[发明专利]大面积薄膜太阳能电池的制法

说明书

技术领域

本发明于涉及一种薄膜太阳能电池(thin film solar cell)的制法，特别是涉及一种大面积薄膜太阳能电池的制法。

背景技术

在现有的各类太阳能电池中，以薄膜太阳能电池因其光电转换效率(photoelectric conversion efficiency；以下称PCE)高而广受业界所重视。薄膜太阳能电池主要是以具有黄铜矿晶相(chalcopyrite phase)的光电材料，如，硒化铜铟镓[Cu(In,Ga)Se₂，以下称CIGS]做为其一吸收层(absorber layer)。

本发明所属技术领域中的相关技术人员皆知，当薄膜太阳能电池中的CIGS吸收层与其上下界面间的能隙(energy gap)越大时，其能有效地阻止载子产生复合(recombination)，并借此提升薄膜太阳能电池的开路电压(open circuit voltage；以下称Voc)等诸多电性。因此，本发明所属技术领域中的相关技术人员无不想方设法地提升CIGS吸收层与其上下界面间的能隙。如，令CIGS吸收层至少具有单侧阶级能隙(normal grading bandgap)，或进一步地令CIGS吸收层具有一V字型结构(notch structure)的双侧阶级能隙(double grading bandgap)，以进一步地提升短路电流密度(short circuit current density；以下称Jsc)。以前述V字型结构的能隙的制法举例来说，前述CIGS吸收层大致上可分为共蒸镀法(co-evaporation)及溅镀法(sputtering)。

现有的共蒸镀法主要是使一表面沉积有Mo电极的待镀物设置于一连续型共蒸镀设备(in-line co-evaporation plant)的高真空腔里，并于蒸镀过程中持续地控制多个分别对应载有Cu、In、Ga与Se等起始物料的电极坩埚的输出功率，以借此调整自所述电极坩埚所分别蒸发出来的Cu、In、Ga与Se等气体流量，从而在该待镀物的Mo电极上沉积出一上表面及一下表面含Ga量偏高的一共蒸镀CIGS吸收层，以令该共蒸镀CIGS吸收层具有该V字型结构的能隙。

随着技术的演进，Chirilǎ,A.等人于Nature Materials,12(2013), 1107-1111公开有Potassium-induced surface modification of Cu(In,Ga)Se₂thin films for high-efficiency solar cealls一文(以下称前案1)。前案1提及，在一商用的聚酰亚胺膜(polyimide film)上共蒸镀一CIGS膜后，对该CIGS膜施予一沉积后处理(post-deposition treatment；以下称PDT)，以借此改善该CIGS膜的能隙结构。该PDT所指的是，使该CIGS膜通过共蒸镀法于该CIGS膜上先沉积一厚度约26nm的NaF膜，并进一步地在350℃的基板温度条件下，于存在有Se的环境下使KF蒸发在该NaF膜上。前案1的分析结果显示，PDT中的KF可令沉积于该CIGS膜上的CdS层内的Cd补充至该CIGS膜内的Cu空缺(vacancy)，一方面可减少CdS层所需厚度并降低短波段(400nm至500nm间)的吸收从而提升其薄膜太阳能电池的外部量子效率(external quantum efficiency；以下称EQE)；另一方面也能改善CIGS/CdS的异质接面(heterojunction)质量。然而，不论是现有的共蒸镀法或是前案1的做法，都无法实现大面积薄膜太阳能电池的目标。惟有通过溅镀法才可突破薄膜太阳能电池长期无法达成大尺寸的难题。

参阅图1，现有的溅镀法则是在一沉积有一下电极(如，Mo)100的玻璃基板10上依序溅镀上一CuGa膜11，及一In膜12，从而在该下电极100上形成一前趋物(precursor)多层膜13。进一步地，对该前驱物多层膜13施予一先硒化后硫化(sulfurization after selenization；简称SAS)的高温退火处理(annealing)，从而制得一溅镀CIGS吸收层，以令该多层膜13通过后硫化的程序使该溅镀CIGS吸收层具有该V字型结构的能隙。虽然前述现有的溅镀法可令CIGS吸收层具有该V字型结构的能隙。然而，该溅镀CIGS吸收层仍需耗费时间来实施后硫化处理才可令其吸收层具有该V字型结构的能隙，时间成本也高。