TWI396291B

TWI396291B - 太陽能電池、其製造設備及其製造方法

Info

Publication number: TWI396291B
Application number: TW096134446A
Authority: TW
Inventors: Ga-Lane Chen
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2013-05-11
Also published as: TW200913289A

Description

太陽能電池、其製造設備及其製造方法

本發明涉及太陽能電池、用於製造該太陽能電池的設備及方法，尤其涉及一種具有可撓曲基板的太陽能電池、用於製造該太陽能電池的設備及方法。

太陽能電池主要係應用光電轉換原理，其一種典型結構主要包括基板以及設置在基板上的P型半導體材料層和N型半導體材料層。

光電轉換係指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能的過程(請參見“Grown junction GaAs solar cell”，Shen,C.C.；Pearson,G.L.；Proceedings of the IEEE,Volume 64,Issue 3,March 1976 Page(s)：384-385)。當太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其餘部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱能，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，於係產生電子-空穴對。這樣，光能就以產生電子-空穴對的形式轉變為電能，並在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，將電子驅向N區，空穴驅向P區，從而使得N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，在P-N結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型半導體層帶負電，在N區與P區之間的薄層產生所謂光生伏打電動勢。若分別在P型層和N型半導體層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、並聯起來，就能產生一定的電壓和電流，輸出功率。

近年來，太陽能電池已經廣泛應用於航天、工業、氣象等領域，如何將太陽能電池應用於日常生活，以解決能源短缺、環境污染等問題已成為一個熱點問題。這其中，將太陽能電池與建築材料相結合，使得未來的大型建築或家庭房屋實現電力自給，係未來一大發展方向，德國、美國等國家更提出光伏屋頂計畫。

然而一般的太陽能電池的基板都採用單晶矽、多晶矽或玻璃等材料，這些材料不易撓曲，難以固定在一個彎曲的表面上，限制了太陽能電池面板的形狀及安裝位置，尤其在希望把其應用於與建築材料結合的模件中時，會受到許多限制。

有鑒於此，有必要提供一種具有可撓曲基板的太陽能電池、製造該太陽能電池的設備及其製造方法。

一種太陽能電池，其包括一個可以撓曲的基板，一層背電極，一層P型半導體層，一層P-N結層，一層N型半導體層，一層透明導電層及一層前電極。該基板的材料係不銹鋼。該背電極形成在該基板的一個表面上。該P型半導體層形成在該背電極上。該P-N結層形成在該P型半導體層上。該N型半導體層形成在該P-N結層上。該透明導電層形成在該N型半導體層上。該前電極形成在該透明導電層上。

一種用於製造太陽能電池的設備，其包括一個纏繞室及一個鍍膜室。該纏繞室內設置有一個放捲軸和一個收捲軸，該放捲軸用於纏繞可以撓曲的不銹鋼基板並且將該基板從該放捲軸放出，該收捲軸用於將鍍膜後的該基板捲起。一個鍍膜室依次設置有第一濺射區、第一沈積區、第二濺射區、第二沈積區、第三濺射區及第四濺射區，每個區分別設置有至少一個滾軸，可以撓曲的不銹鋼基板的第一端纏繞在放捲軸上，該不銹鋼基板的第二端依次通過各滾軸纏繞在收捲軸上，從而該不銹鋼基板可以從放捲軸出發依次經過第一濺射區、第一沈積區、第二濺射區、第二沈積區、第三濺射區及第四濺射區，從而纏繞在該收捲軸上。該第一濺射區用於通過濺射法在基板的一個表面上形成一層背電極，該第一沈積區用於通過化學氣相沈積法在該背電極上形成一層P型半導體層，該第二濺射區用於通過濺射法在該P型半導體層上形成一層P-N結層，該第二沈積區用於通過化學氣相沈積法在該P-N結層上形成一層N型半導體層，該第三濺射區用於通過濺射法在該N型半導體層上形成一層透明導電層，該第四濺射區用於通過濺射法在該透明導電層上形成一層前電極，從而得到太陽能電池。

一種太陽能電池的製造方法，其包括以下步驟：將不銹鋼基板的一端纏繞於放捲軸，將該不銹鋼基板的另一端經過滾軸捲繞在收捲軸上；從該放捲軸釋放該不銹鋼基板，使該不銹鋼基板依次經過第一濺射區、第一沈積區、第二濺射區、第二沈積區、第三濺射區及第四濺射區，從而捲繞在收捲軸上，其中，在該第一濺射區通過濺射法在基板的一個表面上形成一層背電極，在該第一沈積區通過化學氣相沈積法在該背電極上形成一層P型半導體層，在該第二濺射區通過濺射法在該P型半導體層上形成一層P-N結層，在該第二沈積區通過化學氣相沈積法在該P-N結層上形成一層N型半導體層，在該第三濺射區通過濺射法在該N型半導體層上形成一層透明導電層，在該第四濺射區通過濺射法在該透明導電層上形成一層前電極，從而得到太陽能電池。

相對於先前技術，本發明太陽能電池的基板係可撓曲的不銹鋼基板，故太陽能電池可撓曲，將其應用於建築領域時，更容易配合建築物本身的形狀設計成不同幾何形狀的太陽能電池，使設計更有彈性。

10‧‧‧太陽能電池

101‧‧‧基板

102‧‧‧背電極

103‧‧‧P型半導體層

104‧‧‧P-N結層

105‧‧‧N型半導體層

106‧‧‧透明導電層

107‧‧‧前電極

1012‧‧‧基板的表面

20‧‧‧捲軸式鍍膜系統

202‧‧‧捲繞室

204‧‧‧鍍膜室

206‧‧‧放捲軸

208‧‧‧收捲軸

210‧‧‧滾軸

212‧‧‧導向軸

2041‧‧‧第一濺射區

2042‧‧‧第一沈積區

2043‧‧‧第二濺射區

2044‧‧‧第二沈積區

2045‧‧‧第三濺射區

2046‧‧‧第四濺射區

圖1係本發明實施例太陽能電池的剖面示意圖；圖2係本發明實施例用於製造太陽能電池的捲軸式鍍膜系統的剖面示意圖。

下面將結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明實施例太陽能電池10包括一個基板101，基板101具有一個表面1012，基板101的表面1012上依次形成有：背電極(Back Metal Contact Layer)102，P型半導體層103，P-N結層104，N型半導體層105，透明導電層(Transparent Conductive Oxide)106，及前電極(Front Metal Contact Layer)107。

基板101係可撓曲的不銹鋼薄片(Stainless Steel Thin Foil)，基板101的厚度大約在10μm至100μm之間。基板101的材料可以係奧氏體(Austenitic)不銹鋼，鐵素體(Ferritic)不銹鋼，馬氏體(Martensitic)不銹鋼等。

背電極102的材料可以係銀(Ag)，銅(Cu)，鉬(Mo)，鋁(Al)，銅鋁合金(Cu-Al Alloy)，銀銅合金(Ag-Cu Alloy)，或者銅鉬合金(Cu-Mo Alloy)等。背電極102可以採用濺射(Sputtering)或者沈積(Deposition)的方法形成。

P型半導體層103的材料可以係P型非晶矽(P-type amorphous silicon，簡稱P-a-Si)材料，特別係P型含氫非晶矽(P-type amorphous silicon with hydrogen，簡稱P-a-Si：H)材料。當然，該P型半導體層的材料也可以係III-V族化合物或II-VI族化合物，特別係摻雜鋁(Al)、鉀(Ga) 、銦(In)的半導體材料，如氮化鋁鉀(AlGaN)或鋁砷化鎵(AlGaAs)。

優選地，P型半導體層103的材料為P型非晶矽材料。非晶矽材料對光的吸收性比結晶矽材料強約500倍，所以在對光子吸收量要求相同的情況下，非晶矽材料製成的半導體層的厚度遠小於結晶矽材料製成的半導體層的厚度。且非晶矽材料對基板材質的要求更低。所以採用非晶矽材料不僅可以節省大量的材料，也使得製作大面積的太陽能電池成為可能(結晶矽太陽能電池的面積受限於矽晶圓的尺寸)。

P-N結層104的材料可以係結合性較好的III-V族化合物或I-III-VI族化合物，如碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe₂)等材料。也可以係銅銦鎵硒(CuIn_1-XGaSe₂,CIGS)。該P-N結層132用於將光子轉換成電子-孔穴對並形成勢壘電場。該P-N結層132可以通過化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)，濺射法等方法形成。

N型半導體層105的材料可以係N型非晶矽(N-Type Amorphous Silicon，簡稱N-a-Si)材料，特別係N型含氫非晶矽(N-Type Amorphous Silicon With Hydrogen，簡稱N-a-Si：H)材料。當然，該N型半導體層133的材料也可以係III-V族化合物或II-VI族化合物，特別係摻雜氮(N)、磷(P)、砷(As)的半導體材料，如氮化鉀(GaN)或磷化銦鎵(InGaP)。

透明導電層106的材料可以係，例如，銦錫氧化層(Indium Tin Oxide,ITO)，氧化鋅(ZnO)等。

前電極107的材料可以係銀(Ag)，銅(Cu)，鉬(Mo)，鋁(Al)，銅鋁合金(Cu-Al Alloy)，銀銅合金(Ag-Cu Alloy)，或者銅鉬合金(Cu-Mo Alloy)等。

相對於先前技術，本發明太陽能電池10的基板101係可撓曲的不銹鋼薄片，故太陽能電池10可撓曲，將其應用於建築領域時，更容易配合建築物本身的形狀設計成不同幾何形狀的太陽能電池，使設計更有彈性。而且，不銹鋼薄片價格相對較便宜，從而可以降低太陽能電池10的成本，有利於太陽能電池10的進一步大範圍推廣。此外，本發明太陽能電池10不僅可以應用於建築領域，由於其具有可撓曲、且成本低等特性，還可以廣泛地應用於航天器，交通工具，以及手機等3C產品上。

以下介紹一種製造太陽能電池10的設備及方法。

請參閱圖2，捲軸式鍍膜系統20包括一個捲繞室202及一個鍍膜室204。捲繞室202內設置有一個放捲軸206及一個收捲軸208。

鍍膜室204從左至右依次包括第一濺射區2041、第一沈積區2042、第二濺射區2043、第二沈積區2044、第三濺射區2045及第四濺射區2046。

第一濺射區2041、第二濺射區2043、第三濺射區2045及第四濺射區2046分別用於通過濺射法形成太陽能電池的背電極102、P-N結層104、透明導電層106及前電極107。在本實施例中，濺射法優選採用直流磁控濺射法(Direct Current Magnetron Sputtering)。各個濺射區的濺射靶材(圖未示)根據不同的材料選擇。例如，對於第一濺射區2041，根據所需要形成的背電極102的材料，濺射靶材可以係銀，銅，鉬，鋁，銅鋁合金，銀銅合金，或者銅鉬合金等。

第一沈積區2042及第二沈積區2044分別用於通過化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)形成太陽能電池10的P型半導體層103及N型半導體層105。在本實施例中，沈積法優選採用等離子體輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)。

每個濺射區及沈積區內分別設置有至少一個滾軸210，滾軸210用於支撐待鍍膜的基板101。在本施實例中，滾軸210內還可以設置有冷卻液體(圖未示)，有利於基板101散熱，使其在整個鍍膜的過程中始終保持相對較低的溫度。捲繞室202及鍍膜室204之間設置有導向軸212，導向軸212用於引導待鍍膜的基板101前進。

採用捲軸式鍍膜系統20製造太陽能電池的方法如下所述：在鍍膜前，放捲軸206、導向軸212、滾軸210及收捲軸208之間纏繞有待鍍膜的基板101，基板101係不銹鋼薄片。通過在基板101的表面1012上鍍膜依次形成背電極102等結構，從而得到太陽能電池10。

當電機(圖未示)帶動放捲軸206順時針轉動時，導向軸212、滾軸210跟著逆時針轉動，而收捲軸208跟著順時針轉動。從放捲軸206出發的基板101經過導向軸212到達第一濺射區2041，滾軸210將基板101冷卻並且將其溫度保持在合適的溫度，在第一濺射區2041進行濺鍍(Sputtering)，在基板101的表面1012上形成背電極102。

收捲軸208繼續帶動基板101前進，具有背電極102的基板101的部分抵達第一沈積區，滾軸210冷卻基板101並且將其溫度保持在合適的溫度，在第一沈積區2042進行等離子體輔助化學氣相沈積，在背電極102上形成P型半導體層103。

收捲軸208繼續帶動基板101前進，具有背電極102及P型半導體層103的基板101的部分抵達第二濺射區2043，滾軸210冷卻基板101並且將其溫度保持在合適的溫度，在第二濺射區進行濺射，在P型半導體層103上形成P-N結層104。

具有背電極102、P型半導體層103及P-N結層104的基板101的部分依次經過第二沈積區2044、第三濺射區2045及第四濺射區2046，依次形成N型半導體層105、透明導電層106及前電極107，從而得到圖1所示的太陽能電池10。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。