专利名称：Cigs太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种电池及其制造方法，且特别是有关于一种太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
太阳能为一种环保的再生性能源，可转换为其它形式的能量如热及电，且太阳能电池应用的范围非常广，大到发电系统，小到消费性电子产品，但以太阳能作为在经济上具有竞争力的再生性能源，仍受到太阳能电池将光能转换为电能时的低效率所阻碍，因此，有效地提高太阳能电池的产电效率，并降低太阳能电池的生产成本，已成为太阳能电池的发展目标。有关CIGS太阳能电池的先前技术如美国专利号码第7018858所揭露的Light absorbing layer producing method专利，该专利用一种沉积前驱物层的双靶式溅镀法沉积设备，采取一种双靶直立面对面设置进行共溅镀(co-sputter)的镀膜方式，但因该方式将基板设置于靶材下方，沉积过程若有污染颗粒产生，则容易发生该污染颗粒顺势沉降至基板的缺点。又如中国台湾专利号码第200917508号所揭露的光伏打接收器专利，该技术的缺点在于太阳能接收器及光入射点之间的焦距或点极大，故需大量空间及体积以安装此接收器，又，该制造方法在汇集阳光时所产生的热度，必须另外设置一冷却系统来维持低于一特定温度，否则所产生的热能将不利于太阳能电池的光转电效率。有鉴于此，得知CIGS太阳能电池仍未臻完善，本发明的目的是提供一高效率的 CIGS太阳能电池结构与制作方法。
发明内容
通常太阳能电池是由ρ型半导体层、本质半导体层(intrinsic semiconductorlayer)以及η型半导体层堆叠而成，且ρ型半导体层、本质半导体层以及η 型半导体层皆为非晶硅(amorphous silicon)材料。而以非晶硅为材料的半导体层往往存在着光吸收效果不佳的缺点，进而导致产电效率不佳，为改善此问题，常利用增加本质半导体层厚度的方式來增加光吸收效果，但同时也增加太阳能电池的整体厚度与生产成本。有鉴于此，本发明在不增加本质半导体层厚度与整体体积的条件之下，利用结构与形成方式上的研发，通过增加光吸收面积而提升光吸收量，也因此增加光电转换效率来提高产电效率，并可大幅降低生产成本而提高太阳光能的经济价值。缘以达成上述目的之一，本发明在提供一种太阳能电池结构，可使光电转换效率增加，该发明的主要结构包含玻璃基板、光吸收表面与光电转换结构。其中，该玻璃基板的至少一表面具有多个阵列式凹凸部，且该阵列式凹凸部的最顶端延伸至最底端的距离为一预定深度；该光吸收表面包含阵列式凹凸部最顶端所形成的表面、阵列式凹凸部最顶端延伸至最底端所形成的表面、以及阵列式凹凸部最底端基板除阵列式凹凸部所形成表面的集合；该光电转换结构由η型半导体层、ρ型半导体层与i型半导体层所组成。其中，该η型半导体层为一 CIGS类化合物且位于该光吸收表面的上方，该ρ型半导体层位于该η型半导体层的上方且为一氧化物，且该i型半导体层位于该η型半导体层与该ρ型半导体层间并为一氧化物，而该光电转换结构所形成的n-i-p结构则可促进各该层表面的接合效果，借以产生良好的界面接触，进一步减少界面孔洞的形成，因此增加量子效率，而能提高光电转换效率。再者，本发明的另一目的是在提供一种CIGS太阳能电池的制造方法，由在玻璃基板表面产生的阵列式凹凸部，该阵列式凹凸部的外形为几何图形柱体，例如圆柱体或多边形柱体等，借以增加整体光吸收表面面积而增加光吸收量，因此提高太阳能电池的产电效率。
又，本发明为一种CIGS太阳能电池的制造方法，该方法包含下列步骤提供一玻璃基板，涂布一预定形状的保护膜于该玻璃基板的预定位置处，并浸泡该玻璃基板于一蚀刻剂中，于一预定时间后取出该玻璃基板清洗且去除该保护膜，使该玻璃基板的预定位置处形成多个预定形状的阵列式凹凸部；其中，该些阵列式凹凸部的最顶端所形成表面、该凹凸部的最顶端延伸至最底端所形成表面、以及该凹凸部的最底端基板除阵列式凹凸部所形成表面的集合，即为该光吸收表面；再者，依序于该光吸收表面上沉积覆盖一下电极，于该下电极上沉积覆盖一中间层，于该中间层上沉积覆盖一光电转换结构，其中，该光电转换结构包含有η型半导体层、P型半导体层与i型半导体层；最后，于该光电转换结构上沉积覆盖一上电极，并于该上电极上形成一导线，以及于该导线上沉积覆盖一抗反射层。综上所述，本发明于结构与形成方式上的改变，可以增加太阳能电池的光吸收量、 光电转换效率与其产电效率。
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下图IA是绘示本发明一较佳实施例的一种CIGS太阳能电池的剖面示意图；图IB是绘示图IA的CIGS太阳能电池中，局部剖面示意图；图2A是绘示图IA的CIGS太阳能电池中，玻璃基板的俯视图；。图2B是绘示图2A的玻璃基板的侧视图；图3为本发明CIGS太阳能电池的另一实施方式，是同于图IA中所标示范围M的剖面结构示意图；图4为绘示本发明又一实施方式依照的一种CIGS太阳能电池，同于图IA中所标示范围M的剖面结构示意图；图5为一种CIGS太阳能电池制造方法的流程示意图；图6是绘示图5的CIGS太阳能电池制造方法中，形成阵列式凹凸部的流程示意图；图7是绘示上述实施例的电性测量结果图。主要组件符号说明100 :CIGS太阳能电池 110 玻璃基板
112:阵列式凹凸部120:光吸收表面122 表面124 侧面126:表面130:光电转换结构132 :n型半导体层134 :p型半导体层
136 :i型半导体层200 =CIGS太阳能电池210 玻璃基板220 光吸收表面230:下电极240:中间层242:钠化合物层250:光电转换结构260:上电极270 导线280 抗反射层300 太阳能电池制造方法310-380 步骤400 流程410 玻璃基板420 保护膜430:阵列式凹凸部432:最顶端表面434 侧面436 最底端表面440 光吸收表面d 宽度h 预定深度M 范围w 预定间距
具体实施例方式为能更清楚地説明本发明的CIGS太阳能电池结构，兹举较佳实施例并配合附图详细説明如后。请参照图1A、1B、2A与2B，为本发明的一较佳实施例，其分别绘示本发明CIGS太阳能电池的剖面示意图、局部剖面示意图、本发明的玻璃基板俯视图与图2A玻璃基板的侧视图。其中该CIGS太阳能电池100包含玻璃基板110、光吸收表面120与光电转换结构130。 该玻璃基板110的至少一表面包含多个阵列式凹凸部112，各该阵列式凹凸部112的最顶端延伸至最底端的距离为一预定深度h，在本实施例中，该预定深度h为1厘米以上，其中又以 2厘米为最佳；又各该阵列式凹凸部之间具有相同的预定间w与宽度d，其中间距以0. 625 厘米为最佳；且各该阵列式凹凸部的外形为圆柱体的相同几何图案柱体，换言之，每一个阵列式凹凸部112的外型与大小皆相同，且均布于该玻璃基板110的表面。另外，该光吸收表面120包含各该阵列式凹凸部最顶端所形成表面122、各该阵列式凹凸部112最顶端延伸至最底端所形成表面124，以及各该阵列式凹凸部112最底端基板除凹凸部112所形成表面126的集合。综上所述，本发明的太阳能电池可通过该阵列式凹凸部112的形成而增加该玻璃基板的光吸收表面的表面积。其中光电转换结构130由η型半导体层132、ρ型半导体层134与i型半导体层 136所组成。该η型半导体层132位于光吸收表面120上方，且该η型半导体层132为一 CIGS类化合物，该CIGS类化合物的化学式为Sn Cu (In1^xGax) Se2,在本实施例中，该化学式χ 值为0. 18 0. 3 ；又，该CIGS类化合物包含第一前驱化合物与第二前驱化合物；其中该第一前驱化合物包含铜(Cu)、镓(Ga)与硒(Se)等元素，例如铜镓硒合金，且该第二前驱化合物包含铟(In)与硒(Se)等元素，例如铟硒合金。再者，该光电转换结构130的该ρ型半导体层134位于该η型半导体层132的上方，且该P型半导体层134为一氧化物，例如含铜与铝的氧化物；又该光电转换结构130的该i型半导体层136则位于η型半导体层132与ρ型半导体层134间，且为一氧化物。
在本实施例中，该CIGS类化合物的厚度为1500 2500纳米，能阶为1. 17eV，该 i型半导体层为氧化亚铜(Cu2O)，其能阶为2. leV，其厚度为5 50纳米，该ρ型半导体层 134为氧化铜铝(CuAlO2)，其厚度为30 120纳米，其能阶为3. 5eV，使得太阳能所产生的不同波长可依其波长高低各自被η半导体层、i半导体层、P半导体层所吸收。由于该ρ型半导体层134与该η型半导体层132的能阶差异大，因此，利用i型半导体层136的氧化物使得ρ型半导体层134与η型半导体层132具有较好的接合界面，并在界面上有较低的载子复合机率产生，进而提高量子效率。上述实施方式是通过在玻璃基板上设置阵列式凹凸部，在不增加CIGS太阳能电池的整体体积下，达到增加光吸收表面积的目的。(表一)是列出比较例与多个实施例，与其各自所增加的总表面积比例，在该表列出当玻璃基板尺寸为100平方厘米时，在具有不同的阵列式凹凸部的数目、宽度以及两两阵列式凹凸部间的间距条件下，所产生的总表面积与总表面积增加比例的计算结果；据此得知，在相同尺寸的玻璃基板上，随着阵列式凹凸部的数目增加、宽度减少、以及排列越密集，则所增加的总表面积越多，亦即表示这种实施方式可增加CIGS太阳能电池的光吸收表面积。(表一)
权利要求
1.一种CIGS太阳能电池，其特征在于，包含一玻璃基板，该玻璃基板的至少一表面包含多个阵列式凹凸部，该些阵列式凹凸部的最顶端延伸至最底端的距离为一预定深度；一光吸收表面，包含该些阵列式凹凸部最顶端形成表面、该些阵列式凹凸部由最顶端延伸至最底端所形成表面与该些阵列式凹凸部最底端基板除阵列式凹凸部所形成表面的集合；以及一光电转换结构，该光电转换结构由下列各层所组成一 η型半导体层，位于该光吸收表面上方，且η型半导体层为一 CIGS类化合物； 一 P型半导体层，位于该η型半导体层上方，且该ρ型半导体层为一氧化物；以及一 i型半导体层，位于该η型半导体层与该ρ型半导体层间，且该i型半导体层为一氧化物。
2.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含 一下电极，位于该玻璃基板与该光电转换结构之间，且该下电极为一金属。
3.根据权利要求2所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该金属选自钛、钼、钽或由上述任意合金所组成的组合。
4.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含一下电极，位该玻璃基板与该光电转换结构之间，且该下电极为一非金属氧化物；以及一钠化合物层，位于该下电极与该光电转换结构之间。
5.根据权利要求4所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含 一上电极，位于该下电极上方。
6.根据权利要求5所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含 一中间层，位于该光电转换结构与该下电极之间。
7.根据权利要求6所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该中间层材质为锡、碲或铅。
8.根据权利要求5所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含 一导线，位于该上电极的上方。
9.根据权利要求8所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，还包含 一抗反射层，位于该导线的上方。
10.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该预定深度为1厘米以上。
11.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该CIGS类化合物包含一第一前驱化合物与一第二前驱化合物。
12.根据权利要求11所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该第一前驱化合物包含铜、镓与硒。
13.根据权利要求11所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该第二前驱化合物包含铟与硒。
14.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该CIGS类化合物的化学式为 Sn = Cu(Inhfeix) ^i2，其中 χ 值为 0. 18-0. 3。
15.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该ρ型半导体层包含铜与铝的氧化物。
16.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该些阵列式凹凸部具有相同的一预定间距。
17.根据权利要求16所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该预定间距为0.625厘米。
18.根据权利要求1所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该些阵列式凹凸部的外形为几何图形柱体。
19.根据权利要求18所述的CIGS太阳能电池，其特征在于，该些阵列式凹凸部的外形为圆形柱体。
20.一种CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，包含 提供一玻璃基板；形成多个阵列式凹凸部于该玻璃基板的至少一表面，其中，该些阵列式凹凸部最顶端形成表面、由最顶端延伸至最底端所形成表面与最底端基板除阵列式凹凸部所形成表面的集合为一光吸收表面；沉积覆盖一下电极于该光吸收表面上； 沉积覆盖一中间层于该下电极上；沉积覆盖一光电转换结构于该中间层上，该光电转换结构包含一η型半导体层、一ρ型半导体层与一 i型半导体层；沉积覆盖一上电极于该光电转换结构上； 形成一导线于该上电极上；以及沉积覆盖一抗反射层于该导线上。
21.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该些阵列式凹凸部的形成步骤包含涂布一保护膜于该玻璃基板的一预定位置处；浸泡该玻璃基板于一蚀刻剂中，于一预定时间后取出并清洗；以及去除该保护膜。
22.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该些阵列式凹凸部的最顶端延伸至最底端方向的距离为1厘米以上。
23.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该下电极为一^^ I^l ο
24.根据权利要求23所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该金属选自钛、 钼、钽或其上述任意合金。
25.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该下电极为一非金属氧化物；以及还形成一钠化合物层于该下电极与该光电转换结构之间。
26.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该中间层为锡、 碲或铅。
27.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该η型半导体层是在VIA族元素的气氛下，将一第一前驱物膜以及一第二前驱物膜经热处理方式后形成。
28.根据权利要求27所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第一前驱物膜包含铜、镓与硒。
29.根据权利要求27所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第二前驱物膜包含铟与硒。
30.根据权利要求27所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，形成该第一与该第二前驱物膜的方法选自电镀、无电电镀、原子层沉积、化学气相沉积、金属-有机化学气相沉积或物理气相沉积。
31.根据权利要求27所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该热处理步骤包含活化一激发源以将VIA族元素的蒸气活性化，活化激发源的方式为电子束、离子束、等离子共振装置或热裂解。
32.根据权利要求27所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该热处理的温度为 380 0C -600 0C ο
33.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该η型半导体层包含 SniCu(In1^xGax)Se2, χ 为 0. 18-0. 3。
34.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该ρ型半导体层包含铜与铝的氧化物。
35.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该些阵列式凹凸部间具有相同的一预定间距。
36.根据权利要求20所述的CIGS太阳能电池的制造方法，其特征在于，该些阵列式凹凸部的外形为几何图形柱体。
全文摘要
本发明揭露一种CIGS太阳能电池及其制造方法，包含玻璃基板、光吸收表面与光电转换结构。该玻璃基板的至少一表面具有多个阵列式凹凸部；该光吸收表面包含该阵列式凹凸部最顶端表面、该阵列式凹凸部最顶端延伸至最底端的表面与该阵列式凹凸部最底端基板除阵列式凹凸部的表面的集合；该光电转换结构由CIGS化合物的n型半导体层、p型半导体层与位于n型半导体层与p型半导体层间的i型半导体层所组成。本发明通过增加光吸收面积而提升光吸收量，并结合n-i-p结构的设计来增加其光电转换效率，故能降低生产成本并提高太阳能的经济价值。
文档编号H01L31/0236GK102315294SQ20101022192
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者李延炜 申请人:冠晶光电股份有限公司