专利名称：光电装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及光电装置及其制造方法。
背景技术：
近年来，由于CO2的过度排放所导致的气候变暖和高油价，在未来能源逐渐变 成左右人来生存的最重要的问题。虽然存在风力、生物燃料、氢燃料电池等很多新的可 再生能源技术，但是作为所有能源基础的太阳能是无限的清洁能源，因此利用太阳光的 光电装置备受瞩目。入射到地球表面的太阳光相当于120,000TW，因此，在理论上由光电转换效率 (conversion efficiency)为10%的光电装置，只要覆盖地球陆地面积的0.16%，可以产生两 倍于全球一年消耗能源的20TW电力。实际上，在过去的十年，全球的太阳光市场每年以40%的速度高速增长。目 前，光电装置市场的90%由单晶硅(single-crystalline)或者多晶硅(multi-crystalline or poly-crystalline)等块(bulk)型硅光电装置占有。但是，由于作为主要原料的太阳能级硅 片(Solar-grade silicon wafer)的生产满足不了爆发性的需求，因此在全球范围内发生现象 成为降低生产成本的一大障碍。与此相反，使用氢化非晶硅(a_Si:H)受光层的薄膜(thin-film)硅光电装置，相 对于块型硅光电装置，其厚度可以减少至百分之一以下，因此可以大面积低价生产。另一方面，由于单一接合(Single-junction)薄膜硅光电装置具有性能极限，因此 开发多个单元电池层压的双重接合薄膜硅光电装置或者三重接合薄膜硅光电装置，以达 到高稳定效率(Stabilized efficiency)。双重接合或者三重接合薄膜硅光电装置被称之为串联光电装置。上述串联光电 装置的开路电压为各单元电池的电压之和，短路电流由各单元电池短路电流中的最小值 来决定。以串联光电装置的情况，将针对通过强化单元电池之间的内反射来提高效率的 中间反射膜进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供能够提高效率的串联结构的光电装置。本发明所要达到的技术课题，不局限于上述的技术课题，本发明所属技术领域 的具有一般知识的人可以根据下面的叙述能够清楚地理解其它的技术课题。本发明的光电装置的制造方法，包括下述步骤基板上形成第一电极；在所述 第一电极上形成将光能转换成电能的第一单元电池；在所述第一单元电池上形成排列有 金属纳米粒子的中间反射膜；以及在所述中间反射膜上形成将光能转换成电能的第二单 元电池。本发明的光电装置，包括第一电极，位于基板上；第一单元电池，位于所述第一电极，且将光能转换成电能；中间反射膜，位于所述第一单元电池上，且排列有金 属纳米粒子；第二单元电池，位于所述中间反射膜上，且将光能转换成电能。本发明中，包括含有金属纳米粒子的中间反射膜，因此可以提高光电装置的效率。
图Ia至图Ih为根据本发明实施例的光电装置的制造方法图。
具体实施例方式下面结合附图，详细说明根据本发明实施例的光电装置及其制造方法。光电装置可以具有双重接合和三重接合等结构，在图1中以具有双重接合结构 的光电装置为示例进行说明。图Ia至图Ih表示根据本发明实施例的光电装置的制造方法。如图Ia所示，先准备基板100。基板100可以为绝缘透明基板或者绝缘不透明 基板。绝缘透明基板可包括在p-i-n型光电装置中，绝缘不透明基板可包括在n-i-p型光 电装置。关于p-i-n型光电装置和n-i-p型光电装置，以后进行详细说明。如图Ib所示，在基板100上形成第一电极210。本发明的实施例中，第一电极 210可以通过化学气相沉积(CVD，Chemical VaporDeposition)法形成，并且可以由二氧 化锡(SnO2)或者氧化锌(ZnO)等透明导电氧化物(TCOTransparent Conductive Oxide)来 构成。当其为n-i-p型光电装置时，第一电极210可以包括不透明导电物质。如图Ic所示，激光照射在第一电极210侧或基板100侧，使得第一电极210被 划线(scribe)。由此在第一电极210上形成第一分离槽220。S卩，第一分离槽220将贯 通第一电极210，因此能够防止相邻的第一电极210之间发生短路。如图Id所示，第一单元电池230通过CVD法被层压在第一电极210上。此 时，第一单元电池230将光能转换成电能，并包括ρ型半导体层、纯半导体层和η型半导 体层。为了形成ρ型半导体层，如果包括硅元素的单硅烷(SiH4)等原料气体和包括乙硼 烷(B2H6)等三族元素的掺杂气体被混入到反应腔室内，则ρ型半导体层通过CVD法被层 压。包括硅元素的原料气体流入到反应腔室后通过CVD法而形成纯半导体层。如果包 括磷化氢(PH3)等五族元素的掺杂气体和包括硅元素的原料气体被混入到反应腔室，则η 型半导体层通过CVD法来形成。根据各层的形成顺序，可以形成在第一电极210上依次层压ρ型半导体层、纯 半导体层、η型半导体层的p-i-n型单元电池和在第一电极上210上依次层压η型半导体 层、纯半导体层、ρ型半导体层的n-i-p型单元电池。如图Ie所示，在第一单元电池210上排列能够进行光反射的金属纳米粒子。金 属纳米粒子在光入射时产生表面等离子体共振(surface plasmon resonance)现象，因此能
够强化光的强度。通过金属纳米粒子240产生表面等离子体共振现象，从而使光电装置 的效率增加，关于光电装置效率增加的原因以后进行详细说明。金属纳米粒子的排列可通过化学气象沉积法、溅射法等的真空沉积法或者喷 雾法、表面涂层法等的常温排列法来形成。由此形成含有金属纳米粒子的中间反射膜250a。在喷雾法中，使混合有金属纳米粒子的甲醇、乙醇、异丙基和酒精等挥发性溶液 通过喷雾器来喷出以实现金属纳米粒子的排列。金属纳米粒子可按照如图Ie的方式进行排列，但如图1所示，通过使金属纳米 粒子240嵌入于金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金内的方式，可形成包括金属纳 米粒子240和金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金的中间反射膜250b。如图If所 示的中间反射膜250b也可以通过下述方式来形成使金属纳米粒子排列在第一单元电池 上，然后通过真空沉积使金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金按照覆盖金属纳米粒 子的方式来形成。另外，中间反射膜250b还可以通过下述方式来形成通过真空沉积在第一单元 电池230上形成金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金，在金属氧化膜、氧化膜、氮 化膜或者碳合金上排列金属纳米粒子后，通过真空沉积使另外的金属氧化膜、氧化膜、 氮化膜或者碳合金按照覆盖金属纳米粒子的方式形成。由此，金属纳米粒子能够稳定地 排列在金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金内。金属纳米粒子可以包括金、银、铝、钼、铜、镍、铬、锌、钛、锡其中的至少 一种。另外，金属纳米粒子可以包括氧化锌、铟锡氧化物(ITO，Indium Tin Oxide)、铟 氧化锌(IZO, Indium Zinc Oxide)、二氧化锡(SnO2,)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)
等金属氧化物。如图Ig所示，将光能转换成电能的第二单元电池260形成在中间反射膜250a， 250b上。第二单元电池260包括ρ型半导体层、纯半导体层和η型半导体层，并根据各层 的形成顺序，可以为在中间反射膜250a，250b上依次层压ρ型半导体层、纯半导体层、η 型半导体层的p-i-n型单元电池，还可以为η型半导体层、纯半导体层、ρ型半导体层依 次层压的n-i-p型单元电池。如图If所示，形成中间反射膜250b时，与中间反射膜250b相接触的p-i-n型第 二单元电池260的ρ型半导体层或者n-i-p型第二单元电池260的η型半导体层的均勻性 有可能比图Ie所示的、形成在中间反射膜250a的第二单元电池260的ρ型半导体层或者 η型半导体层优异。此时，中间反射膜250b的折射率可以为1.7至2.2。如果中间反射膜250b的折射 率为1.7以上，则导电率(conductivity)会变大，而使多重接合光电装置的填充因子(FF， Fill Factor)增加，由此使效率得到提高。如果中间反射膜250b的折射率为2.2以下，则 可以充分反射波长为500nm至700nm之间的光，使离光入射一侧近的单元电池，即，使 光先入射的单元电池的短路电流增加，由此使效率得到提高。如图Ih所示，在第二单元电池260上形成第二电极270。如上所述，根据本发明实施例的中间反射膜250a，250b的金属纳米粒子，可以 通过表面等离子体共振现象来强化光的强度。即，通过金属纳米粒子的表面等离子体， 波长SOOrnn以上的长波长区域光在金属纳米粒子周边通过电磁场的强化而被放大。在具有串联结构的光电装置中，短波长区域的光主要被离光入射侧较近的单元 电池吸收，长波长区域的光主要被离光入射侧较远的单元电池吸收。因此，由于金属纳 米粒子强化长波长区域的光，所以即使离光入射侧较远的单元电池的纯半导体层不厚， 也可以增加电流的产生。
本发明的实施例中，光电装置为p-i-n型光电装置时，离光入射侧较近的单元电 池是第一单元电池230，离光入射侧较远的单元电池是第二单元电池260。另外，本发 明的实施例中，光电装置为n-i-p型光电装置时，光先入射的单元电池是第二单元电池 260，光最后入射的单元电池是第一单元电池230。另外，金属纳米粒子将入射的部分光反射到光先入射的单元电池上，因此能够 增加光先入射的单元电池的电流产生。用来产生表面等离子体共振现象的金属纳米粒子的大小，S卩，其直径可以为 5nm至lOOnm。另外，为了强化波长为SOOrnn以上的长波长区域的光强度，金属纳米粒 子的直径可以为20nm至60nm。根据本发明实施例的中间反射膜250b可以包括如上所述的、嵌入有金属纳米粒 子的金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金。由于金属纳米粒子分散在氧化膜、氮化 膜或者碳合金，因此电流难以通过纳米粒子来产生，由此能够防止通过中间反射膜250b 发生的电流泄漏。另一方面，为了提高第一单元电池230和第二单元电池260之间的垂直导电率， 可以将磷化氢等η型杂质或者硼等ρ型杂质掺杂在中间反射膜250b的金属氧化膜、氧化 膜、氮化膜或者碳合金中。中间反射膜250b的宽度(w)比中间反射膜250b的厚度(t) 大很多。因此，掺杂η型杂质或者ρ型杂质时垂直导电率上升，但水平导电率不会大到 通过中间反射膜250b产生电流泄漏的程度。因此，中间反射膜250b，可以包括氢化η型氧化硅(n_SiO:H)、氢化η型碳化硅 (n-SiC:H)或者氢化η型氮化硅(n_SiN:H)，可以包括垂直导电率比非晶质优异的氢化η 型纳米晶氧化硅(n-nc-SiO:H)、氢化η型纳米晶碳化硅(n-nC_SiC:H)或者氢化η型纳米 晶氮化硅(n-nc_SiN:H)。中间反射膜250b的厚度可以为30nm至2000nm。为了使光先入射的单元电池 和中间反射膜250b的折射率匹配，中间反射膜250b的厚度可以为30nm以上。另外， 如果中间反射膜250b的厚度为2000nm以下，则防止因中间反射膜250b而导致的光被过 度吸收的现象。如果中间反射膜250b的厚度为50nm至IOOnm时，折射率的匹配更加圆 满，并防止光的过度吸收。金属纳米粒子的平面填充率可以为0.1%至10%。平面填充率是指，中间反射膜 250b单位面积内金属纳米粒子所占的面积之比。为了产生表面等离子体共振现象，金属 纳米粒子的平面填充率可以为0.1%以上，且为了防止由金属纳米粒子反射或者吸收的光 的量过度增加，金属纳米粒子的平面填充率可以为10%以下。如果金属纳米粒子的平面 填充因子为0.2%至0.5%时，表面等离子体共振现象会产生得更加充分。另一方面，根据本发明实施例的光电装置，包括多个单元电池的串联结构中， 为了提高效率还包括中间反射膜250a，250b,且多个单元电池的电流与中间反射膜 250a, 250b—起被调节，因此可以提供更高的效率。一般情况下，在包括于串联结构的光电装置的多个单元电池之间的电流匹配 (matching)设计中，光电装置的工作温度起重要的作用。例如，安装在高温地区或者强紫外线地区的光电装置，设计时使光电装置的短 路电流，根据上述光电装置的单元电池中离光入射一侧最近的单元电池的短路电流决定。以光电装置的短路电流根据最先光入射的单元电池的短路电流来决定的情况，因为 光电装置的温度系数(temperature coefficient:温度上升1°C时，光电装置的效率降低比 率)小，因此即使光电装置的温度上升，其效率的降低也比较小。相反，安装在低温地区或者弱紫外线地区的光电装置，设计时使光电装置的短 路电流，根据上述光电装置的单元电池中离光入射方向一侧最远的单元电池的短路电流 决定。以光电装置的短路电流根据离光入射一侧最远的单元电池的短路电流来决定的情 况，虽然光电装置的温度系数(temperature coefficient:温度上升1°C时，光电装置的效率 降低比率)高但劣化率小。以安装在低温地区的光电装置的情况，因为受温度系数的影 响相对较小，因此，设计时使光电装置的短路电流根据由离光入射一侧最远的单元电池 的短路电流来决定。如此设计的光电装置的额定输出(效率)在标准测试条件(STC ； Standard Test Conditions)下，在室内测定。标准测试条件包含下列条件。AM1.5 (AIR MASS 1.5)日照强度lOOOW.m2光电装置温度25°C但是，在室外安装光电装置时，如果光电装置的温度超过25°C，则因受光电 装置温度系数的影响，光电装置的效率小于在标准测试条件下测定的光电装置的额定效率。S卩，光电装置工作时，吸收的光能大部分转换成热能，因此光电装置的实际工 作温度与标准测试条件下的光电装置温度25°C相比容易升高。因此受光电装置温度系数 的影响，光电装置的效率小于在标准测试条件下测定的光电装置的额定效率。由于存在上述的问题，如果不考虑光电装置在外部环境中实际工作温度、而是 将标准测试条件下的光电装置温度25°C作为基准设计串联光电装置的电流匹配，则有可 能得不到所需的光电装置的效率。因此，根据本发明实施例的光电装置的电流匹配设计，由与光电装置实际安装 条件类似的标准参考环境(Standard Reference Environment)下所得到的太阳能电池额定工 作温度所形成。标准参考环境包括下列条件。光电装置倾角(tilt angle)与水平线形成45°角总日照强度(totalirradiance) 800W · ηΤ2周围温度(circumstance temperature) 20 "C风速(wind speed) Im ·电负荷(electric load)无(开放状态)太阳能电池额定工作温度是指，安装在开放性旋盘状机架(open rack)上的光电 装置在标准参考环境下工作时的温度。光电装置被用于多样的实际环境中，因此，在根 据与光电装置实际安装条件类似的标准参考环境下所测定的太阳能额定工作温度设计串 联光电装置的电流匹配下，能够制造适用于安装环境的光电装置。如果通过调节第一单 元电池230或者第二单元电池260的i型光电转换层的厚度和光学能隙，以使第一单元电 池230或者第二单元电池260中光入射的单元电池和另外一个单元电池的短路电流得到调 节，则可以提高光电装置的效率。
如上述理由，本发明的实施例中，如果光电装置的太阳能电池额定工作温度为 35°C以上，第一单元电池230和第二单元电池260中，可以设定离光入射一侧近的单元电 池的i型光电转换层的厚度和光学能隙，以使离光入射一侧近的单元电池的短路电流与另 外一个单元电池的短路电流相比小或者相同。因此，根据本发明实施例的光电装置的全 部短路电流由离光入射一侧近的单元电池的短路电流来决定。如此地，光入射的单元电池的短路电流比另外一个单元电池的短路电流小或者 相同时，温度系数变小，因此，即使升高光电装置的实际温度，由效率降低而引起的发 电性能的降低也会变小。例如，按照光入射的单元电池的短路电流比另外一个单元电池 的短路电流小或者相同的方式进行设置的光电装置被安装在包括短波长强蓝色光的紫外 线地区或者高温地区时，由于温度系数变小，因此即使升高光电装置的实际温度，由效 率降低引起的发电性能的降低也会变小。相反，太阳能电池额定工作温度低于35°C时，第一单元电池230或者第二单元 电池260中，为了使除光入射的一个单元电池以外的另一个单元电池的短路电流比光入 射的单元电池的短路电流小或者相同，可以设定另一个单元电池的i型光电转换层的厚度 和光学能隙。即，太阳能电池额定工作温度低于35°C时，第一单元电池230或者第二单 元电池260中，为了使光入射的单元电池的短路电流比另一个单元电池的短路电流大或 者相同，可以设定另一个单元电池的i型光电转换层的厚度和光学能隙。由此，根据本发明实施例的光电装置的全部短路电流，由第一单元电池和第二 单元电池中离光入射一侧远的单元电池的短路电流来决定。这种情况下，虽然光电装置 的温度系数高而劣化率却降低。光电装置的实际工作温度相对低，因此，与由温度系数 引起的发电性能的降低相比，由劣化率减少引起的发电性能的改善更加可行。特别是， 因为填充因子(Fill Factor)的劣化较小，因此，周围温度小于标准测试条件(STC) 25°C的 环境下，室外的发电性能更突出。如本发明的实施例，根据太阳能电池额定工作温度设计电流匹配的光电装置的 短路电流，可以在标准参考环境下测定。i型光电转换层的厚度越大且光学能隙越小，单元电池的短路电流就越大，因 此，通过设定i型光电转换层的厚度和光学能隙来调节短路电流。本发明的实施例中，记载了光从基板100上形成的第一单元电池230向第二单元 电池260方向入射的p-i-n型光电装置，但本发明可以同样适用于，从基板100的对面， 即光从第二单元电池260向第一单元电池230方向入射的n-i-p型光电装置。S卩，n-i-p型光电装置，从位于基板100对测面的第二单元电池260 —侧，艮口， 光从第二单元电池260朝向第一单元电池230 —侧入射，且在第一电极210上形成有依次 层压n型半导体层、纯半导体层、ρ型半导体层的第一单元电池210。中间反射膜250a， 250b形成在第一单元电池210上。另外，依次层压η型半导体层、纯半导体层、ρ型半 导体层的第二单元电池260形成在中间反射膜250a、250b上。第二电极270形成在第二 单元电池260上。如上所述，参照附图对本发明的实施例进行了说明。，本领域的技术人员应该 可以理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的条件下可以采用其它具体实施方式
。 因此，上述的实施例只是举例而已，本发明并不只局限于上述实施例。本发明的范围通过后述的权利要求来体现，权利要求的意义及范围还有从等同概念出发的所有变更或者 变更的方式应解释为包含在本发明的范围。
权利要求
1.一种光电装置的制造方法，该制造方法包括以下步骤 在基板上形成第一电极；在所述第一电极上形成将光能转换成电能的第一单元电池； 在所述第一单元电池上形成排列有金属纳米粒子的中间反射膜；以及 在所述中间反射膜上形成将光能转换成电能的第二单元电池。
2.根据权利要求1所述的光电装置的制造方法，其特征在于所述第一单元电池和 第二单元电池包括ρ型半导体层、纯半导体层、η型半导体层。
3.根据权利要求1所述的光电装置的制造方法，其特征在于所述金属纳米粒子的 排列是通过真空沉积法或常温排列法来形成。
4.根据权利要求1所述的光电装置的制造方法，其特征在于 形成排列有所述金属纳米粒子的中间反射膜的步骤包括下述步骤 在所述第一单元电池上形成金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金； 在所述金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金上排列所述金属纳米粒子；且使另外的金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金按照能够覆盖所述纳米粒子的方 式形成。
5.根据权利要求1所述的光电装置的制造方法，其特征在于 形成排列有所述金属纳米粒子的中间反射膜的步骤包括下述步骤 在所述第一单元电池上排列所述金属纳米粒子；使金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金按照能够覆盖所述纳米粒子的方式形成。
6.根据权利要求1、4、5中任一项所述的光电装置的制造方法，其特征在于还包 括在所述中间反射膜上掺杂杂质的步骤。
7.—种光电装置，其包括 第一电极，位于基板上；第一单元电池，位于所述第一电极，且将光能转换成电能； 中间反射膜，位于所述第一单元电池上，且排列有金属纳米粒子； 第二单元电池，位于所述中间反射膜上，且将光能转换成电能。
8.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述第一单元电池和所述第二单 元电池包括ρ型半导体层、纯半导体层、η型半导体层。
9.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述中间反射膜包括嵌入有所述 金属纳米粒子的金属氧化膜、氧化膜、氮化膜或者碳合金。
10.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述金属纳米粒子包括金、银、 铝、钼、铜、镍、铬、锌、钛、锡其中的至少一种。
11.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述金属纳米粒子包括金属氧化物。
12.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于在500nm至700nm的波长内，所 述中间反射膜的折射率为1.7至2.2。
13.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述金属纳米粒子的直径为5nm 至 IOOnm。
14.根据权利要求7或者8所述的光电装置，其特征在于在所述中间反射膜内掺杂 有杂质。
15.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述中间反射膜包括氢化η型氧 化硅、氢化η型碳化硅或者氢化η型氮化硅。
16.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述中间反射膜包括氢化η型纳 米晶氧化硅、氢化η型纳米晶碳化硅或者氢化η型纳米晶氮化硅。
17.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述中间反射膜的厚度为30nm 至 2000nm。
18.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述金属纳米粒子的平面填充率 为 0.1%至 10%。
19.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述光电装置的太阳能电池额定 工作温度为35°C以上时，所述第一单元电池和所述第二单元电池中，离光入射一侧近的 单元电池的短路电流比另一个单元电池的短路电流小或者相同。
20.根据权利要求7所述的光电装置，其特征在于所述光电装置的太阳能电池额定 工作温度低于35°C时，所述第一单元电池和所述第二单元电池中，离光入射一侧近的单 元电池的短路电流比另一个单元电池的短路电流大或者相同。
全文摘要
本发明提供光电装置及其制造方法，该制造方法包括下述步骤在基板上形成第一电极；在所述第一电极上形成将光能转换成电能的第一单元电池；在所述第一单元电池上形成排列有金属纳米粒子的中间反射膜；以及在所述中间反射膜上形成将光能转换成电能的第二单元电池。
文档编号H01L31/18GK102013447SQ20101027164
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月4日
发明者明承烨 申请人:韩国铁钢株式会社