太陽(yáng)能電池及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池及其制造方法，并且更具體地說(shuō)，涉及太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu) 及其制造方法，其中，通過(guò)與晶體硅太陽(yáng)能電池和諸如Cu (In，Ga) Se2 (CIGS)太陽(yáng)能電池和 染料敏化太陽(yáng)能電池這樣的薄膜太陽(yáng)能電池中的光吸收層相鄰地設(shè)置因自發(fā)極化特性和/ 或剩余極化特性而形成內(nèi)建電場(chǎng)的電極化層來(lái)改進(jìn)該太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【背景技術(shù)】
[0002] 與當(dāng)前具有最大市場(chǎng)份額的晶體硅（Si)太陽(yáng)能電池的技術(shù)相比，薄膜太陽(yáng)能電 池技術(shù)是一種高級(jí)太陽(yáng)能電池技術(shù)，其中，薄膜太陽(yáng)能電池具有比晶體Si太陽(yáng)能電池更高 的效率，并且可以按更低成本制造。
[0003] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出不同類型的薄膜太陽(yáng)能電池，并且其典型示例是Cu(In，Ga) Se2 (CIGS) 太陽(yáng)能電池。
[0004] CIGS太陽(yáng)能電池指一種由普通玻璃基板-背電極-光吸收層-緩沖層-前透明 電極組成的電池，其中，吸收太陽(yáng)光的光吸收層由CIGS或CuIn(S，Se) 2(CIS)形成。因?yàn)樵?CIGS或CIS當(dāng)中，更廣泛使用CIGS，所以下面對(duì)CIGS太陽(yáng)能電池進(jìn)行描述。
[0005] 作為I-III-VI族黃銅礦基化合物半導(dǎo)體，因?yàn)镃IGS具有直接躍迀型能帶隙和大 約I X IO5CnT1的光吸收系數(shù)（其是半導(dǎo)體當(dāng)中的最高者之一），所以CIGS是能夠甚至以 1 μπι至2 μL?厚的薄膜來(lái)制造高效太陽(yáng)能電池的材料。
[0006] 因?yàn)镃IGS太陽(yáng)能電池即使在戶外也具有長(zhǎng)期的優(yōu)異電光穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐輻 射，所以CIGS太陽(yáng)能電池適于宇宙飛船太陽(yáng)能電池。
[0007] 一般來(lái)說(shuō)，將玻璃用作CIGS太陽(yáng)能電池的基板，但除了玻璃基板以外，CIGS太陽(yáng) 能電池還可以通過(guò)在聚合物（例如，聚酰亞胺）或金屬薄膜（例如，不銹鋼、鈦（Ti))基板 上沉積而采用柔性太陽(yáng)能電池形式來(lái)制造。具體來(lái)說(shuō)，作為低成本的高效薄膜太陽(yáng)能電池， 隨著近期在薄膜太陽(yáng)能電池當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了 19. 5%的最高能量轉(zhuǎn)換效率，CIGS太陽(yáng)能電池已 經(jīng)被獲知為可以替代晶體硅太陽(yáng)能電池的具有極高商業(yè)化潛力的太陽(yáng)能電池。
[0008] CIGS可以通過(guò)利用其它金屬離子或陰離子替代諸如銅（Cu)、銦（In)以及鎵（Ga) 這樣的陽(yáng)離子和諸如硒（Se)這樣的陰離子來(lái)使用，并且這些材料可以被統(tǒng)稱為CIGS基化 合物半導(dǎo)體。CIGS的代表化合物是Cu (In，Ga) Se2，并且CIGS基化合物半導(dǎo)體是這樣的材 料，即，其能帶隙和晶格常數(shù)可以通過(guò)改變構(gòu)成陽(yáng)離子（例如，Cu、銀仏0、111、6 &、鋁仏1)、 鋅（Zn)、鍺（Ge)、錫（Sn)等）和陰離子（例如，Se和硫（S))的類型和成分來(lái)調(diào)節(jié)。
[0009] 由此，還可以使用由包括CIGS材料的類似化合物半導(dǎo)體材料形成的光吸收層。該 光吸收層可以包括具有Ml、M2、X及其組合的化合物，其中，Ml是Cu、Ag或其組合，M2是In、 6&、八1、211、66、311或其組合，而乂是36、3或其組合）。近來(lái)，例如，諸如(：11 221^1^4(02了3)或 Cu2SnxGeyS3(CTGS)這樣的材料也可以被用作低成本化合物半導(dǎo)體材料（其中，X和y是任 意質(zhì)數(shù)）。
[0010] 即使在典型薄膜太陽(yáng)能電池中，也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于通過(guò)與壓電器件組合來(lái)進(jìn)一步 增加效率的技術(shù)。
[0011] 例如，下面等人的專利文獻(xiàn)1提出了一種改進(jìn)混和太陽(yáng)能納米發(fā)電機(jī)的效率的方 法，其中，通過(guò)在染料敏化太陽(yáng)能電池的電極上串聯(lián)或并聯(lián)安裝利用ZnO納米線的壓電納 米發(fā)電機(jī)，來(lái)收集通過(guò)機(jī)械振動(dòng)而生成的電荷，以貢獻(xiàn)于利用光電流的發(fā)電。然而，因?yàn)樵?下面專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的技術(shù)另外需要能量和設(shè)備來(lái)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，所以會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效 益。
[0012] 而且，在下面的專利文獻(xiàn)2中，公開(kāi)了一種能夠通過(guò)電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)來(lái)改進(jìn)光轉(zhuǎn)換 效率的太陽(yáng)能電池技術(shù)，其中，該技術(shù)用于通過(guò)在薄膜太陽(yáng)能電池的電極上安裝包括采用 具有場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)的納米棒、納米線或納米管形式的納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射層，有效傳遞因光而 從光敏層產(chǎn)生的電子和空穴來(lái)改進(jìn)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，作為應(yīng)用至不同的 實(shí)際薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)果，效率改進(jìn)效果可能不顯著，而且用于制造納米結(jié)構(gòu)的加工成 本可能增加。由此，與專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的技術(shù)類似，可以縮減經(jīng)濟(jì)效益。
[0013] [專利文獻(xiàn)]
[0014] 1、美國(guó)專利 US 7705523(2010. 4. 27)
[0015] 2、韓國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)公報(bào)第2011-0087226號(hào)（2011. 8. 2)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 技術(shù)問(wèn)題
[0017] 本發(fā)明的目的是，提供一種能夠進(jìn)一步改進(jìn)典型薄膜太陽(yáng)能電池或常規(guī)太陽(yáng)能電 池的光電轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池及其制造方法。
[0018] 本發(fā)明的目的是，還提供一種特別不同于混和壓電發(fā)電型太陽(yáng)能電池或利用場(chǎng)發(fā) 射層電極的太陽(yáng)能電池的、能夠在沒(méi)有或很少附加加工成本的情況下改進(jìn)光電轉(zhuǎn)換效率的 太陽(yáng)能電池及其制造方法。
[0019] 本發(fā)明的目的是，還提供一種能夠通過(guò)縮減因光吸收而在p-n結(jié)半導(dǎo)體中產(chǎn)生的 電子和空穴的復(fù)合來(lái)增加效率，并且同時(shí)通過(guò)與光吸收層相鄰地設(shè)置具有自發(fā)極化特性或 剩余極化特性的電極化材料而經(jīng)由形成的內(nèi)建電場(chǎng)來(lái)改進(jìn)電極的收集效率的太陽(yáng)能電池 及其制造方法。
[0020] 技術(shù)解決方案
[0021] 根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，提供了一種太陽(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池具有形成在彼此 面對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極之間的光吸收層，其中，在所述電極與所述光吸收層之間形成有電極 化層，該電極化層包括形成內(nèi)建電場(chǎng)的電極化材料。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，提供了一種化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池，該化合物半導(dǎo) 體太陽(yáng)能電池具有形成在彼此面對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極之間的光吸收層并且具有形成在所述 光吸收層的一個(gè)表面上的緩沖層，其中，所述緩沖層包括形成內(nèi)建電場(chǎng)的電極化材料。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，提供了一種太陽(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池具有形成在彼 此面對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極之間的光吸收層，其中，所述光吸收層包括形成內(nèi)建電場(chǎng)的電極化 材料。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，提供了一種太陽(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池具有形成在彼 此面對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極之間的光吸收層，其中，將一電極化層串聯(lián)連接至所述太陽(yáng)能電池 的至少一個(gè)電極，該電極化層包括形成內(nèi)建電場(chǎng)的電極化材料。
[0025] 所述電極化材料可以具有自發(fā)極化特性。
[0026] 所述電極化材料可以具有剩余極化特性。
[0027] 所述電極化材料可以是鐵電體或包括該鐵電體的復(fù)合材料。
[0028] 所述電極化材料可以是反鐵電體或包括該反鐵電體的復(fù)合材料。
[0029] 所述電極化材料可以具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。
[0030] 兩個(gè)或更多個(gè)電極化層可以與所述兩個(gè)電極相鄰地形成。
[0031] 所述電極化材料可以具有隧道效應(yīng)電介質(zhì)或電容器的特性。
[0032] 所述電極化材料可以包括具有2. 54eV或以下的帶隙能的材料。
[0033] 所述電極化層可以具有IOnm至IOOnm的厚度。
[0034] 該光吸收層可以包括具有Ml、M2、X及其組合的化合物，（其中，Ml是銅（Cu)、銀 (Ag)或其組合，M2是銦（In)、鎵（Ga)、鋁（Al)、鋅（Zn)、鍺（Ge)、錫（Sn)或其組合，并且X 是硒（Se)、硫（S)或其組合。
[0035] 所述鐵電體可以包括從由 BaTiO3(BTO)、PbZrTiO3(PZT)、SrTi03、CaTi0 3、CuTi03、 KTa03、KNb03、NaNb03、LiNb03、ZrHf0 2、BiFeO3W及電氣石所構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
[0036] 所述反鐵電體可以包括從由 ZrPb03、NH4H2P04、（NH 4)2H3IO6以及 Cu(HCOO) 2 ·4Η20 所 構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
[0037] 具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的所述材料可以包括從由CCTO(CaCu3Ti4O 12)、（Mg, Fe) SiO3, 以及CaSiO3所構(gòu)成的組中選擇的至少一種。
[0038] 所述光吸收層可以包括p型半導(dǎo)體、η型半導(dǎo)體以及i型（本征）半導(dǎo)體中的至 少一種。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，提供了一種制造太陽(yáng)能電池的方法，該太陽(yáng)能電池具 有形成在彼此面對(duì)設(shè)置的兩個(gè)電極之間的光吸收層，該方法包括以下步驟：在所述電極與 所述光吸收層之間或者在所述光吸收層中形成電極化層，該電極化層包括形成內(nèi)建電場(chǎng)的 電極化材料。
[0040] 可以通過(guò)向所述電極化層的兩端施加電場(chǎng)而增大所述內(nèi)建電場(chǎng)。
[0041] 為增大所述內(nèi)建電場(chǎng)而施加的所述電場(chǎng)可以小于所述太陽(yáng)能電池的反向擊穿電 壓。
[0042] 可以通過(guò)物理氣相沉積（PVD)、化學(xué)氣相沉積（CVD)、原子層沉積（ALD)或濕涂法 形成所述電極化層。
[0043] 在通過(guò)原子層沉積形成所述電極化層的情況下，所述電極化層可以通過(guò)包括以下 步驟的處理形成：將鈣（Ca)化合物前體材料和銅（Cu)化合物前體材料中的任一種材料或 兩種材料和鈦（Ti)化合物前體材料吸附到所述光吸收層；以及通過(guò)氧化反應(yīng)形成作為氧 化物的所述前體材料的吸收層。
[0044] 所述Ca化合物前體材料可以包括從Ca(Thd)2 (Tetraen)和Ca3 (thd)6中選擇的至 少一種。
[0045] 所述Cu化合物前體材料可以包括從由Cu (hfac) (tmvs) [ = CltlH13CuF6O2Si]、 Cu (hfac) 2 [ = Cu