用于薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層厚度的快速分析的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池中的膜厚度的方法和裝置，用于將發(fā)出多種輻射波長(zhǎng)的光引導(dǎo)至太陽(yáng)能電池的表面。每一種輻射都導(dǎo)致響應(yīng)于光的電流的生成。通過(guò)電流計(jì)來(lái)指示感光電流，該裝置具有與太陽(yáng)能電池的表面連接的一個(gè)接觸件和與另一表面連接的另一個(gè)接觸件。確定與不同光輻射中的每一種相關(guān)聯(lián)的電流，并且基于兩個(gè)電流或者相關(guān)的量子效率和相關(guān)的吸收系數(shù)來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池中的膜的厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，膜厚度是薄膜太陽(yáng)能電池中的CdS或者其他緩沖膜的厚度。本發(fā)明還提供了用于薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層厚度的快速分析。
【專利說(shuō)明】用于薄膜太陽(yáng)能電池的緩沖層厚度的快速分析
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池和用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池的膜厚度的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]優(yōu)選地，利用諸如CdS的緩沖層以在薄膜太陽(yáng)能電池中制造可再生和高效的異質(zhì)結(jié)。CdS緩沖層還應(yīng)用在其他類型的太陽(yáng)能電池中。太陽(yáng)能電池是用于通過(guò)太陽(yáng)光直接生成電流的光伏組件。由于對(duì)清潔能源的需求增長(zhǎng)，近年來(lái)太陽(yáng)能電池的制造已經(jīng)急劇擴(kuò)大。目前存在各種太陽(yáng)能收集模塊。一種這樣的模塊包括接收太陽(yáng)能并且將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的光伏電池板。另一種這樣的模塊包括利用太陽(yáng)能提供熱量的太陽(yáng)能熱收集板。太陽(yáng)能收集模塊可以具有不同的幾何尺寸并且可以由不同的材料形成，但是通常由很大的扁平太陽(yáng)能電池板構(gòu)成并且包括吸收層。
[0003]優(yōu)選地，在太陽(yáng)能電池中采用CdS層作為緩沖層。CIGS型太陽(yáng)能電池利用設(shè)置在ZnO窗口層和CIGS (Cu (In，Ga) Se2)吸收層之間的CdS緩沖層。由于CdS (nr ^ 2.4)的折射率處于ZnO (η,~1.9)的折射率和CIGS (η,~2.9)的折射率之間，所以將CdS層集成到ZnO/CIGS系統(tǒng)中增強(qiáng)了太陽(yáng)能電池的光譜吸收。因此，將ZnO和CIGSOir~2.9)的折射率之間的大差距(step)劃分為兩個(gè)較小的差距，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能電池的整體上降低的反射率。由于CdS層所起的作用，所以形成具有期望的質(zhì)量和厚度的CdS層很重要。作為推論，分析和精確測(cè)量或者監(jiān)測(cè)CdS緩沖層的厚度也很重要。這同樣適用于其他的薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)施例中的其他緩沖層。
[0004]目前用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池中的諸如CdS的緩沖層的厚度的方法包括用SEM(掃描式電子顯微鏡)和TEM(透射電子顯微鏡)計(jì)算厚度。這些技術(shù)中的每一種都具有破壞性、成本昂貴并且耗費(fèi)時(shí)間。測(cè)量EQE(外量子效率)的許多其他的系統(tǒng)也成本昂貴并且涉及耗時(shí)的工藝和專用的設(shè)備。
[0005]期望提供用于以非破壞性的方式計(jì)算CdS和其他薄膜的厚度的精確的方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池膜的厚度的方法，所述方法包括:提供包括緩沖層的太陽(yáng)能電池，所述緩沖層具有依賴波長(zhǎng)的吸收系數(shù)；生成具有多種輻射波長(zhǎng)的光；將所述太陽(yáng)能電池暴露于至少兩種波長(zhǎng)的光；響應(yīng)于暴露于每一種波長(zhǎng)的光，測(cè)量所述太陽(yáng)能電池中所生成的光伏電流；基于測(cè)量的光伏電流來(lái)數(shù)學(xué)地計(jì)算所述緩沖層的厚度；以及將所測(cè)量的厚度的輸出信號(hào)傳輸至其他器件。
[0007]在該方法中，所述緩沖層包括CdS。
[0008]在該方法中，數(shù)學(xué)計(jì)算包括使用所述測(cè)量的光伏電流的比值以及將所述比值除以與所述至少兩種波長(zhǎng)的光的每一種相關(guān)聯(lián)的吸收系數(shù)的差值來(lái)獲得所述厚度。[0009]在該方法中，所述其他器件包括顯示計(jì)算的厚度并且與緩沖層沉積系統(tǒng)通信的控制器。
[0010]在該方法中，生成所述光包括使用多個(gè)光源，每一個(gè)光源都具有相關(guān)的輻射波長(zhǎng)，并且將太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述至少兩種波長(zhǎng)的光包括將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述多個(gè)光源中的至少兩個(gè)光源。
[0011]在該方法中，將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述至少兩種波長(zhǎng)的光包括將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)順序暴露于所述多個(gè)光源中的至少兩個(gè)光源。
[0012]在該方法中，生成所述光包括使用能夠發(fā)出多種輻射波長(zhǎng)的光的一個(gè)光源，并且暴露包括將信號(hào)引導(dǎo)至所述一個(gè)光源以順序發(fā)出具有所述至少兩種波長(zhǎng)的光中的每一種的光。
[0013]在該方法中，所述信號(hào)的第一信號(hào)使所述一個(gè)光源發(fā)出包括第一波長(zhǎng)的光的第一波長(zhǎng)范圍的光，并且所述信號(hào)的第二信號(hào)使所述一個(gè)光源發(fā)出包括第二波長(zhǎng)的光的第二波長(zhǎng)范圍的光，并且所述方法進(jìn)一步包括通過(guò)時(shí)間和頻率中的一個(gè)來(lái)對(duì)所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)進(jìn)行去耦。
[0014]在該方法中，提供太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在上導(dǎo)電層和相鄰吸收層之間的所述緩沖層，并且所述緩沖層包括 CulnSe2 (CIS)、CuGaSe2 (CGS)、Cu (In，Ga) Se2 (CIGS)、Cu (In，Ga) (Se, S) 2 (CIGSS)和 CdTe 中的一種。
[0015]在該方法中，測(cè)量所述光伏電流包括提供電流計(jì)，將所述電流計(jì)的一個(gè)電極設(shè)置為與所述太陽(yáng)能電池的頂面接觸以及將所述電流計(jì)的另一電極設(shè)置為與所述太陽(yáng)能電池的底層接觸，以及其中，所述至少兩種波長(zhǎng)的光的第一波長(zhǎng)在約250nm至500nm的范圍內(nèi)且所述至少兩種波長(zhǎng)的光的第二波長(zhǎng)在約350nm至600nm的范圍內(nèi)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池模塊上的多個(gè)位置的厚度的方法，所述方法包括:提供包括多個(gè)太陽(yáng)能電池的所述太陽(yáng)能電池模塊，每一個(gè)太陽(yáng)能電池都包括緩沖層；對(duì)于每一個(gè)所述太陽(yáng)能電池，通過(guò)以下步驟來(lái)確定所述緩沖層的厚度:提供多個(gè)光源并將所述太陽(yáng)能電池暴露于來(lái)自所述多個(gè)光源的第一光源的第一輻射波長(zhǎng)的光和暴露于來(lái)自所述多個(gè)光源的第二光源的第二福射波長(zhǎng)的光；響應(yīng)于暴露于所述第一輻射波長(zhǎng)的光和響應(yīng)于暴露于所述第二輻射波長(zhǎng)的光，測(cè)量所述太陽(yáng)能電池中所生成的光伏電流；以及基于測(cè)量的所述光伏電流和與每一波長(zhǎng)的光相關(guān)聯(lián)的吸收系數(shù)來(lái)數(shù)學(xué)計(jì)算所述緩沖層的厚度。
[0017]在該方法中，所述緩沖層包括CdS，提供所述多個(gè)光源包括提供位于不透明殼體內(nèi)的兩個(gè)光源，并且測(cè)量所述光伏電流包括使用限定所述殼體的開(kāi)口并且與所述太陽(yáng)能電池接觸的環(huán)形的第一接觸件，并且所述方法進(jìn)一步包括基于相應(yīng)的CdS層的厚度來(lái)映射所述太陽(yáng)能電池模塊的厚度。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池膜的厚度的裝置，包括:至少一個(gè)光源，能夠?qū)⒐庖龑?dǎo)至包括緩沖層的太陽(yáng)能電池的表面，所述至少一個(gè)光源能夠發(fā)出具有多種輻射波長(zhǎng)的光；第一接觸件，與所述表面接觸；第二接觸件，與所述太陽(yáng)能電池的層的導(dǎo)電表面接觸，所述導(dǎo)電表面設(shè)置在所述表面下方；電流計(jì)，連接在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間并且能夠讀取通過(guò)第一輻射波長(zhǎng)的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第一電流和通過(guò)第二輻射波長(zhǎng)的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第二電流；以及處理器，能夠基于所述第一電流和所述第二電流以及與所述第一輻射波長(zhǎng)和所述第二輻射波長(zhǎng)的每一個(gè)相對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)來(lái)計(jì)算所述緩沖層的厚度。
[0019]在該裝置中，所述至少一個(gè)光源包括兩個(gè)光源，所述兩個(gè)光源包括發(fā)出所述第一福射波長(zhǎng)的光的第一 LED或者激光器的第一光源和發(fā)出所述第二福射波長(zhǎng)的光的第二 LED或者激光器的第二光源。
[0020]該裝置進(jìn)一步包括:其中包含所述至少一個(gè)光源的殼體，所述殼體是不透明的并且包括通過(guò)所述第一接觸件限定的開(kāi)口。
[0021]在該裝置中，所述殼體沿至少一個(gè)維度通常是對(duì)稱的，并且所述第一接觸件通常是環(huán)形的。
[0022]在該裝置中，所述殼體由選自由導(dǎo)電橡膠、金屬、銅納米管和其他導(dǎo)電材料所組成的組的材料形成。
[0023]在該裝置中，所述至少一個(gè)光源包括能夠發(fā)出具有所述多種輻射波長(zhǎng)的光的一個(gè)LED和與所述LED連接的電源。
[0024]在該裝置中，所述電源將至少兩個(gè)信號(hào)引導(dǎo)至所述一個(gè)LED或者激光器，所述至少兩個(gè)信號(hào)包括指示所述一個(gè)LED或者所述激光器發(fā)出所述第一輻射波長(zhǎng)的光的第一信號(hào)和指示所述一個(gè)LED或者所述激光器發(fā)出所述第二輻射波長(zhǎng)的光的第二信號(hào)；以及所述裝置進(jìn)一步包括對(duì)所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)進(jìn)行去耦的處理器。
[0025]在該裝置中，所述一個(gè)LED或者所述激光器基本上同時(shí)發(fā)出所述第一輻射波長(zhǎng)的光和所述第二輻射波長(zhǎng)的光，所述電源使用轉(zhuǎn)換器和濾波器中的至少一種來(lái)引導(dǎo)所述至少兩個(gè)信號(hào)，并且所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)具有不同的頻率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)通常實(shí)踐，各種部件沒(méi)有按比例繪制。相反，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和附圖中相同的參考標(biāo)號(hào)指定相同的部件。
[0027]圖1示出用于測(cè)量膜厚度的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；
[0028]圖2示出用于測(cè)量膜厚度的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例；
[0029]圖3示出用于測(cè)量膜厚度的系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例；
[0030]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的膜厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例；以及
[0031]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明用于測(cè)量太陽(yáng)能模塊的多個(gè)區(qū)域上的膜厚度的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]太陽(yáng)能電池還可選地被稱為光伏電池或者光電池，該太陽(yáng)能電池是通過(guò)光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的固態(tài)電氣元件。
[0033]在基板上設(shè)置許多太陽(yáng)能電池，該基板還可以被稱為太陽(yáng)能電池基板、太陽(yáng)能電池板或者太陽(yáng)能電池模塊。太陽(yáng)能電池基板用于采集來(lái)自太陽(yáng)光的能量。由太陽(yáng)能電池所生成的電能被稱為太陽(yáng)能，其是太陽(yáng)能源的一個(gè)實(shí)例。太陽(yáng)光中的光子照射太陽(yáng)能電池并且被諸如硅、CIGS(Cu ((In，Ga，)Se2))或者其他吸收材料的半導(dǎo)體材料吸收。光子不規(guī)則地撞擊來(lái)自原子的帶負(fù)電荷的電子，從而導(dǎo)致電勢(shì)差。電流開(kāi)始流經(jīng)太陽(yáng)能電池材料以消除電勢(shì)差進(jìn)而獲得電力。利用由太陽(yáng)能電池基板上的大量太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電力并且將該電力連接至電纜。
[0034]通常獨(dú)立的太陽(yáng)能電池是形成在玻璃或者其他合適的材料上的半導(dǎo)體器件。每一個(gè)太陽(yáng)能電池都包括至少一個(gè)吸收層。在一些實(shí)施例中，通常在太陽(yáng)能電池的吸收層上方施加抗反射涂層。抗反射涂層增加了耦合到單獨(dú)的太陽(yáng)能電池中并且被吸收層吸收的光的數(shù)量。CIGS型太陽(yáng)能電池利用設(shè)置在ZnO窗口層和CIGS(Cu((In，Ga，)Se2))吸收層之間的CdS緩沖層。優(yōu)選地，CdS緩沖層在(CIGS)太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生可再生和高效的ZnO/CdS/Cu(In7Ga7)Se2的pn結(jié)并且通過(guò)減少反射來(lái)提高太陽(yáng)能電池的效率。CdS緩沖層還應(yīng)用在其他類型的太陽(yáng)能電池中。
[0035]本發(fā)明提供了用于確定太陽(yáng)能電池中緩沖層的厚度的方法。用于確定緩沖層的厚度的非破壞性的方法包括用多個(gè)輻射波長(zhǎng)的光照射太陽(yáng)能電池，測(cè)量響應(yīng)于每一種輻射而生成的電流并且使用各種方法計(jì)算厚度。在一個(gè)實(shí)施例中，確定兩種不同波長(zhǎng)下電流比值并且該電流比值除以用于兩種波長(zhǎng)的吸收系數(shù)的差值以測(cè)量膜厚度。在一些實(shí)施例中，獲得在各種波長(zhǎng)下用于緩沖層的吸收系數(shù)α，并且在其他實(shí)施例中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得吸收系數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層是CdS緩沖層。在其他實(shí)施例中，確定具有依賴于波長(zhǎng)的吸收系數(shù)的其他緩沖層(諸如ZnS和ZnMgO或者其他合適的緩沖層材料)的厚度。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，緩沖層的厚度通過(guò)以下公式得到:
【權(quán)利要求】
1.一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池膜的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括緩沖層的太陽(yáng)能電池，所述緩沖層具有依賴波長(zhǎng)的吸收系數(shù)； 生成具有多種福射波長(zhǎng)的光； 將所述太陽(yáng)能電池暴露于至少兩種波長(zhǎng)的光； 響應(yīng)于暴露于每一種波長(zhǎng)的光，測(cè)量所述太陽(yáng)能電池中所生成的光伏電流； 基于測(cè)量的光伏電流來(lái)數(shù)學(xué)地計(jì)算所述緩沖層的厚度；以及 將所測(cè)量的厚度的輸出信號(hào)傳輸至其他器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述緩沖層包括CdS。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，數(shù)學(xué)計(jì)算包括使用所述測(cè)量的光伏電流的比值以及將所述比值除以與所述至少兩種波長(zhǎng)的光的每一種相關(guān)聯(lián)的吸收系數(shù)的差值來(lái)獲得所述厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述其他器件包括顯示計(jì)算的厚度并且與緩沖層沉積系統(tǒng)通信的控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用多個(gè)光源，每一個(gè)光源都具有相關(guān)的輻射波長(zhǎng)，并且將太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述至少兩種波長(zhǎng)的光包括將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述多個(gè)光源中的至少兩個(gè)光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)暴露于所述至少兩種波長(zhǎng)的光包括將所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)順序暴露于`所述多個(gè)光源中的至少兩個(gè)光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，生成所述光包括使用能夠發(fā)出多種輻射波長(zhǎng)的光的一個(gè)光源，并且暴露包括將信號(hào)引導(dǎo)至所述一個(gè)光源以順序發(fā)出具有所述至少兩種波長(zhǎng)的光中的每一種的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述信號(hào)的第一信號(hào)使所述一個(gè)光源發(fā)出包括第一波長(zhǎng)的光的第一波長(zhǎng)范圍的光，并且所述信號(hào)的第二信號(hào)使所述一個(gè)光源發(fā)出包括第二波長(zhǎng)的光的第二波長(zhǎng)范圍的光，并且所述方法進(jìn)一步包括通過(guò)時(shí)間和頻率中的一個(gè)來(lái)對(duì)所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)進(jìn)行去耦。
9.一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池模塊上的多個(gè)位置的厚度的方法，所述方法包括: 提供包括多個(gè)太陽(yáng)能電池的所述太陽(yáng)能電池模塊，每一個(gè)太陽(yáng)能電池都包括緩沖層； 對(duì)于每一個(gè)所述太陽(yáng)能電池，通過(guò)以下步驟來(lái)確定所述緩沖層的厚度: 提供多個(gè)光源并將所述太陽(yáng)能電池暴露于來(lái)自所述多個(gè)光源的第一光源的第一輻射波長(zhǎng)的光和暴露于來(lái)自所述多個(gè)光源的第二光源的第二福射波長(zhǎng)的光； 響應(yīng)于暴露于所述第一輻射波長(zhǎng)的光和響應(yīng)于暴露于所述第二輻射波長(zhǎng)的光，測(cè)量所述太陽(yáng)能電池中所生成的光伏電流；以及 基于測(cè)量的所述光伏電流和與每一波長(zhǎng)的光相關(guān)聯(lián)的吸收系數(shù)來(lái)數(shù)學(xué)計(jì)算所述緩沖層的厚度。
10.一種用于測(cè)量太陽(yáng)能電池膜的厚度的裝置，包括: 至少一個(gè)光源，能夠?qū)⒐庖龑?dǎo)至包括緩沖層的太陽(yáng)能電池的表面，所述至少一個(gè)光源能夠發(fā)出具有多種輻射波長(zhǎng)的光； 第一接觸件，與所述表面接觸； 第二接觸件，與所述太陽(yáng)能電池的層的導(dǎo)電表面接觸，所述導(dǎo)電表面設(shè)置在所述表面下方； 電流計(jì)，連接在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間并且能夠讀取通過(guò)第一輻射波長(zhǎng)的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第一電流和通過(guò)第二輻射波長(zhǎng)的光在所述第一接觸件和所述第二接觸件之間生成的第二電流；以及 處理器，能夠基于所述第一電流和所述第二電流以及與所述第一輻射波長(zhǎng)和所述第二輻射波長(zhǎng)的每一個(gè)相對(duì)應(yīng) 的吸收系數(shù)來(lái)計(jì)算所述緩沖層的厚度。
【文檔編號(hào)】G01B7/06GK103868444SQ201310055791
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月7日
【發(fā)明者】蔡明典, 程子桓 申請(qǐng)人:臺(tái)積太陽(yáng)能股份有限公司