分处形成通孔27。也可以通过在导电基板21和导电层23之间施加电压从而让电流以与实施例1同样的方式在此流过，从而形成通孔27。
此后，在通孔27中和导电层23上形成半导体层24(步骤(iii))。此后，在半导体层24上形成窗口层25。可在窗口层25上形成上述第二窗口层。
此后，通过例如机械划线法去除一部分半导体层24和窗口层25以形成条形，由此形成凹槽24a，在所述机械划线法中利用金属或金刚石针机械地剥离薄膜。半导体层24和窗口层25(包括第二窗口层)被凹槽24a分割成条形。
此后，在窗口层25上和在导电层23的已去除掉窗口层25和半导体层24的露出部分上形成透明导电膜26。
此后，通过例如机械划线法去除掉一部分呈条形的半导体层24、窗口层25和透明导电膜26，由此形成凹槽26a。半导体层24、窗口层25(包括第二窗口层)和透明导电膜26被凹槽26a分割成条形。按照上述方式，能够制成其中将多个单电池串联连接的集成太阳能电池组件。
根据实施例2，类似于实施例1，在形成半导体24的过程中，构成导电基板21的元素扩散到在通孔27中形成的半导体层和在通孔27之上的半导体层。结果，在通孔27中的或围绕通孔27的半导体24从对于太阳能电池来说具有足够的载流子密度的p-型半导体转化成p-型或n-型高电阻半导体。因此，以与实施例1相同的方式，在通孔27附近形成肖特基结的旁路二极管。
此外，在本实施例中，通过形成通孔27解决了由于绝缘层22形成得不够充分所引起的在导电基板21和导电层23之间的短路。因此，在导电层23的曾经由于短路而导电的相邻条之间的电阻值增加了。结果，获得了具有优异性能的太阳能电池。
如实施例1所述，由于从导电基板21的杂质扩散造成了在通孔27中和其上的半导体层24的电阻增加。在此部分，类似于在接近通孔27的半导体层24和导电层23之间的界面，在半导体层24和导电基板21之间进一步形成肖特基结。由于这两个效果，从半导体层24流向导电基板21的电流和由此造成的电压降很小，因此几乎不影响处于正常状态的太阳能电池的性能。因此，可制造出具有串联结构并表现出高转换效率的太阳能电池组件。
根据实施例2，不仅能够通过形成旁路二极管防止太阳能电池的转换效率下降，而且还可以通过去除在单电池之间的短路而使转换效率得以改善。因此，根据实施例2，可以提供具有高转换效率和优异稳定性的太阳能电池组件。
下面借助例子更详细地描述本发明。
例1例1涉及实施例1的太阳能电池以及用于制造它的方法的例子。
参照图6描述太阳能电池30的结构。在例1中，采用不锈钢基板31(厚度50μm)作为导电基板11、SiO2层32(厚度0.5μm)作为绝缘层12、Mo层33(厚度0.8μm)作为导电层13、CIGS层34(厚度2μm)作为用作光学吸收层的半导体层14、CdS层35a(厚度0.1μm)作为窗口层15的第一窗口层、ZnO层35b(厚度0.1μm)作为窗口层15的第二窗口层、ITO膜36(厚度0.1μm)作为透明导电膜16、以及NiCr/Al的叠层膜37(总厚度1.5μm)作为引出电极17。
接下来，用于制造太阳能电池的方法描述如下。首先，通过溅射法在不锈钢基板31上形成SiO2层32。此后，通过溅射法进一步在SiO2层32上形成Mo层33。
接下来，通过图2A描述的方法形成通孔38。首先将电压施加在不锈钢基板31和Mo层33之间。这里，电压施加得像脉冲那样，按5V、10V、15V和20V逐步增加。施加一个脉冲的时间长度是5秒或更短，在每个电压施加的脉冲数的范围为从1个脉冲到5个脉冲。
此后，通过蒸镀法在Mo层33和由通孔38露出的一部分不锈钢基板31上形成CIGS层34。接下来，将基板浸入含Cd和S(硫)的溶液以通过化学淀积方法在CIGS层34上形成CdS层35a(第一窗口层)。此后，通过溅射法形成ZnO层35b(第二窗口层)，在ZnO层35b上进一步通过溅射法形成ITO膜36。随后，利用掩模通过电子束蒸镀法形成NiCr和Al的叠层膜37。由此制成太阳能电池。
图7表示根据施加的脉冲电压在不锈钢基板31和Mo层33之间的电阻的变化。由于在刚形成Mo层之后的电阻低到12Ω，因此可证实不锈钢基板在许多点上都与Mo层接触。随着脉冲电压变大，电阻值升高。这是因为不锈钢与Mo层接触的各点具有不同的面积，因此它们的电阻值也不同。当施加低电压时，电流汇聚到低电阻的接触点，在此点的Mo升华，由此具有大面积的接触点变成绝缘的。因此，当施加的电压升高时，电流汇聚到具有小面积的接触点，因此使这里的Mo升华。也就是说，随着电压的升高，从具有大面积的接触点到具有小面积的接触点，在这些接触点处的Mo层一个接一个地升华，由此增加了在不锈钢基板和Mo层之间的电阻。在Mo层升华的那些点上，形成通孔38。
作为在黑暗中对制成的CIGS太阳能电池进行电流-电压性质测量的结果，当把反向偏压施加到太阳能电池中的p-n结二极管时观察到电流增加。这是因为在通孔38处形成了旁路二极管。从测试结果可以肯定，根据本发明的太阳能电池及其制造方法，在太阳能电池中形成旁路二极管。此外，通过采用具有1.5的气团(air mass)和100mW/cm2的光强度的模拟阳光进行照射，测量出CIGS太阳能电池的性能。作为测量结果，得到了12.3％的转换效率(开路电压Voc＝0.544V，短路电流密度Jsc＝31.7mA/cm2，电场因子(field factor)FF＝0.712)。考虑到不包括SiO2层，也就是没有旁路二极管的的太阳能电池的转换效率是12.4％，可以确定没有因为在太阳能电池中旁路二极管的存在而造成转换效率降低。
虽然在例1中采用不锈钢作为导电基板11，但是采用Ti、Cr、Fe、Ni或含有两种或两种以上这些元素的金属合金也能获得与例1相类似的结果。在例1中采用SiO2层32作为绝缘层12，但是采用TiO2、Al2O3、Si3N4、TiN、玻璃膜或这些材料的叠层膜会得到类似的结果。采用Mo层33作为导电层13，但是采用具有Mo/MoSe2两层结构的导电层明显会得到类似的结果，因为在形成CIGS层的过程中MoSe2层可形成在Mo层的表面上。
例2例2涉及实施例2的太阳能电池组件以及用于制造该组件的方法的另一例子。
参照图4描述例2的太阳能电池组件的具体结构。分别采用不锈钢(厚度70μm)、Al2O3层(厚度1μm)、Mo层(厚度0.4μm)、CIGS层(厚度1.5μm)、Zn0.9Mg0.1O层(厚度0.1μm)和ITO膜(厚度0.6μm)作为导电基板21、绝缘层22、导电层23、用作光学吸收层的半导体层24、窗口层25和透明导电膜26。
接下来，用于制造太阳能电池组件的方法描述如下。首先，通过溅射法将Al2O3层(绝缘层22)形成在不锈钢基板(导电基板21)上。此后，将抗蚀剂溶液设置成条形并烘干，由此形成条形的抗蚀剂图形。接下来，通过溅射法进一步形成Mo层23，以覆盖Al2O3层和抗蚀剂图形。此后，通过用纯水清洗从Al2O3层剥离掉抗蚀剂图形，与此同时，堆叠在抗蚀剂图形上的Mo层也被剥离掉。因此，在Mo层中形成条形凹槽23a。
接下来，通过图5A中所示的方法形成通孔。具体而言，将电压施加在条形凹槽23a的两侧上的两个相邻Mo层之间。这里，以下述形式施加电压以特定速率增加电压直至其达到预定电压，维持该点预定时间，以特定速率降低。在此例中，增加和降低电压的速率从10V/sec.到20V/sec.，维持预定电压的时间为从0.1秒至5秒。此外，将被维持的预定电压按照5V、10V、15V和20V逐步增加，由此形成通孔27。
此后，在Mo层、Al2O3层露出部分(其上面的条形Mo层被剥离掉)、以及由通孔27露出的一部分不锈钢基板上通过蒸镀法形成CIGS层(半导体层24)。接下来，通过溅射法形成Zn0.9Mg0.1O层(窗口层25)。此后，利用金属针通过机械划线法剥离掉一部分CIGS层和Zn0.9Mg0.1O层，由此形成条形凹槽24a。接下来，在Zn0.9Mg0.1O层上和由凹槽24a露出的一部分Mo层上形成ITO膜(透明导电膜26)。此后，通过与上述机械划线法相同的方法部分地去除ITO膜、Zn0.9Mg0.1O层和CIGS层，由此制成条形的凹槽26a。按上述方式，制成了集成的太阳能电池组件，该组件设置有多个单电池28，这些单电池分割成条形并串联连接。
在例2中，通过八个条形凹槽23a分割Mo层，随后测量在凹槽的两侧的每两个相邻Mo层之间的电阻。此外，在通过上述方法将直到20V的电压施加到每两个Mo层之后，再次测量电阻。测量结果示于图8中。在刚形成条形凹槽后在这些每两个Mo层之间的电阻值分布在10Ω-200kΩ的范围内。按上述形式施加直到20V的电压，从而在所有凹槽的两侧上的Mo层之间的电阻值升高1MΩ以上。这是因为，通过施加电压，电流经由金属的不锈钢基板流入在凹槽两侧上的Mo层与不锈钢基板接触处的接触点，因此接触点产生热量，使在接触点处的Mo层升华。在Mo层升华的那些位置上，形成了通孔27。
当作为绝缘层的Al2O3在大面积上覆盖得不充分时，Mo层和不锈钢基板具有短路接触处的那些点在面积上不均匀，出现了接触点的密度分布。然而，即使在这种条件下，可通过施加电压以让电流流动的方式处理短路部分，因此本发明可实现在产量和再现性方面的显著改善。
为了测量制成的CIGS太阳能电池中的一个单电池的特性，在黑暗中测量在分开的Mo层之间的电流-电压性能。当把反向偏压施加到太阳能电池中的p-n结二极管时，观察到电流的升高，由此证实了在通孔27的一部分上形成的旁路二极管。此外，当通过采用具有1.5的气团和100mW/cm2的光强度的模拟阳光进行照射而由此测量出CIGS太阳能电池的性能时，得到了10.6％的转换效率。该值基本上等于11.0％，11.0％是除了采用没有形成旁路二极管的玻璃基板这一点之外由相同工艺制成的CIGS太阳能电池的转换效率。由此表明了没有因为旁路二极管的存在而降低了转换效率。
如上所述，本实施例的太阳能电池在其中设置有旁路二极管。在通常的太阳能电池组件中，当一部分太阳能电池由于某种原因没有产生电功率时(例如被破坏、弄脏其表面或被遮住光)，防碍了整个组件的工作，由此降低了其效率。另一方面，因为本实施例的太阳能电池设置有旁路二极管，即使当一部分太阳能电池没有产生电功率，由其它部分的电池产生的电流也能流过旁路二极管。因此，抑制了效率的降低，可防止产生电功率的太阳能电池的损坏。因此，根据本实施例，可提供具有高转换效率和优异稳定性的薄膜太阳能电池。
根据本实施例的制造方法，由于在形成通孔的过程中可去除在导电基板和位于绝缘层上的导电层之间的短路，因此增加了在集成太阳能电池组件中的单电池之间的并联电阻分量(分流电阻)，由此提高了太阳能电池组件的效率。因此，根据本实施例的制造方法，采用导电基板可获得具有高转换效率的集成太阳能电池组件。
虽然上面已经参照例子描述了本发明的实施例，但是应注意本发明并不限于上述实施例，本发明还可应用于根据本发明技术构思的其它实施例。
工业实用性本发明的太阳能电池提供了高转换效率和优异稳定性。此外，根据本发明的制造方法，可利用导电基板制造出具有高转换效率的集成太阳能电池组件。
权利要求
1.一种太阳能电池，包括导电基板；和顺次设置在基板上的绝缘层、导电层和半导体层，其中形成通孔以穿过所述绝缘层和导电层，并且用构成所述半导体层的半导体填充该通孔。
2.一种太阳能电池，包括导电基板；在该基板上形成的绝缘层；和形成在绝缘层上并串联连接的多个单电池，其中每个单电池包括按照导电层、半导体层的顺序设置在该绝缘层上的导电层和半导体层，形成通孔以穿过所述绝缘层和导电层，和用构成所述半导体层的半导体填充该通孔。
3.根据权利要求1或2的太阳能电池，其中选自构成所述基板的元素中的至少一种元素扩散到填充所述通孔的半导体中。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的太阳能电池，其中所述基板由金属合金或不锈钢制成，所述金属合金含有选自Ti、Cr、Fe和Ni中的至少两种元素。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的太阳能电池，其中所述绝缘层由选自SiO2、TiO2、Al2O3、Si3N4、TiN和玻璃中的至少一种制成。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的太阳能电池，其中导电层包括Mo。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的太阳能电池，其中所述半导体层由复合半导体制成，所述复合半导体含有属于Ib族的一种元素、属于IIIb族的一种元素和属于VIb族的一种元素。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中属于Ib族的元素是Cu，属于IIIb族的元素是选自In和Ga的至少一种元素，属于VIb族的元素是选自Se和S的至少一种元素。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述复合半导体是p-型半导体，和填充所述通孔的半导体是比作为所述复合半导体的p-型半导体的电阻更高的p-型或n-型半导体。
10.一种用于制造太阳能电池的方法，所述太阳能电池包括导电基板和按照绝缘层、导电层、半导体层的顺序设置在该基板上的绝缘层、导电层和半导体层，该方法包括步骤(i)按照绝缘层、导电层的顺序在所述基板上层叠绝缘层和导电层；(ii)形成通孔以穿过所述绝缘层和导电层；和(iii)在通孔中和所述导电层上形成半导体层。
11.根据权利要求10所述的用于制造太阳能电池的方法，其中在步骤(ii)中，通过让电流在所述导电层和基板之间流动而形成通孔。
12.根据权利要求10所述的用于制造太阳能电池的方法，进一步包括去除一部分导电层以形成条形的步骤，使得导电层分成多个条，此步骤在步骤(i)之后、步骤(ii)之前进行，其中在步骤(ii)中，通过让电流在从所述导电层的多个条中选出的两个导电层之间流动，从而形成通孔。
全文摘要
一种太阳能电池，包括导电基板和在该导电基板上设置的绝缘层、导电层和半导体层。形成通孔以穿透该绝缘层和导电层，用构成所述半导体层的半导体填充通孔。从构成所述导电基板的元素中选出的至少一种元素扩散到用于填充通孔的半导体中。
文档编号H01L31/042GK1682378SQ0382156
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月11日
发明者根上卓之, 岛川伸一, 佐藤琢也, 林茂生 申请人:松下电器产业株式会社