用于制造太陽能電池元件的方法
【專利摘要】一種用于制造太陽能電池元件的方法，該方法包括：制備層壓體和腔室的步驟（a），在步驟（a）之后使層壓體與水溶液接觸使得第二表面浸入到水溶液中的步驟（b），在步驟（b）之后在惰性氣體的氣氛下在陽極與層壓體之間施加電壓差以在第二表面上形成Zn層的步驟（c），以及在步驟（c）之后使Zn層暴露于氧以使Zn層轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層的步驟（d）。
【專利說明】用于制造太陽能電池元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于制造太陽能電池元件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池元件將日光轉(zhuǎn)化成電能。
[0003]引用列表
[0004]非專利文獻
[0005]NPLl:P.N.Vinod, J Mater Sc1:Mater Electron22 (2011) 1248
[0006]NPL2: Jenny Nelson (2003), The physics of Solar Cells, Imperial collegepress, pp.11—13。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]摶術(shù)問是頁
[0008]本發(fā)明的目的是提供用于制造具有較高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池元件的方法。
_9] 問題的解決方案
[0010]以下項I?3解決該問題。
[0011]1.一種用于制造太陽能電池元件的方法，該方法包括:
[0012]制備層壓體I和腔室5的步驟(a)，其中
[0013]層壓體I包括ρ側(cè)第III族-第V族化合物電極層2、p型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31、η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32、和η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4，
[0014]η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4包括第一表面4a和第二表面4b，
[0015]P型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31介于ρ側(cè)第III族-第V族化合物電極層2與η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32之間，
[0016]η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32介于ρ型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31與第一表面4a之間，
[0017]第二表面4b在層壓體I的表面露出，并且
[0018]腔室5具有水溶液6和惰性氣體7 ；
[0019]在步驟(a)之后，使層壓體I與水溶液6接觸使得第二表面4b浸入到水溶液6中的步驟(b)；
[0020]在步驟(b)之后，在惰性氣體7的氣氛下在陽極71與層壓體I之間施加電壓差以在第二表面4b上形成Zn層81的步驟(C)，其中
[0021]腔室5填充有惰性氣體7，
[0022]水溶液6含有濃度不小于ImM且不大于5M的Zn2+離子，
[0023]水溶液6不含有氧，
[0024]陽極71與水溶液6接觸，[0025]層壓體I用作為陰極，
[0026]水溶液6具有不小于10攝氏度且不大于60攝氏度的溫度,并且Zn層81在其表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)；以及
[0027]在步驟(c)之后，使Zn層81暴露于氧以使Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82的步驟⑷。
[0028]2.根據(jù)項I所述的方法，其中
[0029]在步驟(d)中，使Zn層81暴露于空氣。
[0030]3.根據(jù)項I所述的方法，其中
[0031]在步驟(a)中，η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4包括GaAs層42，并且
[0032]使GaAs層42在第二表面4b上露出。
[0033]發(fā)明的有利效果
[0034]根據(jù)本方法提供的太陽能電池元件具有較高的轉(zhuǎn)化效率。
[0035]換句話說，當(dāng)用日光照射根據(jù)本方法提供的太陽能電池元件101時，日光被更有效地轉(zhuǎn)化成電能以在P側(cè)第III族-第V族化合物電極層2與η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4之間生成電壓差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1示出層壓體I的橫截面視圖。
[0037]圖2示出步驟(a)中的層壓體I的橫截面視圖。
[0038]圖3繼圖2之后示出步驟(a)中的層壓體I的橫截面視圖。
[0039]圖4繼圖3之后示出步驟(a)中的層壓體I的橫截面視圖。
[0040]圖5繼圖4之后示出步驟(a)中的層壓體I的橫截面視圖。
[0041]圖6繼圖5之后示出步驟(a)中的層壓體I的橫截面視圖。
[0042]圖7示意性地示出步驟(b)和(C)。
[0043]圖8示出步驟(C)之后的層壓體I的橫截面視圖。
[0044]圖9示意性地示出步驟(d)。
[0045]圖10示出具有ZnO透明電極層93的層壓體I的橫截面視圖。
[0046]圖11示出包括太陽能電池元件101的太陽能電池110。
[0047]圖12示出實施例1中獲得的1-V曲線。
[0048]圖13示出實施例2中獲得的1-V曲線。
[0049]圖14示出實施例3中獲得的1-V曲線。
[0050]圖15示出實施例4中獲得的1-V曲線。
[0051]圖16示出比較例I中獲得的1-V曲線。
[0052]圖17示出比較例2中獲得的1-V曲線。
[0053]圖18示出比較例3中獲得的1-V曲線。
【具體實施方式】
[0054]下面將參考附圖描述本發(fā)明的實施方式。
[0055](步驟(a)):層壓體和腔室的制備[0056]在步驟(a)中，首先制備層壓體I和腔室5。
[0057]如圖1至圖6所示，層壓體I包括P側(cè)第III族-第V族化合物電極層2、p型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31、η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32、和η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4。η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4包括第一表面4a和第二表面4b。
[0058]P型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31介于P側(cè)第III族-第V族化合物電極層2與η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32之間。
[0059]η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32介于第一表面4a與ρ型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31之間。
[0060]如圖6所不，第二表面4b在層壓體I的表面露出。
[0061]ρ側(cè)第III族-第V族化合物電極層2大體上包括ρ側(cè)接觸層21和ρ側(cè)窗口層22。
[0062]ρ型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31大體上包括由P型GaAs層組成的ρ型基層31a。
[0063]η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32大體上包括由η型GaAs層組成的η型發(fā)射極層32a。
[0064]η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4大體上包括η側(cè)窗口層41和η側(cè)接觸層42。
[0065]P型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31與η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32接觸以形成ρη結(jié)。
[0066]用于制備層壓體I的方法不受限制。更多的細節(jié)參見圖1至圖6和實施例1。
[0067]如圖7所示，腔室5含有水溶液6和惰性氣體7。
_8](步驟(b)):層壓體在水溶液中的接觸
[0069]在步驟(a)之后執(zhí)行步驟(b)。
[0070]在步驟(b)中，使層壓體I與水溶液6接觸，使得第二表面4b浸入到水溶液6中。由GaAs組成的η側(cè)接觸層42在第二表面4b上露出。
[0071]如圖7所示，優(yōu)選將層壓體I浸入到水溶液6中。然而，只要第二表面4b浸入到水溶液6中，層壓體I的一部分可浸入到水溶液6中而層壓體I的另一部分可不浸入到水溶液6中。
[0072](步驟(C)):通丄寸電角軍形成Zn層
[0073]在步驟(b)之后執(zhí)行步驟(C)。
[0074]在步驟(C)中，如圖7所示，在陽極71與層壓體I之間施加電壓差以在第二表面4b上形成Zn層81。使用層壓體I作為陰極。
[0075]陽極71與水溶液6接觸。優(yōu)選將陽極71浸入到水溶液6中。陽極71的實例是鉬電極、金電極、銀電極、或銅電極。優(yōu)選鉬電極和金電極。
[0076]在步驟(C)中，水溶液6必須含有濃度不小于ImM且不大于5M的Zn2+離子。當(dāng)濃度小于ImM時，未有效地形成Zn層81。當(dāng)濃度大于5M時，所獲得的太陽能電池元件的效率低，如比較例I所證實，后面將描述。
[0077]水溶液6必須具有不小于10攝氏度且不大于60攝氏度的溫度。當(dāng)水溶液6的溫度高于60攝氏度時，所獲得的太陽能電池元件的轉(zhuǎn)化效率低，如比較例2所證實，后面將描述。當(dāng)水溶液6的溫度小于10攝氏度時，需要過長的時間來形成Zn層81。
[0078]必須以惰性氣體7填充腔室5。更精確地，在除水溶液6所占據(jù)的部分之外以惰性氣體7填充腔室5。換句話說，腔室5的下部由水溶液6占據(jù)，而腔室5的上部由惰性氣體7占據(jù)。惰性氣體7的實例是氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。
[0079]當(dāng)未以惰性氣體7填充腔室5時，所獲得的太陽能電池元件的轉(zhuǎn)化效率低，如比較例3所證實,后面將描述。因而，需要水溶液6不含有氧。
[0080]如圖8所示，由此獲得的Zn層81在其表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)。
[0081]如圖7所示，腔室5可以包括與水溶液6接觸的參比電極72。參比電極72的實例是Ag/AgCl電極。
[0082](步驟(d)):通過氧接觸將Zn層轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層
[0083]在步驟(C)之后執(zhí)行步驟(d)。
[0084]在步驟(d)中，如圖8所示，使Zn層81與氧氣接觸，以將Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82。優(yōu)選地，使Zn層81與空氣接觸。
[0085]可以將整個Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82。替代地，可以將Zn層81的一部分轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82。
[0086]如圖10所示，可以通過脈沖激光沉積法在ZnO結(jié)晶層82上形成ZnO透明電極層93。以這種方式，ZnO結(jié)晶層82與正面電極(obverse electrode) 83電連接。
[0087](實施例)
[0088]以下實施例更詳細地描述本發(fā)明。
[0089](實施例1)
[0090]如圖1所示，如下制備層壓體。
[0091]首先，通過金屬有機化學(xué)氣相沉積法(以下稱作“M0CVD”)在直徑為4英寸且厚度為450微米的非摻雜GaAs基底45上形成厚度為100納米的AlAs犧牲層44。
[0092]然后，如下在AlAs犧牲層44上形成層壓體I。
[0093]更具體地，通過MOCVD法在AlAs犧牲層44上形成由Te摻雜的GaAs層(摻雜濃度:1.0xlO19,厚度:20納米)組成的η側(cè)接觸層42。
[0094]接下來，通過MOCVD法在η側(cè)接觸層42上形成由Si摻雜的InGaP層(摻雜濃度:
1.0xlO18，厚度:100納米)組成的η側(cè)窗口層41。
[0095]通過MOCVD法在η側(cè)窗口層41上形成由Si摻雜的GaAs (摻雜濃度:1.0xlO18，厚度:100納米)組成的η型發(fā)射極層32a。
[0096]通過MOCVD法在η型發(fā)射極層32a上形成由Zn摻雜的GaAs(摻雜濃度:1.0xlO16,厚度:2.5微米)組成的ρ型基層31a。
[0097]通過MOCVD法在ρ型基層31上形成由Zn摻雜的InGaP層(摻雜濃度:1.0xlO19,厚度:50納米)組成的ρ側(cè)窗口層22。
[0098]通過MOCVD法在ρ側(cè)窗口層22上形成由Zn摻雜的GaAs層(摻雜濃度:1.0xl019，厚度:20納米)組成的ρ側(cè)接觸層21。
[0099]以這種方式，獲得圖1中所示的層壓體I。
[0100]然后，如圖2所示，通過光刻法在P側(cè)接觸層21上形成500微米見方的抗蝕膜23。通過ICP等離子體蝕刻法使用該抗蝕膜23作為第一掩模來去除層壓體I的不需要的部分。在該ICP等離子體蝕刻法中，使用BCl3和SF6的氣體混合物。層壓體I的表面積為25，OOO平方微米。
[0101]隨后，使用剝離液去除抗蝕膜。在AlAs犧牲層44上形成另一抗蝕膜(未示出)后，通過電子束真空沉積法在AlAs犧牲層44上形成厚度為50納米的鈦膜和厚度為250納米的金膜，從而形成正面電極83。
[0102]類似地，在ρ側(cè)接觸層21上形成另一抗蝕膜(未示出)之后，通過電子束真空沉積法在P側(cè)接觸層21上形成厚度為50納米的鈦膜和厚度為250納米的金膜，從而形成反面電極84。
[0103]去除這些另外的抗蝕膜。隨后，在正面電極83、反面電極84和層壓體I的側(cè)壁上形成隔離膜85。該隔離膜85由厚度為300納米的SiN膜形成。形成抗蝕膜且執(zhí)行干法蝕亥IJ，從而在隔離膜85中形成開口 86。由此，獲得圖3中所示的層壓體I。
[0104]如圖4所示，通過光刻法在隔離膜85上形成第二掩模861。隨后，通過電子束真空沉積法在層壓體I的側(cè)壁上形成厚度為50納米的鈦膜和厚度為250納米的金膜，從而形成正面電極布線部87和反面電極布線部88。
[0105]如圖5所示，去除第二掩模861。通過旋轉(zhuǎn)涂布法將蠟施用于正面電極布線部87和反面電極布線部88的表面。在蠟干燥之后，將支承基底9固定于蠟上。通過使用氫氟酸的濕法蝕刻去除AlAs犧牲層44，從而使η側(cè)接觸層42在層壓體I的底部露出。
[0106]如圖6所示，由此獲得的層壓體I與夾片(clip) 99結(jié)合。以這種方式，獲得具有層壓體I的陰極la。
[0107]如圖7所示，在腔室5中設(shè)置具有層壓體I的陰極la、由鉬電極組成的陽極71和由Ag/AgCl電極組成的參比電極72。在腔室5中設(shè)置這些電極，使得這些電極浸入到水溶液6中。
[0108]預(yù)先如下制備水溶液6。在10攝氏度的溫度下向濃度為ImM的Zn(NO3)2水溶液供應(yīng)N2氣氣泡I小時。以這種方式，去除水溶液中所含有的氧以獲得水溶液6。
[0109]預(yù)先以N2氣填充腔室5。
[0110]然后，使用恒電位儀51，將0.8V的電壓差在陰極Ia與陽極71之間施加3分鐘，以在η側(cè)接觸層42的表面(第二表面4b)上形成Zn層81。水溶液6的溫度為10攝氏度。
[0111]從腔室5中取出陰極la。用離子交換水將陰極Ia洗滌5分鐘。然后，使陰極Ia暴露于N2鼓吹以干燥陰極la。以這種方式，獲得在其表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)的Zn層81。
[0112]使包括Zn層81的層壓體I于大氣中暴露2天。以這種方式，如圖9所示，將Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82。更詳細地，將整個Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82。
[0113]最終，如圖10所示，通過脈沖激光沉積在ZnO結(jié)晶層82上形成ZnO透明電極層93，以將ZnO結(jié)晶層82與正面電極83電連接。ZnO透明電極層93具有300納米的厚度。ZnO透明電極層93具有2%重量的鎵濃度。
[0114]以這種方式，獲得太陽能電池元件101。
[0115]如圖11所示，將所獲得的太陽能電池元件101與聚光透鏡102接合，以形成太陽能電池110。
[0116]更詳細地，通過電子束真空沉積法在ZnO透明電極層93上形成厚度140納米的由MgF2膜組成的抗反射涂層104。
[0117]如圖11所示，在于其表面上包括絕緣層114和間隔區(qū)(spacer)105的冷板103上設(shè)置太陽能電池元件101。在絕緣層114上形成與正面電極83和反面電極84電連接的兩個電線(未示出)。
[0118]在聚光透鏡102的焦點處固定太陽能電池元件101以獲得太陽能電池110。
[0119]根據(jù)非專利文獻I中所公開的TLM法測量所獲得的太陽能電池110的界面電阻值。在測量過程中，用偽日光照射聚光透鏡102，這在后面描述。
[0120]如下計算所獲得的太陽能電池110的轉(zhuǎn)化效率。
[0121]以輸出能量為lOOmW/cm2的偽日光照射聚光透鏡102。
[0122]從燈中照射偽日光，其中500瓦的氙燈(可得自Wacom C0.，Ltd.)和400瓦的鹵素?zé)?可得自Wacom C0., Ltd.)組合在一起。
[0123]當(dāng)電力打 開(electrically open)正面電極83和反面電極84時測量開路電壓Voc0
[0124]當(dāng)正面電極83和反面電極84短路時測量短路電流Isc。
[0125]使用太陽能模擬器(可得自Wacom C0.，Ltd.,商品名:Super Solar simulatorWXS-90S-L2)獲得圖12中所示的1-V曲線。
[0126]基于圖12，根據(jù)非專利文獻2的公開獲得填充因子(fill factor,以下稱作“FF”)。
[0127]根據(jù)下式計算填充因子FF。
[0128]FF= (Vmax*Imax)/ (Voc^Isc)
[0129]此處，Vmax表示1-V曲線的V*I值最大時(參見圖12中的箭頭)的電壓。
[0130]Imax表示1-V曲線的V*I值最大時(參見圖12中的箭頭)的電流。
[0131]根據(jù)下式計算轉(zhuǎn)化效率。
[0132]轉(zhuǎn)化效率=Voc*Jsc*FF
[0133]此處，Jsc=Isc/S
[0134]S (有效光接收表面積)=25，000平方微米。
[0135]表1中示出結(jié)果。
[0136](實施例2)
[0137]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于Zn (NO3)2水溶液具有5M的濃度。圖13和表1中示出結(jié)果。
[0138](實施例3)
[0139]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于Zn(NO3)2水溶液具有60攝氏度的溫度。圖14和表1中示出結(jié)果。
[0140](實施例4)
[0141]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于Zn(NO3)2水溶液具有5M的濃度和60攝氏度的溫度。圖15和表1中示出結(jié)果。
[0142](比較例I)
[0143]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于Zn(NO3)2水溶液具有7M的濃度和60攝氏度的溫度。圖16和表1中示出結(jié)果。[0144](比較例2)
[0145]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于Zn(NO3)2水溶液具有70攝氏度的溫度。圖17和表1中示出結(jié)果。
[0146](比較例3)
[0147]進行與實施例1相似的實驗，不同之處在于以大氣填充腔室5。圖18和表1中示出結(jié)果。
[0148][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造太陽能電池元件的方法，所述方法包括: 制備層壓體I和腔室5的步驟(a)，其中 所述層壓體I包括P側(cè)第III族-第V族化合物電極層2、p型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31、η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32、和η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4， 所述η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4包括第一表面4a和第二表面4b， 所述P型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31介于所述P側(cè)第III族-第V族化合物電極層2與所述η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32之間， 所述η型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層32介于所述P型第III族-第V族化合物半導(dǎo)體層31與所述第一表面4a之間， 所述第二表面4b在所述層壓體I的表面露出，并且 所述腔室5具有水溶液6和惰性氣體7 ； 在步驟(a)之后，使所述層壓體I與所述水溶液6接觸使得所述第二表面4b浸入到所述水溶液6中的步驟(b)； 在步驟(b)之后，在所述惰性氣體7的氣氛下，在陽極71與所述層壓體I之間施加電壓差以在所述第二表面4b上形成Zn層81的步驟(C)，其中所述腔室5填充有所述惰性氣體7， 所述水溶液6含有濃度不小于ImM且不大于5M的Zn2+離子， 所述水溶液6不含有氧， 所述陽極71與所述水溶液6接觸， 所述層壓體I用作陰極， 所述水溶液6具有不小于10攝氏度且不大于60攝氏度的溫度，并且 所述Zn層81在其表面上具有凹凸結(jié)構(gòu)；以及 在步驟(c)之后，使所述Zn層81暴露于氧以使所述Zn層81轉(zhuǎn)化成ZnO結(jié)晶層82的步驟(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 在步驟(d)中，使所述Zn層81暴露于空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 在步驟(a)中，所述η側(cè)第III族-第V族化合物電極層4包括GaAs層42，并且 使所述GaAs層42在所述第二表面4b上露出。
【文檔編號】H01L31/052GK103503168SQ201280021270
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月21日
【發(fā)明者】小森知行, 淺野哲也 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社