專利名稱：太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施例的多個方面總體涉及太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能電池是將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的光電轉(zhuǎn)換裝置。例如，太陽能電池可分為使用硅作為光吸收層(或光電轉(zhuǎn)換層)的硅太陽能電池、使用諸如CIS(Cu、In、Se)、CIGS (Cu、In、Ga、Se)等的化合物的化合物半導(dǎo)體太陽能電池。Cu、In、Ga和Se分別是銅、銦、鎵和硒的化學(xué)縮寫。各種研究工作致力于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在該背景技術(shù)部分公開的上述信息僅為了加強對描述的技術(shù)的背景的理解，因此，上述信息可以含有不形成在該國家對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言已知的現(xiàn)有技術(shù)的信
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的多個方面總體涉及ー種太陽能電池，更具體地講，涉及一種提高了光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。本發(fā)明實施例的多個方面通過提供將更多的光能集中到太陽能電池內(nèi)的光吸收層中的結(jié)構(gòu)來提供ー種具有提高的光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，提供了一種太陽能電池。該太陽能電池包括基底以及順序?qū)盈B在基底上的反射電極層、光`吸收層和透明電極層。反射電極層包括:第一電極層，接觸基底；納米顆粒，位于第一電極層上；以及第二電極層，位于第一電極層上并覆蓋納米顆粒。第二電極層具有納米(nm)級的第一表面粗糙度。第一電極層可具有面向第二電極層的平坦表面。納米顆?？梢詷?gòu)成單個層，所述單個層具有將相鄰的納米顆粒分隔開的間隔。第二電極層的厚度可大于納米顆粒的半徑。納米顆?？删哂性?0nm至400nm范圍內(nèi)的尺寸。納米顆?？梢詷?gòu)成單個層，所述單個層具有將相鄰的納米顆粒分隔開的在IOOnm至800nm范圍內(nèi)的間_。納米顆粒的所述單個層和將相鄰的納米顆粒分隔開的所述間隔可以是利用旋涂方法的結(jié)果。納米顆?？砂◤挠山?Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和鑰(Mo)組成的組中選擇的至少ー種金屬納米顆粒。光吸收層可在面向反射電極層的ー個表面上具有第一表面粗糙度。光吸收層可包括從由CuInSe、CuInSe2、CuInGaSe> CuInGaSe2和CdTe組成的組中選擇的至少ー種化合物半導(dǎo)體。所述太陽能電池還可包括光吸收層和透明電極層之間的緩沖層。緩沖層可包括從由硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)和氧化銦(In2O3)組成的組中選擇的至少ー種材料。透明電極層可包括面向入射的太陽光的前表面。透明電極層的前表面可具有獨立于第一表面粗糙度的第二表面粗糙度。透明電極層可包括從由摻雜硼的氧化鋅(BZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In2O3)和氧化銦錫(ITO)組成的組中選擇的至少ー種材料。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，能夠通過使用納米顆粒來提高或最大化反射電極層的光散射效果。另外，能夠通過將更多的太陽光集中到光吸收層中來提高光利用率以提高光電轉(zhuǎn)換效率。此外，由于反射電極層有效地散射了具有長波長的光，所以能夠提高光吸收層的長波長吸收率。


圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的太陽能電池的示意性剖視圖。圖2是圖1中示出的太陽能電池的局部放大圖。圖3示出了入射光和由圖1中示出的太陽能電池中的反射電極層散射的光。圖4是曲線圖，該曲線圖示出在本發(fā)明示例性實施例的示例I至3及對比實施方式的對比示例I至3中CIGS(Cu、In、Ga、Se)光吸收層的吸收率相對于太陽光波長的變化的模擬結(jié)果。
具體實施例方式在下文中將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的全部情況下，可以以各種不同的方式修改描述的實施例。在本發(fā)明的示例性實施例(見例如圖1)中，太陽能電池可包括設(shè)置成具有面向入射的太陽光的前表面的透明電極層以及位于透明電極層的后表面的光吸收層和反射電極層。太陽光穿過透明電極層到達光吸收層。該太陽光中的一些太陽光進ー步穿過光吸收層到達反射電極層。然后，反射電極層反射穿過光吸收層的太陽光，以有助于使太陽光集中到光吸收層中。光吸收層利用來自太陽光的光能產(chǎn)生電子和空穴?？赏ㄟ^例如在透明電極層的前表面上形成減反射層，増大透明電極層的表面粗糙度等來進ー步増大集中到光吸收層中的太陽光的量。當(dāng)應(yīng)用這樣的技術(shù)時，能夠通過將更多的太陽光引導(dǎo)至光吸收層來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的太陽能電池100的示意性剖視圖，圖2是圖1中示出的太陽能電池100的局部放大圖，圖3示出了入射光和由圖1中示出的太陽能電池100中的反射電極層20散射的光。參照圖1至圖3，太陽能電池100包括基底10、反射電極層20、光吸收層30、緩沖層40和透明電極層50。太陽能電池100可為使用硅作為光吸收層30的硅太陽能電池，或者可為具有含有碲化鎘(CdTe)、CIS (Cu、In、Se)或CIGS (Cu、In、Ga、Se)的光吸收層30的化合物半導(dǎo)體太陽能電池。在下文中，描述含有CIS或CIGS的光吸收層30作為示例?；?0位于太陽能電池100的后面。即，基底10位于距離入射太陽光的表面(即，透明電極層50的前表面)最遠的地方。基底10可由各種材料形成，諸如玻璃基底、陶瓷基底、不銹鋼片、金屬基底或聚合物膜。反射電極層20位于基底10上。反射電極層20具有高的光反射率，并且由與基底10具有良好的粘附性的金屬形成。例如，反射電極層20可包括鑰(Mo)。鑰(Mo)具有高的導(dǎo)電率，與光吸收層30形成歐姆接觸或肖特基接觸，并在用于形成光吸收層30的高溫?zé)崽幚砉に囍袑崿F(xiàn)高穩(wěn)定性。反射電極層20包括:第一電極層21，接觸基底10 ;納米顆粒22，分散地位于第一電極層21上(例如，構(gòu)成單個層)；以及第ニ電極層23，位于第一電極層21上同時覆蓋納米顆粒22。第二電極層23通過納米顆粒22形成納米級的凹凸不平的結(jié)構(gòu)，以提高反射電極層20的光散射程度。納米(nm)級是從Inm至小于IOOOnm的范圍內(nèi)的尺寸。第一電極層21以恒定的厚度形成在基底10上，并形成朝向第二電極層23的平坦的表面。第一電極層21可保持與基底10的高粘附性。應(yīng)該指出的是，當(dāng)納米顆粒直接設(shè)置在基底上時，會降低基底和第一電極層之間的粘附性，因此，在用于形成光吸收層的高溫?zé)崽幚砉に囍校谝浑姌O層會從基底剝離。因此，圖1至圖3中的實施例的納米顆粒22設(shè)置在第一電極層21和第二電極層23之間，從而增大第一電極層21對基底10的粘附性，以防止第一電極層21的剝離。納米顆粒22對第二電極層23提供了納米級的凹凸不平的結(jié)構(gòu)。當(dāng)與實現(xiàn)為具有平坦表面的單層金屬膜的反射電極相比時，該做法増大了反射電極層20的表面上的光散射。太陽光在到達光吸收層30之前順序地穿過透明電極層50和緩沖層40。該太陽光中的一些太陽光還穿過光吸收層30，這部分太陽光被反射電極層20反射回光吸收層30。反射電極層20有效地散射具有I U m以上的長波長的光，因而提高了光吸收層30的長波長吸收率。反射電極層20還提供反射，從而使上述光向光吸收層30集中。納米顆粒22可具有50nm至400nm范圍內(nèi)的尺寸。當(dāng)納米顆粒22的尺寸小于50nm吋，降低了長波長散射效果，從而難以提高光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)納米顆粒22的尺寸超過400nm吋，提高了長波長散射效果，但是第二電極層23變得太厚，這樣會増大制造成本井延長エ藝時間。因此，在本發(fā)明的一個實施例中，納米顆粒22可具有200nm至300nm范圍內(nèi)的尺寸。納米顆粒22彼此分隔開而不彼此附著，并可以以彼此間規(guī)則的距離設(shè)置。在這種情況下，第二電極層23形成均勻的凸起和凹陷，以有效地散射入射到反射電極層20的太陽光。考慮到這種情況，納米顆粒22之間的距離(例如,相鄰的納米顆粒22之間的間隔)可在IOOnm至800nm的范圍內(nèi)。當(dāng)納米顆粒22之間的距離小于IOOnm時，納米顆粒22聚集在一起,并會在高溫?zé)崽幚砉に囘^程中剝離。當(dāng)納米顆粒22之間的距離超過800nm吋，納米顆粒22的密度太低，從而長波長散射效果會不明顯。因此，在本發(fā)明的一個實施例中，納米顆粒22之間的距離可在200nm至300nm的范圍內(nèi)。第二電極層23覆蓋全部的納米顆粒22，使得納米顆粒22不暴露于光吸收層30。可通過濺射來形成第二電極層23，因此，通過濺射形成的第二電極層23可具有不好的階梯覆蓋?？紤]到濺射特性，第二電極層23可以以大于納米顆粒22的半徑的厚度形成。例如，第二電極層23的厚度可在25nm至200nm的范圍內(nèi)。在圖2中，納米顆粒22的半徑用R表示，第二電極層23的厚度用t表示。當(dāng)符合該條件吋，納米顆粒22可被第二電極層23包圍而沒有向光吸收層30暴露的部分。因此，第二電極層23可獲得高的導(dǎo)電率。當(dāng)納米顆粒的一部分向光吸收層暴露時，或者當(dāng)納米顆粒設(shè)置在第二電極層上時，納米顆粒對CIS或CIGS晶體生長具有不利影響。繼而，這在用于形成光吸收層的高溫?zé)崽幚砉に囍挟a(chǎn)生特性劣化。然而，在圖1至圖3的實施例中，第二電極層23覆蓋所有的納米顆粒22。因此，納米顆粒22不暴露于光吸收層30，從而減少或防止光吸收層30的特性劣化?？衫玫统杀茎ㄋ?諸如旋涂)而無需単獨的圖案化工藝(諸如光刻)，在第一電極層21上分散地放置上述納米顆粒22。例如，可應(yīng)用這樣的方法，即，將分散液和納米顆粒均勻混合，將該混合物旋涂在第一電極層21上，然后通過干燥エ藝蒸發(fā)分散液。納米顆粒22可包括諸如金(Au)、銀(Ag)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、鑰(Mo)等的金屬納米顆粒。金屬納米顆粒引起反射電極層20的表面粗糙度，以提高光散射的程度并通過利用表面等離子體共振(SPR)來提高光吸收層30的吸收率。表面等離子體共振(SPR)指的是當(dāng)對金屬納米顆粒照射特定波長的光時，金屬納米顆粒的內(nèi)部電荷分布改變并且光強度被增強的現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象，可通過增強不能容易地被光吸收層30吸收的波長區(qū)域的光來提高太陽能電池100的效率。然而，表面等離子體共振(SPR)導(dǎo)致的光增強效果僅作用于金屬納米顆粒周圍。在圖1至圖3中的實施例的太陽能電池100中，納米顆粒22位于光吸收層30附近，且第二電極層23在納米顆粒22和光吸收層30之間具有納米級的厚度。因此，納米顆粒22增強了光吸收層30的與反射電極層20接觸的下部周圍的太陽光，從而提高了光利用效率。光吸收層(或光電轉(zhuǎn)換層)30位于上述的反射電極層20上方。光吸收層30利用穿過透明電極層50和緩沖層40的光能產(chǎn)生電子和空穴。光吸收層30可包括從由CuInSe、CuInSe2、CuInGaSe和CuInGaSe2組成的組中選擇的黃銅礦基化合物半導(dǎo)體中的任意ー種或多種。黃銅礦基化合物半導(dǎo)體具有大約1.2電子伏特m的能帶隙?？赏ㄟ^例如下面的方法來制備光吸收層30，即，(I)在反射電極層20上濺射銅(Cu)和銦(In)或者濺射銅(Cu)、銦(In)和鎵(Ga)以形成前驅(qū)物層；(2)在前驅(qū)物層上熱沉積硒(Se)和硫(S);以及(3)在550°C以上的高溫下執(zhí)行快速熱處理多于I分鐘的時間以生長 CIS (Cu、In、Se)晶體或 CIGS (Cu、In、Ga、Se)晶體。與硒一起熱沉積的硫的作用是防止在快速熱處理工藝中硒(Se)的蒸發(fā)。在這種情況下，通過增大光吸收層30的能帶隙，太陽能電池100的操作電壓可變得更高。光吸收層30形成在形成有表面粗糙度的反射電極層20上，使得表面粗糙度也變成光吸收層30的一部分。光吸收層30的表面粗糙度通過減少緩沖層40和光吸收層30之間發(fā)生的外部光反射，或者當(dāng)省略緩沖層40時通過減少透明電極層50和光吸收層30之間發(fā)生的外部光反射，來提高太陽能電池100的光利用效率。緩沖層40可位于光吸收層30上方。緩沖層40用來減小光吸收層30和透明電極層50之間的能帶隙的差。另外，緩沖層40減小光吸收層30和透明電極層50的晶格常數(shù)之間的差，以優(yōu)選地將兩層30和50結(jié)合。緩沖層40可包括硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)和氧化銦(In2O3)中的任意ー種或多種。硫化鎘(CdS)的能帶隙為大約2.4eV。緩沖層40還具有通過光吸收層30的表面粗糙度而形成的表面粗糙度，如圖1和圖3中所示。在其它實施例中，緩沖層40可被省略。透明電極層50位于緩沖層40上方，并包括面向緩沖層的后表面和面向入射的太陽光的前表面。透明電極層50可包括具有優(yōu)良的光透射率的摻雜硼的氧化鋅(BZ0)?？衫糜袡C金屬化學(xué)氣相沉積(金屬有機CVD，M0CVD)技術(shù)來生長BZ0。在這種情況下，使用的有機金屬源是低成本的，并且與濺射相比，可形成具有更好的階梯覆蓋的BZO透明電極層50。另ー方面，透明電極層50可由包括氧化鋅(ZnO)、氧化銦(In2O3)、氧化銦錫(ITO)等的其它金屬氧化物制成。氧化鋅(ZnO)具有大約3.37eV的能帶隙。這種透明電極層50具有高的導(dǎo)電率和高的光透射率。透明電極層50形成源自光吸收層30和緩沖層40的表面粗糙度的表面粗糙度。另夕卜，通過單獨的紋理化工藝，透明電極層50的前表面可形成更粗糙的表面(見例如，圖1和圖3中的透明電極層的前表面)。除了紋理化工藝之外或代替紋理化工藝，還可以在透明電極層50上形成減反射層。透明電極層50的表面粗糙度(包括通過單獨的紋理化工藝而形成的前表面的另外的粗糙度)和減反射層的形成減少了外部光反射，從而提高太陽光對光吸收層30的透射效率。圖1至圖3中的示例性實施例的太陽能電池100使用了納米顆粒22，以增大或最大化反射電極層20的光散射效果。因此，光吸收層30可收集更多的太陽光以提高光利用率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。另外，反射電極層20有效地散射具有長波長的光，以增大光吸收層30中長波長光的吸收率。太陽能電池100還可以使用CdTe作為光吸收層30。此外，除了上述的化合物半導(dǎo)體太陽能電池之外，太陽能電池100可被構(gòu)造為利用硅作為光吸收層30的硅太陽能電池。另外，太陽能電池100的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于所有已知的底層型(substrate-type)太陽能電池。太陽能電池可分為具有上層結(jié)構(gòu)(superstrate structure)或底層結(jié)構(gòu)(substrate structure)。上層結(jié)構(gòu)是太陽光穿過基底到達吸收層的結(jié)構(gòu),而底層結(jié)構(gòu)是太陽光穿過可作為基底上的最后ー層的透明電極層到達光吸收層的結(jié)構(gòu)。通常，具有底層結(jié)構(gòu)的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高于具有上層結(jié)構(gòu)的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。圖4是曲線圖，該曲線圖示出在本發(fā)明示例性實施例的示例I至3及對比實施方式的對比示例I至3中CIGS光吸收層的吸收率相對于太陽光波長的變化的模擬結(jié)果。參照圖4,示例I至3分別對應(yīng)于將由銀(Ag,示例I)、金(Au,示例2)和招(Al,示例3)制成的納米顆粒放置在第一電極層和第二電極層之間由此構(gòu)成反射電極層的情況。在示例I至3中，通過單獨的紋理化工藝，透明電極層在前表面上形成具有另外的粗糙度的表面。在示例I至3中，納米顆粒具有200nm的平均尺寸并以大約200nm的距離彼此間隔開放置。另ー方面，對比示例I至3對應(yīng)于反射電極層平坦地形成為單層金屬膜的情況。在對比示例I中，由鋁(Al)制成的納米顆粒設(shè)置在反射電極層上方。在對比示例2和3中，未使用納米顆粒。在對比示例2中，對透明電極層的前表面執(zhí)行單獨的紋理化工藝以増大表面粗糙度。在對比示例I和3中，沒有利用単獨的紋理化工藝形成透明電極層。參照圖4，可以確定的是，在Iiim至1.1iim的長波長區(qū)域內(nèi)，示例I至3的吸收率高于對比示例I至3的吸收率。因為由金屬納米顆粒引起的反射電極層的表面粗糙度而增大了長波長散射效果，所以獲得了該結(jié)果。盡管已經(jīng)結(jié)合目前被認為是實際的示例性實施例的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于公開的實施例，而是相反，本發(fā)明意圖覆蓋包括在權(quán)利要求及其等同物的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等同布置。一些標記的描述100:太陽能電池10:基底20:反射電極層21:第一電極層22:納米顆粒23:第二電極層 30:光吸收層40:緩沖層50:透明電極層。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池，所述太陽能電池包括: 基底；以及 反射電極層、光吸收層和透明電極層，順序?qū)盈B在基底上， 其中，反射電極層包括:第一電極層，接觸基底；納米顆粒，位于第一電極層上;以及第ニ電極層，位于第一電極層上并覆蓋納米顆粒，第二電極層具有納米級的第一表面粗糙度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中，第一電極層具有面向第二電極層的平坦表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能電池，其中，納米顆粒構(gòu)成單個層，所述單個層具有將相鄰的納米顆粒分隔開的間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能電池，其中，第二電極層的厚度大于納米顆粒的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中，納米顆粒具有在50nm至400nm范圍內(nèi)的尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能電池，其中，納米顆粒構(gòu)成單個層，所述單個層具有將相鄰的納米顆粒分_開的在IOOnm至800nm范圍內(nèi)的間_。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽能電池，其中，納米顆粒的所述單個層和將相鄰的納米顆粒分隔開的所述間隔是利用旋涂方法的結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能電池，其中，納米顆粒包括從由金、銀、鉬、鈀、鋁、銅、鎳、鋅、鐵和鑰組成的組中選擇的至少ー種金屬納米顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其中，光吸收層在面向反射電極層的ー個表面上具有第一表面粗糙度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池，其中，光吸收層包括從由CuInSe、CuInSe2、CuInGaSe> CuInGaSe2和CdTe組成的組中選擇的至少一種化合物半導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池，所述太陽能電池還包括光吸收層和透明電極層之間的緩沖層，其中，緩沖層包括從由硫化鎘、硫化鋅和氧化銦組成的組中選擇的至少ー種材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽能電池，其中，透明電極層包括面向入射的太陽光的前表面，透明電極層的前表面具有獨立于第一表面粗糙度的第二表面粗糙度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的太陽能電池，其中，透明電極層包括從由摻雜硼的氧化鋅、氧化鋅、氧化銦和氧化銦錫組成的組中選擇的至少ー種材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有提高的光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。該太陽能電池包括基底以及順序?qū)盈B在基底上的反射電極層、光吸收層和透明電極層。反射電極層包括第一電極層，接觸基底；納米顆粒，位于第一電極層上；以及第二電極層，位于第一電極層上并覆蓋納米顆粒。第二電極層具有納米(nm)級的第一表面粗糙度。
文檔編號H01L31/0224GK103094368SQ20121008901
公開日2013年5月8日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者樸重炫, 申明勛 申請人:三星Sdi株式會社