專利名稱:涂覆基材的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明關(guān)于薄膜涂層領(lǐng)域。特定言之,本發(fā)明關(guān)于在基材上涂覆氧化鋅膜,其特別用于制造太陽(yáng)能電池及/或太陽(yáng)能面板的目的。
背景技術(shù):
光伏打裝置(photovoltaic devices)或太陽(yáng)能電池為能將光(特別是日光)轉(zhuǎn)換成直流(DC)電能的裝置。針對(duì)低成本、大規(guī)模的生產(chǎn)而言,薄膜太陽(yáng)能電池的益處在于其可使用玻璃、玻璃陶瓷、或其它剛性或可撓性基材來取代硅晶 或多晶硅,以作為基礎(chǔ)材料或基材。至今,已有多種可自市面上購(gòu)得的太陽(yáng)能電池技術(shù)。在低溫下且大規(guī)模地處理此種電池的可行性乃為此種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)(即,層序列(layer sequence))為掌控或促成光伏打效應(yīng)的要素。這些層可各別借由已知的真空沉積技術(shù)(例如物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)、常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD),上述技術(shù)皆可用于半導(dǎo)體技術(shù)中)來涂覆或沉積成薄層。傳統(tǒng)的薄膜太陽(yáng)能電池通常包含一沉積在基材上的透明電極層(亦稱為前電極(front electrode))。在此第一電極層的頂端上通常沉積有一由薄的非晶質(zhì)娃膜及/或薄的微晶娃膜所形成的光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體層(photoelectric conversion semiconductorlayer),以及一背電極層(back electrode layer)。該背電極可再包含一透明導(dǎo)電層、一反射體層、及一導(dǎo)電并反射的金屬層或與其技術(shù)相當(dāng)者。詳言之,圖1(已知技術(shù))所不為一基本、簡(jiǎn)單的光伏打電池10,包含一透明基材12,其上沉積有一透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide,TC0) 14。此層也稱為前觸點(diǎn)(front contact)且作為該光伏打組件的第一電極。基材12與前觸點(diǎn)14的結(jié)合也稱為覆層(superstrate)。其下的層16作為活性光伏打?qū)?active photovoltaic layer)并呈現(xiàn)出三層形成p-i-n結(jié)(junction)的“次層”。該層16包含氫化的微晶硅、納米晶硅、非晶質(zhì)娃或前述的組合。次層18(鄰接TCO前觸點(diǎn)14)為正電性摻雜(positively doped),鄰接的次層20為本征的(intrinsic),而最后的次層22為負(fù)電性摻雜(negatively doped)。在另一實(shí)施方式中,如上所述的層序列P-i-n可反轉(zhuǎn)成n-i-p。此時(shí),層16即為負(fù)電性摻雜層(n層),層20 —樣為本征的,而層22則為正電性摻雜層(p層)。最后,該電池含有一后觸點(diǎn)(rear contact)層24 (也稱為背觸點(diǎn))。此外,再提供一反射層26。或者,可具有一金屬背觸點(diǎn)(metallic back contact),其可結(jié)合背反射體26與背觸點(diǎn)24的物理特性。為達(dá)例示的目的,箭頭代表照射光。一般所知,當(dāng)光(例如太陽(yáng)輻射)照射在光電裝置(如太陽(yáng)能電池)上時(shí),會(huì)在i層中生成電子空穴對(duì)(electron-hole pairs)。所生成對(duì)中的空穴會(huì)朝p區(qū)域移動(dòng),而電子會(huì)朝n區(qū)域移動(dòng)。觸點(diǎn)通常直接或間接地接觸p區(qū)域及n區(qū)域。只要光持續(xù)產(chǎn)生電子空穴對(duì),電流就會(huì)流過與這些觸點(diǎn)所連接的外部電路。透明導(dǎo)電(transparent conducting,TC)層(如前述用作層14及/或?qū)?4者)為結(jié)合可見光范圍的光學(xué)穿透性及導(dǎo)電性的薄膜材料,其適合用在光電應(yīng)用。已有多種應(yīng)用使用到透明導(dǎo)電層,例如平面顯示器的除霜窗或透明電極及太陽(yáng)能電池。在這些應(yīng)用中,通常會(huì)要求將其透明導(dǎo)電層的電導(dǎo)度(conductance)及穿透率(transmittance)最大化。有多種工藝可制造透明導(dǎo)電層。其中最常用的技術(shù)有濺鍍(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、脈沖激光沉積、噴霧熱解及蘸濕(wet dip)沉積。這些工藝采用不同材料來作為基材,例如玻璃、塑料薄片等。這些材料可為可撓性或剛性。為提升光伏打裝置的電轉(zhuǎn)換效能,應(yīng)盡量使活性硅層中吸收盡可能多的照射光。透明導(dǎo)電材料的特性或與高穿透率結(jié)合的高導(dǎo)電率通常難以同時(shí)實(shí)現(xiàn),原因在于在可見光范圍內(nèi)的光學(xué)透明度通常需要能帶間隙(band gap)大于3. 3電子伏特的材料,然而,此種大能帶間隙的材料使載體摻雜難以實(shí)現(xiàn),因此難以達(dá)到高導(dǎo)電率。除此基本限制外,通常,制作過程會(huì)在層中誘發(fā)缺陷,這也限制透明度及導(dǎo)電率。此缺陷為例如孔隙、晶界(grain boundary)及雜質(zhì)污染。美國(guó)專利第6,420,644B I號(hào)揭露一種具有一板的太陽(yáng)能電池,該板具有一表面且具有多個(gè)自板表面外突而出的球截形(spherical segments)。為界定出該多個(gè)球截形,可在板表面上進(jìn)行壓印。其中,可在板的頂端提供一由鉻所制成的第一電極。美國(guó)專利第US 2005/0022860A1號(hào)揭露一種薄膜光伏打模塊。其中,為提升此模塊的利用性,在基材上提供多個(gè)實(shí)質(zhì)上呈半球狀的突起物。在基材為金屬基材的情況下,該突起物借由壓印金屬基材形成。而在提供塑料基材的情況下,該突起物可借由射出成型形成。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種涂覆基材的方法,其克服上述缺陷中的至少一者。本發(fā)明的另一目的在于提供一種涂覆基材的方法,其可用來形成太陽(yáng)能電池,使該太陽(yáng)能電池效能提升。此目的可藉由如權(quán)利要求I的方法實(shí)現(xiàn)。此目的更可借由如權(quán)利要求9的太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)。附屬項(xiàng)列出多種有利的實(shí)施方式。本發(fā)明關(guān)于一種在基材上涂覆氧化鋅膜的方法,該方法包含以下步驟-提供一具有至少一實(shí)質(zhì)上平坦表面的基材;-將至少部分的該表面進(jìn)行一等離子刻蝕工藝;-在該經(jīng)刻蝕的表面上沉積一層,該層包含氧化鋅。由于等離子刻蝕工藝,故可在基材上具有一經(jīng)結(jié)構(gòu)化的表面。其可為形成太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)能模塊的基礎(chǔ)。詳言之,該經(jīng)結(jié)構(gòu)化的基材可用來形成一薄膜太陽(yáng)能電池。
相較于在平坦基材上沉積透明導(dǎo)電層,本發(fā)明將基材刻蝕以獲得一清楚的形貌,此同時(shí)會(huì)提升透明導(dǎo)電層的電導(dǎo)度而改變這些透明導(dǎo)電層的成長(zhǎng)。因此,一平坦(或?qū)嵸|(zhì)上平坦)的表面應(yīng)是指未進(jìn)行導(dǎo)入清楚結(jié)構(gòu)的處理的表面。詳言之,是未借由如壓印或鑄模的方式導(dǎo)入凹槽(deepenings)或突起物。借由使用等離子刻蝕工藝,可在表面上獲得十分清楚的結(jié)構(gòu)。此可提供具有十分明確特性的經(jīng)結(jié)構(gòu)化的表面。詳言之,由于該基材的結(jié)構(gòu)化表面的作用,自基材傳送至活性層的光(特別是日光)會(huì)被散射。此會(huì)提升活性相中光的吸收度,并借此提升包含此經(jīng)結(jié)構(gòu)化的基材的太陽(yáng)能電池的效能。令人驚訝地,經(jīng)本案發(fā)明人發(fā)現(xiàn),將基材的表面以等離子刻蝕工藝結(jié)構(gòu)化,并隨后涂覆一氧化鋅層,以此與基材結(jié)合可提升該氧化鋅層的導(dǎo)電率。不受特定理論限制下,假設(shè)此結(jié)果是借由上述特征的有利協(xié)同效應(yīng)所實(shí)現(xiàn)的。特定言之,根據(jù)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)絕佳透明度及提升導(dǎo)電率的組合。因此,由于采用等離子刻蝕工藝及同時(shí)使用氧化鋅涂層的特殊組合與其協(xié)同效應(yīng),透明度以及特別是在導(dǎo)電率上有所提升,故根據(jù)本發(fā)明涂覆的基材非常適合作為制造太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。在本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中使用玻璃基材。玻璃基材具有較佳的特性,其可達(dá)到一有效的、十分明確的刻蝕工藝(特別在使用等離子刻蝕工藝時(shí))。特定言之,借由使用玻璃基材,基材的表面可借由利用平滑刻蝕條件,以所欲且十分明確的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化。玻璃基材可為技藝人士所已知的任何適合用來制造薄膜裝置的玻璃基材。本發(fā)明 的薄膜層可借由技藝人士所知的各種沉積技術(shù)來進(jìn)行沉積。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中使用一六氟化硫(sulphur hexafluoride, SF6)與氧(O2)比例為5/1的混合物的等離子。此混合物可提供一可在基材表面上產(chǎn)生十分清楚的結(jié)構(gòu)或形貌的等離子。詳言之,尤其在結(jié)合玻璃基材的情況下,此氣體混合物因采用六氟化硫作為刻蝕氣體而具有優(yōu)勢(shì)。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中,在等離子刻蝕工藝中所使用的功率為I瓦/平方厘米。此功率是相當(dāng)?shù)偷?,得以?shí)現(xiàn)節(jié)能反應(yīng)條件。然而,使用如上述定義的刻蝕功率仍可產(chǎn)生反應(yīng)性刻蝕氣體或刻蝕等離子以實(shí)現(xiàn)有效刻蝕工藝,使在更理想的條件下進(jìn)行該工藝。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中,在刻蝕工藝期間所使用的壓力為30毫托。此壓力可在等離子刻蝕基材時(shí)實(shí)現(xiàn)特別順利且有效的反應(yīng)條件。特定言之,此壓力對(duì)刻蝕玻璃基材是較佳的。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中,刻蝕時(shí)間持續(xù)30分鐘。對(duì)于結(jié)構(gòu)化基材表面,即使對(duì)工業(yè)制程而言,特別是對(duì)制造太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)能模塊而言,此段時(shí)間是合理的。然而,此時(shí)間仍可適合用來實(shí)現(xiàn)基材表面所要求的刻蝕程度或形貌。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中,氧化鋅借由低壓氣相沉積(low pressurevapour deposition,LPCVD)沉積。此工藝對(duì)在基材上涂覆尤其是氧化鋅而言是較佳的。此涂覆工藝可提供高純度且同時(shí)呈薄膜形式(即具有非常薄的厚度)的氧化鋅膜。此外,由于氧化鋅用作為透明導(dǎo)電氧化層,因此除上述導(dǎo)電性之外,使透明度達(dá)到所要求的值亦為相當(dāng)重要的。此可借由使用氧化鋅的低壓氣相沉積來實(shí)現(xiàn)。然而,根據(jù)本發(fā)明,其它涂覆技術(shù)亦為可行的,特別是化學(xué)氣相沉積(CVD)或如真空濺鍍工藝的物理氣相沉積(PVD)。更佳地,該氣相沉積工藝為等離子輔助化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced CVD, PECVD)及 / 或常壓化學(xué)氣相沉積(atmospheric pressure CVD,APCVD)。在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中,氧化鋅摻雜有硼。涂覆該具有經(jīng)涂覆的氧化鋅的基材可進(jìn)一步提升導(dǎo)電性。此外,借由該摻雜工藝,可尤其將氧化鋅層的電子特性調(diào)整至所要求的應(yīng)用,特別是針對(duì)太陽(yáng)能電池或太陽(yáng)能模塊的應(yīng)用。本發(fā)明更關(guān)于一太陽(yáng)能電池,其包含一根據(jù)本發(fā)明方法涂覆有氧化鋅的基材。特定言之,借由在太陽(yáng)能電池中提供經(jīng)本發(fā)明涂覆的基材,可實(shí)現(xiàn)的協(xié)同效應(yīng)是有利的。詳言之,該氧化鋅層可用作為透明導(dǎo)電氧化層。關(guān)于此,導(dǎo)電率及透明度已經(jīng)提升的氧化鋅層是特別佳的。特定言之,本發(fā)明提升太陽(yáng)能電池中的氧化鋅層的導(dǎo)電率。此可使本發(fā)明的光伏打電池、或太陽(yáng)能電池及太陽(yáng)能模塊的效能提升。因此,本發(fā)明的方法可有利地實(shí)現(xiàn)一容易但極為有效的方法,以增加制造薄膜裝置時(shí)(較佳是在制造太陽(yáng)能電池時(shí))的效能、產(chǎn)率及產(chǎn)量。在本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式中,氧化鋅涂層的導(dǎo)電度為14. 5歐姆-平方(Ohm-square)或更低。根據(jù)本發(fā)明,這些數(shù)值可容易地實(shí)現(xiàn)。此特征可提供包含一導(dǎo)電率經(jīng)特別提升,且因而特別有效率的透明導(dǎo)電氧化層的太陽(yáng)能電池。
如技藝人士所明了,本發(fā)明方法的較佳實(shí)施方式可自前述本發(fā)明的創(chuàng)新方法的詳細(xì)說明中推導(dǎo)而得。然而,下文將明確揭露本發(fā)明方法的更佳的實(shí)施方式。
參照于下文中所述的實(shí)施方式以說明并闡述本發(fā)明這些及其它的方面。圖I所示為根據(jù)已知技術(shù)的薄膜太陽(yáng)能電池的示意圖;圖2a所示為一根據(jù)已知技術(shù)的經(jīng)涂覆的基材的橫截面掃描式電子顯微影像;圖2b所示為根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)涂覆的基材的橫截面掃描式電子顯微影像;圖3所示為根據(jù)已知技術(shù)與本發(fā)明的氧化鋅涂層的薄膜電阻的比較結(jié)果;以及圖4所示為根據(jù)已知技術(shù)與本發(fā)明的氧化鋅涂層的薄膜電阻的另一比較結(jié)果。
具體實(shí)施例方式圖2a所示為一已知技術(shù)的涂覆有氧化鋅的玻璃基材的橫截面掃描式電子顯微影像??砂l(fā)現(xiàn)該基材的表面為平坦,此表示其不具任何突起物或凹槽。詳言之,該表面未借由如壓印或鑄造的方式進(jìn)行過表面修飾。在該平坦表面上沉積有一氧化鋅(ZnO)層。與上述相反,圖2b所示為本發(fā)明的涂覆有氧化鋅的玻璃基材的橫截面掃描式電子顯微影像。沉積在該玻璃基材上的氧化鋅層的上部分較沉積在平坦玻璃上的層(圖2a)呈現(xiàn)較大的晶粒。這些較大晶??烧f明此基材上的氧化鋅層的增加的電導(dǎo)度。事實(shí)上,大晶粒的材料較小晶粒的材料展現(xiàn)較高的導(dǎo)電率。再者,大晶粒減少光學(xué)穿透性的損失。在基材與透明材料間存在一粗糙界面時(shí)將使光漫射(diffusion),該界面借由本發(fā)明的等離子刻蝕工藝所獲得。在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中,此光漫射為所欲的,以捕捉光進(jìn)入電池的活化層中。再者,此粗糙界面亦減少照入光在玻璃表面與氧化鋅層間的界面上的反射,使透明度增加。這些結(jié)果顯示本發(fā)明的基材表面形貌的修飾影響了氧化鋅層的成長(zhǎng)且明顯增加其電導(dǎo)度、均質(zhì)性及透明性。實(shí)施本發(fā)明的方法所實(shí)現(xiàn)的效果、以及玻璃基材表面的形貌對(duì)二種類型的氧化鋅層(沉積在基材表面上)的導(dǎo)電率的影響詳示于圖3及圖4中。詳言之,實(shí)施以下本發(fā)明的實(shí)施例。
在所有實(shí)驗(yàn)中,在一反應(yīng)離子刻蝕機(jī)(RIE)中,以氧(O2)與六氟化硫(SF6)混合的等離子對(duì)Schott Borofloat 33玻璃的表面進(jìn)行刻蝕。在RIE工藝中所采用的參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.一種在基材上涂覆氧化鋅膜的方法,該方法包含以下步驟 提供一具有至少一實(shí)質(zhì)上平坦表面的基材; 將至少部分的該表面進(jìn)行一等離子刻蝕工藝; 在該經(jīng)刻蝕的表面上沉積一層,該層包含氧化鋅。
2.如前述權(quán)利要求的方法,其中使用一玻璃基材。
3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中使用一六氟化硫與氧比例為5/1的混合物的等離子。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中在該等離子刻蝕工藝中所使用的功率為I瓦/平方厘米。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中在該刻蝕工藝期間所使用的壓力為30毫托。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中該刻蝕的時(shí)間持續(xù)30分鐘。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中氧化鋅以低壓氣相沉積法沉積。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法,其中氧化鋅摻雜有硼。
9.一種太陽(yáng)能電池,其包含一根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法涂覆有氧化鋅的基材。
10.如權(quán)利要求9的太陽(yáng)能電池,其中該氧化鋅涂層的導(dǎo)電度為14.5歐姆-平方(Ohm-square)或更低。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在基材上涂覆氧化鋅膜的方法,該方法包含以下步驟-提供一具有至少一實(shí)質(zhì)上平坦表面的基材;-將至少部分的該表面進(jìn)行一等離子刻蝕工藝;-在該經(jīng)刻蝕的表面上沉積一層,該層包含氧化鋅;本發(fā)明方法特別適用于制造具有提升效能的太陽(yáng)能電池。
文檔編號(hào)C23C14/02GK102712999SQ201080045703
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月6日
發(fā)明者D·伯雷羅, E·瓦拉特-薩維恩, J·斯德恩豪瑟, J·邁耶, U·克羅爾 申請(qǐng)人:歐瑞康太陽(yáng)能(處貝區(qū)市)公司