專利名稱：微晶硅太陽能電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微晶硅太陽能電池的制造方法。
背景技術(shù)：
微晶硅太陽能電池相對于非晶硅(amorphous silicon)太陽能電池光劣 化(degradation )程度小，其吸光層(light absorber )的光學(xué)能隙(optical band gap)大約為l.leV,小于非晶硅的1.75eV,因此具有不僅可見光區(qū)域連近 紅外線區(qū)域(near infrared )都可以吸收的優(yōu)點。
但是，微晶硅太陽能電池的吸收系數(shù)(absorptioncoe伍cient)小，因此， 如果要在可見光區(qū)域和近紅外線區(qū)域充分吸收光，需要其厚度大約為5(^m。 如果孩i晶硅太陽能電池的厚度大約為50itmi,雖然短^各電流(short-circuit current )會上升，但需要更長的層壓時間，而且開^各電壓(open-circuit voltage ) 和填充因子(FF; fill factor )也會下降，因而整體效率下降。
因此，如果要制造厚度薄的高效率微晶硅太陽能電池，使光捕捉效果 (light trapping effect)達到最好非常重要。
在光入射的透明正面電極，其表面凹凸造成的光散射(light scattering ) 很重要。為了形成微晶硅薄膜，要求其針對氫等離子體具有耐久性，因此廣 泛應(yīng)用由氧化鋅(ZnO )構(gòu)成的透明電極。
在此，氧化鋅(ZnO )可應(yīng)用于形成薄膜太陽能電池(thin film solar cell )、 薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display; TFT LCD)、有機電激發(fā)光(Organic Electro Luminescence; OEL )元件、藍色發(fā) 光二極管(Light Emitting Diode; LED )和激光二極管(Laser Diode; LD )等 光電元件的透明導(dǎo)電膜(Transparent Conducting Oxide; TCO )和發(fā)射器 (emitter )上，并可以具有纟內(nèi)米量子點歹寸陣(nano quantum dot array )、纟內(nèi)米 棒(nanorod)、納米帶(nanobelt)等的納米結(jié)構(gòu)，因此最近很受矚目。
另外，用于薄膜(thin film)硅太陽能電池的氧化鋅透明電極的形成方 法，廣泛使用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition )、 4氐壓CVD ( LPCVD; low pressure chemical vapor deposition)等4b
3學(xué)氣相沉積方法(CVD )或者濺射(sputter)方法。為了提高導(dǎo)電率 (conductivity),將摻雜硼(B )、鋁(Al )、鎵(Ga )等n型雜質(zhì)。通過濺射 方法層壓的氧化鋅雖然導(dǎo)電率和在大氣中的穩(wěn)定性很突出，但具有層壓速度 低、大面積均勻度下降、大面積生產(chǎn)成本高、其表面不具有凹凸的缺點。 圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通過氧化鋅薄膜的凹凸形成的微晶硅剖面圖。 如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微晶硅太陽能電池在基板1上通過化學(xué)氣 相沉積方法層壓透明電極2。透明電極2包含具有'V，字型溪谷的金字塔形 狀的表面凹凸3。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微晶硅太陽能電池包含層壓在透明電極2 上的p型微晶硅(p-Mc-Si:H)窗層(圖中未示出)和純微晶硅(i-iiic-Si:H ) 吸光層6。
通過化學(xué)氣相沉積方法層壓的氧化鋅層壓速度快，在層壓于大面積基板 上時具有很高的均勻度，形成100nm至500nm大小的金字塔(pyramid)形 狀的自然表面凹凸3，其生產(chǎn)成本低，因此有利于批量生產(chǎn)。
金字塔形狀的表面凹凸3對于提高非晶硅太陽能電池的效率方面很有 效果，但是對于微晶硅太陽能電池來說，會發(fā)生如下問題。
具有金字塔形狀的表面凹凸3包含'V，字型的溪谷形狀。形成微晶硅薄 膜時，在表面凹凸3中'V，字型溪谷形狀部分起龜裂(crack)作用，將妨礙 微晶硅的形成，并形成非晶質(zhì)孕育層(incubation layer) 4和大體積的晶粒間 (grain boundary) 5。孕育層4和晶粒間5使在樣么晶石圭太陽能電池中光生成 的電子-空穴對(electron-hole pair)再結(jié)合(recombination),將降4氐^:晶珪太 陽能電池的整體特性。
另一方面，具有金字塔形狀的鋒利的表面凹凸3將限制晶硅的晶粒尺寸 (grain size),因此形成雖然結(jié)晶體體積分數(shù)(crystal volume fraction)高但晶 粒尺寸小的微晶硅。在晶粒尺寸小的微晶硅薄膜的情況下，由于晶粒間的體積 相對大，容易使吸收光而光生成的電子-空穴對再結(jié)合，因此具有利用此薄膜的 微晶硅太陽能電池效率低的缺點。
為了克服通過這種化學(xué)氣相沉積方法層壓的氧化鋅透明電極的缺點，提出 了將金字塔形狀的表面凹凸通過等離子體(plasma)處理變形為具有'U，字型平 緩溪谷形狀的表面凹凸的研究方案(Bailat J., Proc. of The 4th WCPEC, Hawaii, 2006,p.l533 )。已經(jīng)發(fā)表有下述微晶硅太陽能電池通過上述表面凹凸的變形，將提高微 晶硅太陽能電池的開路電壓和填充因子，因而制造出9.9%高效率的p-i-n型孩i 晶硅太陽能電池。但是，被提案的等離子體處理需要120分鐘以上的時間，不 適合在大規(guī)模生產(chǎn)線上利用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的微晶硅太陽能電池的制造方法，包括通過化學(xué)氣相沉積方 法將具有表面凹凸的氧化鋅透明電極層壓在絕緣基板上的階段；將上述透明電 極用酸性水溶液蝕刻的階段；在具有上述表面凹凸的透明電極上層壓微晶硅薄 膜的階段。
根據(jù)本發(fā)明的微晶硅太陽能電池的制造方法，還可以包括在經(jīng)過上述蝕刻 后將對上述基板進行濕式洗凈或者干式洗凈的階段。 上述氧化鋅透明電才及的厚度可以為2岸至2.5卿。 上述酸性水溶液濃度可以為0.5%至5%。
上述酸性水溶液可以包括鹽酸(HCL )、偏磷酸(HP03 )、硝酸(HN03 )、 乙酸(CH3C00H)中的至少一種。
將形成有上述透明電極的基板可以放入到酸性水溶液中5秒至20秒。 上述表面凹凸可以具有'V，字型溪谷形狀。


圖1.為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的通過氧化鋅薄膜的凹凸形成的微晶硅剖面圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的氧化鋅薄膜的凹凸形成的微晶硅剖面圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明的微晶硅太陽能電池制造方法的工序圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細說明本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的微晶硅薄膜，包含通過化學(xué)氣相沉積方法被覆在基板10上的 正面電才及20。如前面所述，通過化學(xué)氣相沉積方法形成正面電才及20時，正面 電極20具有金字塔形狀的鋒利的表面凹凸。
如圖2所示，在本發(fā)明的實施例中，金字塔形狀的表面凹凸通過化學(xué)蝕刻在短時間內(nèi)變得平緩。即，在圖1中示出的氧化鋅鋒利的金字塔形狀的表面凹
凸20通過化學(xué)蝕刻(chemical etch)在短時間內(nèi)變形為具有'U，字型的平緩的表 面凹凸。如上所述，由于形成具有平i爰表面凹凸的正面電才及20，因此可以制造 高效率的包括p層-i層-n層的微晶硅太陽能電池。
基板10用于薄膜太陽能電池時，作為光入射的部分，可以由透明絕緣材料 構(gòu)成，以具有優(yōu)良的光透射率并且能防止薄膜太陽能電池內(nèi)的內(nèi)部短路。
另一方面，基板lO用于薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display; TFT LCD )、有機電激發(fā)光元件(Organic Electro Luminescence; OEL)、藍色發(fā)光二極管(Light Emitting Diode; LED)等元件時，可以使用透 明絕》彖材料，以在元件內(nèi)產(chǎn)生的光通過向外部發(fā)射出去，且能夠防止元件內(nèi)的 短路。
例如，可以使用選自鈉4丐玻璃、普通玻璃、強化玻璃中的任一種，也可以 使用由聚合物材質(zhì)構(gòu)成的聚合物基板。除此之外，可以使用硅基板或者藍寶石 基板等，不局限于上述列舉的物質(zhì)。
還有，通過光入射的透明正面電極20的表面凹凸30產(chǎn)生的光散射(light scattering)很重要。為了形成微晶硅薄膜，要求針對氫等離子體具有耐久性， 因此使用由氧化鋅(ZnO)構(gòu)成的透明電極。
另外，在本發(fā)明中，用具有一定濃度的鹽酸水溶液等酸性水溶液，對正 面電極鋒利的表面凹凸進行化學(xué)蝕刻，將其變?yōu)槠骄彽谋砻姘纪埂?br> 下面，詳細說明包括上述微晶硅薄膜的微晶硅太陽能電池的制造方法。 如圖2和圖3所示，通過化學(xué)氣相沉積方法在基板10上層壓具有'V，字型鋒 利的金字塔形狀表面凹凸的透明正面電極20,其厚度為2itrni至2.5/mi( S10 )。 這時，透明正面電才及20可以包含氧化鋅，可以4參雜雜質(zhì)。
氧化鋅透明正面電才及20的電阻系凄t (resistivity)為1 x l(T3Qcm左右，電 子漂移遷移率(hall mobility)大約為30 cm2/Vs，在可見光區(qū)域內(nèi)的平均總透 射率(total transmittance )為80%以上。
如圖3所示，如果在濃度為0.5%至5%的酸性(acid)水溶液中浸泡層壓透 明正面電極20的基板5秒至20秒(S20)，透明正面電極20的表面會被蝕刻， 鋒利的金字塔形狀表面凹凸變形為平緩的環(huán)形山形狀的表面凹凸30。
酸性水溶液的濃度低于0.5%時，蝕刻率很低，因此消耗很長時間。濃度高于5%時，蝕刻率很高，難于控制，因此具有氧化鋅表面凹凸不均勻的缺點。
即，酸性(acid)水溶液的濃度為0.5%至5%時，能夠控制蝕刻且能夠完成充 分的蝕刻。
另外，用酸性水溶液蝕刻的時間低于5秒時，有可能蝕刻無法充分完成。 用酸性水溶液蝕刻的時間超過20秒時，表面凹凸變得太平緩，光捕捉現(xiàn)象減少， 有可能降低轉(zhuǎn)換效率。因此，用酸性水溶液蝕刻的時間為5秒至20秒時，由于 在短時間內(nèi)形成平緩的表面凹凸，光捕捉現(xiàn)象或者短5^電流并不減少，因此可 以防止由導(dǎo)電率和填充因子的降低而引起的轉(zhuǎn)換效率的下降。
酸性水溶液可以包含鹽酸(HCL )、偏磷酸(HP03 )、硝酸(HN03 )、乙 酸(CH3C00H)中的至少一種。
另外，通過蝕刻有可能發(fā)生透射率上升的同時導(dǎo)電率下降的情況，但獨刻 過程僅為5秒至20秒的短時間，因此其厚度不會發(fā)生明顯變化，因此在蝕刻后 可以維持電學(xué)特性或者光學(xué)特性。
如上所述，由于表面凹凸的變換，有可能提高根據(jù)開路電壓和填充因子的 效率。另外，在相同的工序下，由于晶硅晶粒尺寸的上升而微晶硅太陽能電池 的結(jié)晶體體積分數(shù)會上升。即，在一定厚度下，為了得到結(jié)晶體體積分數(shù)目標(biāo) 值，為微晶硅薄膜層壓的氫氣稀釋率(hydrogen dilutionratio)有可能減少。如 果減少氳氣稀釋率，層壓率會上升，因此具有縮短微晶硅薄膜太陽能電池的制 作時間、減少氫氣的使用量、增加生產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點。
例如，在具有通過化學(xué)氣相沉積方法層壓并且其厚度為2.1/xm的金字塔形 狀表面凹凸的氧化鋅透明正面電極上，制造厚度為2/mi的具有氫化物p型微晶 硅(p卞c-Si:H)窗層和純微晶硅(i卞c-Si:H)吸光層的太陽能電池，得到了 45% 結(jié)晶體體積分數(shù)。
與此同時，在基板上形成具有通過化學(xué)氣相沉積方法層壓并且其厚度為 2.1/xm的金字塔形狀表面凹凸30的氧化鋅透明正面電極，將氧化鋅透明正面電 極在5%乙酸中蝕刻15秒后進行洗凈。之后，通過相同的工序制造微晶硅太陽 能電池，由此可以降低孕育層的形成并且結(jié)晶體體積分數(shù)上升到54%。
化學(xué)蝕刻后，再經(jīng)過沖洗等干式洗凈或者濕式洗凈階段(S30)，形成有透 明正面電極20的基板10,裝載(loading )在等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD; plasma-enhanced chemical vapor deposition)裝置上。包4舌p層-i層-n層的孩i晶硅薄膜層壓在正面電極20平緩的表面凹凸30上，在微晶硅薄膜上形成內(nèi)電極，
由此制造微晶硅太陽能電池(S40)。 p層為摻雜III族雜質(zhì)的硅層、i層為純硅層、 n層可以為摻雜V族雜質(zhì)的硅層。
在圖2中，附圖標(biāo)號40和50為非晶質(zhì)孕育層和純微晶硅(i卞c-Si:H)吸 光層。在本發(fā)明中，正面電極20的表面凹凸通過蝕刻變?yōu)槠骄?，圖2的孕育層 40的厚度小于圖1的孕育層4的厚度。另外，圖2的純微晶硅吸光層50不會 發(fā)生如圖1的大體積的晶粒間5。因此，發(fā)生微晶硅太陽能電池光生成的電子-空穴對(electron-hole pair)再結(jié)合的現(xiàn)象會減少。
如上所述，制造微晶硅太陽能電池時，如果將適合于批量生產(chǎn)大面積薄膜 太陽能電池的氧化鋅透明正面電極通過化學(xué)氣相沉積方法被覆在基板之后，再 通過化學(xué)蝕刻工序，在短時間內(nèi)將其表面變形為具有'U，字型的平緩溪谷的環(huán)形 山形狀。這樣制造的微晶硅太陽能電池在短路電流沒有下降的情況下開路電壓 和填充因子會上升，因此可以實現(xiàn)高效率。
權(quán)利要求
1、一種微晶硅太陽能電池的制造方法，包括通過化學(xué)氣相沉積方法在絕緣基板上形成具有表面凹凸的氧化鋅透明電極的階段；用酸性水溶液對上述透明電極進行蝕刻的階段；在具有上述表面凹凸的透明電極上層壓微晶硅薄膜的階段。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于還 包括，在上述蝕刻之后對基板進行濕式洗凈或者干式洗凈的階段。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于上 述氧化鋅透明電極的厚度為2卿至2.5 ^m。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于上 述酸性水溶液的濃度為0.5%至5%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于上 述酸性水溶液包括鹽酸、偏磷酸、硝酸、乙酸中的至少一種。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于將 形成有上述透明電極的基板浸泡在酸性水溶液中5秒至20秒。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微晶硅太陽能電池的制造方法，其特征在于上 述表面凹凸具有V字型溪谷形狀。
全文摘要
本發(fā)明的微晶硅太陽能電池的制造方法，包括通過化學(xué)氣相沉積方法在絕緣基板上形成具有表面凹凸的氧化鋅透明電極的階段；用酸性水溶液對上述透明電極進行蝕刻的階段；在具有上述表面凹凸的透明電極上層壓微晶硅薄膜的階段。
文檔編號H01L31/18GK101540352SQ200910119479
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者明承燁 申請人:韓國鐵鋼株式會社