TW201234619A - Thin film silicon solar cell in multi-junction configuration on textured glass - Google Patents

Description

201234619 、發明說明： 相關申請案之交叉引用 本申請案主張在專利法之下的20 10年9月3日提出申 請的美國臨時申請案第61/379844號的優先權之權益， 依賴該美國臨時申請案之内容，且該美國臨時申請案之 内容以引用之方式全部併入本文。 【發明所屬之技術領域】 實施例大體而言係關於所謂的多接面類型之太陽能電 池或太陽能模組，例如，矽串聯的，亦即，具有紋理化 表面的基板上光電吸收體裝置之堆疊佈置。 【先前技術】 第1圖為此項技術中已知的串聯接面矽薄膜太陽能電 池之圖示。此薄膜太陽能電池100通常包括第一電極或前 電極12、一個或更多半導體薄膜卜丨^接面（具有層“、 16及18的頂部電池30及具有層2〇、22及的底部電池32) 及第二電極或背電極26,該第一電極或前電極12、該一 個或更多半導體薄膜p_i_n接面及該第二電極或背電極 26連續地堆疊於基板1〇上。每一p_i_n接面3〇、32或薄膜 光電轉換單元包括i型層16、22，該等i型層16、22夾在p 型層14、20與n型層18、24之間（卩型^正摻雜的，^^型二 負摻雜的型及η型層可為非晶或微晶的。在此上下文 中大體上本質理解為無摻雜的或顯示基本上沒有所產生 3 201234619 的摻雜。光電轉換主要發生在此i型層中；該1型層因此 亦稱為吸收體層。通常在背電極上包括背反射體28。 取決於i型層16、22之結晶分數（結晶度），太陽能電 池或光電（轉換）裝置之特徵為非晶（非晶石夕1〇或微 晶（微晶梦22)太陽能電池’而與鄰近？層及11層之結晶 種類無關。如此項技術中常見的，將徵逼廣理解為由非 晶基質中顯著分數之晶體矽（所謂的微晶）組成的層。 〇 p-i-n接面之堆疊稱為串聯或三接面光電電池。如第工圖 中所示，非晶及微晶p-i-n接面之組合亦稱為微非晶串聯 電池。光箭頭34通常自沈積基板之側入射，以使得該基 板在電池配置中變為頂置板。 此項技術領域中已知的電漿增強化學氣相沈積 (plasma-enhanced Chemical vap〇r dep〇shi〇n; pECVD)沈 積系統示意性地圖示於第2圖中。基本上’ pEcvD反應 ❹器200包含兩個金屬電極36、38,該兩個金屬電極％、^ 分別具有外表面36a、38a。該等電極在基本上平行於彼 此的平面中彼此間隔地佈置。基於氣源（未圖示）向反 應器200提供反應性氣體（或氣體混合物），藉由射頻放 電產生電漿。已知的泵構件可用於經由出口（在第2圖中 省略）排出廢氣。藉由至少—個射頻源4〇產生射頻放電， 該至少一個射頻源4〇連接至該等電極中之一個電極，此 處為電極36。如第2圖t所示，其他電極38接地。此電氣 方案可改變且並非意欲為限制性的。 4 201234619 可在内部處理空間42中觀察電漿，該内部處理空間42 在電極36與電極38之間延伸。基板u可佈置於該等電極 中之一個電極上，在第2圖中，基板u可佈置於下部電極 38上。基板11可為大體上均勻厚度之介電板，該介電板 在操作PECVD反應器200期間界定内部處理空間42之下 限，以便該基板11曝露於電漿放電之處理動作。基板u 之接觸面與電極36之接觸面之間的距離標記為d ;在操 ◎ 作期間’該等表面朝向電裝。 負責太陽能電池/模組中之光電效應的大多數層沈積 於PECVD系統中。十分常見的應用為沈積矽之摻雜層及 無摻雜層及某些結晶度之矽化合物。 「柵極同等」標示所謂的替代能源產生之邊界，自該 邊界點起，此替代能源產生被視為完全可與以習知方式 產生的能源競爭。應藉由增強太陽能電池之總效率來實 現此舉，增強太陽能電池之總效率進一步允許減小太陽 U 能電力系統之安裝成本。 藉由製造工業上可行的所謂薄膜串聯接面電池來實現 邁向薄膜矽技術之重要步驟。基於瑞士紐沙特大學的

Johannes Meier 及 Ulrich Kroll 在 1990年中期的著作，基 於非晶矽的接腳接面與基於微晶矽的另一接腳接面之組 口已成為科學積極關注的領域。 通常認為，光捕獲能力為高效率的薄膜太陽能電池之 關鍵性質。光捕獲意謂薄膜矽太陽能電池之增加的光學 吸收。此舉與較短沈積時間之工業要求一起定義所有的 201234619 薄膜矽太陽能電池開發之主要目標。此開發之第一成分 為太陽能電池之前透明導電氧化物（transparent conductive oxide; TCO)層，且第二成分（如本文隨後將 圖示的）為基底基板10之表面結構；第1圖中所示基板1〇 與前電極12之間的介面之紋理更精確。 此没計之一般缺點為吸收體層之「光學厚度」（該「光 學厚度」應較大’以增強吸收）與電極間距離即「電學 〇 厚度」之間的折衷，該「電學厚度」應較小，以降低

Staebler-Wronsk效應對電池效率的長期影響。為了降低 Staebler-Wronsk效應對非晶Si電池的影響，公認的方法 為減小電池厚度。然而甚至當沈積於高質量光散射TC〇 上’該尚質量光散射TCO經最佳化以將光最大化地捕獲 於後續Si層中時，此舉亦限制極限電池效率。為了增加 串聯（多接面）裝置中的薄（小於300 nm厚）非晶石夕太 陽能電池中之電流’可使用中間反射體。最終，對於串 〇 、 聯（微非晶）裝置之進一步增強的效率而言，微晶8丨之 相對較厚（約2微米）的層是有利的。 表面紋理化基板之光散射性質在最佳化薄膜太陽能電 池效能之製程中已成為重要問題。由於串聯非晶石夕/微晶 矽（非晶Si/微晶Si )( Si串聯）光電太陽能電池中之光捕 獲不僅產生較高的短路電流（Jsc)，而且允許較薄的本質 石夕層，尤其較薄的微晶Si層，該較薄的微晶!§i層對於減 小製造此太陽能電池之總成本尤其重要，故串聯非晶石夕/ 微晶石夕（非晶Si /微晶Si)(Si串聯）光電太陽能電池中之 6 201234619 光捕獲對於提供高量子效率是有利的。正是由於此等原 因及潛在的巨大市場時機’非晶Si/微晶Si串聯光電太陽 能電池中之光捕獲吸引顯著的關注，如文獻中所見。 光散射亦取決於透明導電氧化物（TCO)之形態。此等 薄膜太陽能電池中之有效率的光捕獲係基於粗糖介面處 之光散射，粗糙介面處之該光散射藉由使用頂置板及/ 或具有紋理化表面的TCO來引入太陽能電池中。傳統 上’ Si串聯太陽能電池已僅使用表面紋理化的TCO層， 通常為ZnO或者Sn〇2型。歸因於不充分的光捕獲，微 晶Si厚度增加超過2 μιη，以獲取十分高的電池效率。 記錄的Si串聯電池效率為Kaneka (〇saka，Japan)的 11.7%，該記錄為自2004年以來始終保持的記錄。 【發明内容】 個實施例為一種薄膜太陽能電池，該薄膜太陽 〇 池包含： 基板該基板包含紋理化表面，該纹理化表面包含特 徵結構；以及 前電極層，該前電極層包含鄰近於該紋理化表面的透 明導電氧化物，其中該雷搞 及電極層具有小於該紋理化表面之 橫向特徵結構平均尺寸1.5倍之平均厚度。 :實施例為—種薄膜太陽能電池，該薄膜太電 池包含： 201234619 基板，該基板包含绞搜/μ I^ ^ ^3双理化表面，該紋理化表面包含特 徵結構，其中該故理介矣品+ # & Μ视，L从 化表面之橫向特徵結構平均尺寸為 50 nm或更大，且其中當、-A目士 , , rn/丄、t 八甲电池具有11.5%或更大之穩定效率。 另一實施例為一種物品，該物品包含：玻璃基板，該 玻璃基板包含紋理化表面，該紋理化表面包含特徵結 構，其中該紋理化表面具有處於自25〇 nm至3〇〇〇 nm之

範圍内的RMS粗掩度及處於自至6_之範圍内的相 關長度。 將在隨後的詳細描述中闡述本發明之額外特徵結構及 優點，且部分之額外特徵結構及優點將由熟習此項技術 者自該描述而易於顯而易見或將藉由實踐所寫描述及本 發明之申請專利範圍以及附加圖式中描述的本發明來辨 識。 應理解，上文一般描述及以下詳細描述兩者皆僅為本 發明之例且料上文一般描述及以下詳細#述意欲 提供用於理解本發明所主張的本發明之本質及特性之概 述或框架。 包括隨附圖式以提供本發明之進一步理解，且該等隨 附圖式併入本說明書中且構成本說明書之部分。該等圖 式圖示本發明之一或更多實施例，且該等圖式與該描述 一起用來闡釋本發明之原理及操作。 【實施方式】 8 201234619 將詳、、、田參閲本發明之各種實施例，該等各種實施例 之實例圖示於隨附圖式中。在任何可能的情況下，將在 整個圖式中使用相同的元件符號來代表相同或類似的元 件。 如本文所使用的，術語「處理」包括作用於基板上的 任何化學、物理或機械效應。在本發明之意義上的隸 為將在處理設備或系統中處理的組件、元件或工件。基

Ο 板包括（但不限於）平坦的板形元件，.該等平坦的板形 兀件具有矩形、方形或圓形形狀。在—個實施例中本 發明闡明尺寸>0.5 m2 (例如M m2)諸如薄玻璃板之基 本上平坦的基板。 本文所使用的「真空處理（pr〇cessing)或真空處理 (treatment)系統或設備」包含至少—個外殼，該至少一 個外殼用於在低於環境氣壓之壓力下處理基板。 如本文所使用的，術語「化學氣相沈積（Chemicai Vapour Deposition; CVD)」為熟知的技術’該技術允許 在加熱的基板上沈積層。通常將通常的液體或氣體前驅 物材料饋送至處理系統，在該處理系統處，該前驅物之 熱反應導致沈積該層。LPCVD為用於低壓CVD之常見術 語。 「二乙基辞（Diethyl Zinc; DEZ)」為用於在真空處理裝 備中產生某些TCO層之前驅物材料。 「tco」代表「透明導電氧化物」，「TC〇層」因此為 透明導電層。 9 201234619 如本文所使用的’術語「層、塗層、沈積及膜」在本 揭示案中可互換地用於在真空處理裝備中沈積的膜該 膜為CVD、LPCVD、電漿增強的CVd (PECVD)或PVD(物 理氣相沈積）膜。 如本文所使用的，術語「太陽能電池或光電電池（PV 電池）」用以描述電組件，該電組件能夠藉由光電效應將 光（基本上日光）直接轉化成電能。 〇 如本文所使用的，—般意義上的術語「薄膜太陽能電 池」在支撐基板上包括p_i_n接面，該pin接面藉由半導 體化合物之薄膜沈積建立，該等半導體化合物夹在兩個 電極或電極層之間。^丨巧接面或薄膜光電轉換單元包括 本質半導體化合物層，該本質半導體化合物層夾在P摻雜 半導體化合物層與n摻雜半導體化合物層之間。術語「薄 膜」指不所提及的層正藉由如pEVCD、CVD、pvD或類 似製程的製程沈積為薄層或膜。薄層基本上意謂具有1〇 ϋ μΓη或更少之厚度的層’例如小於—，例如小於2叩。 如本文所使用的，取決於光電電池之配置，術語「基 板」可用以描述基板或者頂置板。舉例而言，若在基板 裝配至光電電池中時，該基板在光電電池之光入射側， 則該基板為頂置&。頂置板可提供保冑光電材料免受衝 擊與環境惡化’而允許太陽光譜之適當波長之傳送。此 外，可將多個光電電池佈置至光電模組中。 201234619 如本文所使用的，術語「鄰 矸宏羔丸J丄 砷迎」叼疋義為極為接近。 鄰近結構可能或可能不與彼此進行實體接觸。鄰近結構 可具有設置於該等鄰近結構之間的其他層及/或 一個實施例為薄膜太陽能電池，該薄膜太陽能電池包 含： 基板，該基板包含紋理化表面，該紋理化表面包 徵結構；以及 〇 冑電極層，該前電極層包含鄰近於該紋理化表面的透 明導電氧化物，其中該電極層具有小於該紋理化表面之 橫向特徵結構平均尺寸1.5倍之平均厚度。 另一實施例為薄膜太陽能電池，該薄膜太陽能電池包 含： 基板’該基板包含紋理化表面，該紋理化表面包含特 徵結構’其中該紋理化表面之橫向特徵結構平均尺寸為 50 nm或更大’且其中電池具有丨丨·5%或更大之穩定效率。 〇 另一實施例為物品，該物品包含：玻璃基板，該玻璃 基板包含紋理化表面，該紋理化表面包含特徵結構，其 中該紋理化表面具有處於自250 nm至3000 nm範圍内的 RMS粗糖度及處於自2 μιη至6 μιη (例如，2 μπι至5 ， 例如，2 μιη至4 μπι，或例如，大於2 μιη至6 μιη，例如， 大於2 μπι至5 μπι，例如’大於2 μπι至4 μιη )範圍内的相 關長度。該物品可用於本文所述之薄膜太陽能電池之實 施例中的任一個實施例。 11 201234619 第12A圖為包含纹 示。第之基板11之横截面圖 圖示Zb表面化表面“之基板11之由頂向下 構尺寸射 包含錢結構46。可藉由用特徵結 、《每—特徵結構尺寸48之和除以特徵結構之 構之特/算横㈣徵結構平均尺寸。例如凹形特徵結 構之特徵結構尺寸藉由每—㈣結構之最長橫向長度 (諸如’局部表面最高點37之間的距離）來量測。例如

2形特徵結構之特徵結構尺寸藉由每-特徵結構之最長 向長度（諸如’第1〇圓中所示局部表面最低點Ο之間 的距離）來量測。 儘管玻璃為選擇用於沈積頂置板型薄膜石夕太陽能電池 之基板，但迄今為止幾乎沒有在該玻璃上沈積以促使 太陽能電池之效能改變。在OerUkon太陽能實驗室與 Corning公司之間的共同研究努力下，在紋理化玻璃基板 上開發微非晶串聯電池。此處藉由LpcvD2 Zn〇作為前 TCO與玻璃基板之紋理組合進行研究。 表面紋理化基板（例如，紋理化玻璃）對於薄膜多接 面光電太陽能電池中（例如）薄的TC0及微晶si層改 良的光捕獲及改良的電池效率是有利的。根據一些實施 例’表面紋理化基板可藉由化學機械製程或者玻璃上的 溶融粒子來完成。此等基板可提供自此等紋理化表面之 光散射的增加’該光散射的增加在（例如）si串聯石夕層 中產生增加的光捕獲。紋理化玻璃表面實現高效率^串 聯電池，該高效率Si串聯電池具有薄的TCO及矽層，尤 12 201234619 其微晶si層。頂置板紋理、TC〇&Si串聯電池之次電池 的厚度之適當組合產生較高的電池效率。當與非晶幻與 . 微晶以電池之間的中間反射體組合時，紋理化玻璃表面 . 提供足夠的光捕獲以將微晶s i厚度減小至小於或等於3 μιη之實際厚度。非晶SiGe:H合金亦可同樣受到紋理化玻 璃基板之光捕獲能力的積極影響。三接面之實例為非晶 Si/非晶SiGe/非晶SiGe、非晶Si/非晶SiGe/微晶si及非晶 O Sl/微晶Si/微晶Si。夹層（例如，中間反射體）亦可以實 施不同配置，尤其在中間電池之後。又，玻璃紋理可替 代可藉由（例如）沈積厚的TC〇&借助化學或電漿手段 蝕刻該TCO來獲取之紋理。因此具有紋理化頂置板之高 效率電池可製成具有 <丨·5叫之實際的LPCVD TCO厚 度。所得穩定的電池效率可5%。 藉由化學機械製程或者玻璃上之熔融粒子的表面紋理 化產生自此等表面之增加的光散射，此舉允許Si串聯矽 層中之增加的光捕獲。然而，吾人亦展示，在一些情況 下可存在將有益於電池效率改良之表面粗糙度之限制。 舉例而言，具有增加的粗糙度（例如，具有尖銳的特徵 結構）之表面可引起太陽能電池之顯著的分路。另一方 面，具有減小的粗糙度（例如，更多軟特徵結構）之表 面在仍產生一些光散射時不會顯著地改良電池效率。此 外，紋理化玻璃表面實現使用薄的TC〇及矽層（尤其薄 的微晶Si層）製造Si串聯電池。此外，當沈積於紋理化 基板上時，Sl串聯電池層、TCO、非晶Si及微晶Si可獲得 13 201234619 額外的粗糙度，因為該等Si串聯電池層、TCO、非晶Si 及微晶Si的晶體生長可受到紋理化基板的影響。Si串聯 電池頂置板及層之紋理及厚度之適當組合產生增加的電 池效率。 第7圖及第8圖為基板11之掃描電子顯微鏡（SEM)影 像，該等基板11包含紋理化玻璃表面44，該紋理化玻璃 表面44包含特徵結構46，該等特徵結構46具有設置於根 據一個實施例之紋理化表面上的TCO 50。第7 ®中之 SEM為研光且蝕刻的基板之65度視圖，該研光且蝕刻的 基板包含紋理化玻璃表面，該紋理化玻璃表面塗覆有 TCO，該TCO包含B摻雜的ZnO。第8圖為研光且蝕刻的 基板之橫截面SEM圖，該研光且蝕刻的基板包含紋理化 玻璃表面，該紋理化玻璃表面塗覆有TCO，該TCO包含B 摻雜的ZnO。 第9圖及第10圖為基板11之掃描電子顯微鏡（SEM)影 像，該等基板11包含紋理化玻璃表面44，該紋理化玻璃 表面44包含特徵結構46，該等特徵結構46具有設置於根 據一個實施例之紋理化表面上的TCO 50。第9圖中之 SEM為鹼石灰基板表面上的2.5 μιη二氧化矽粒子之65度 視圖，該鹼石灰基板表面塗覆有TCO，該TCO包含Β摻雜 的ZnO。第10圖為紋理化玻璃基板之橫截面SEM圖，該 等紋理化玻璃基板包含根據一個實施例之熔融粒子。在 此實施例中，2.5微米二氧化矽粒子熔融至鹼石灰基板 上，以產生紋理化表面。該紋理化表面塗覆有TCO，該 14 201234619 TCO包含B摻雜的Zn〇。例 寸,由每一姅竹㈣ 心特徵結構之特徵結構尺 寸措由每#徵結構之最長横向長度（諸如 最低點47之間的距離）來量測。 #表面 在一個實施例中，雷炻& 罨極層具有小於紋理化表面之橫向 特徵結構平均尺寸1.5倍之平均厚户 八 勺厚度。在一些實施例中， 除大多數較大㈣徵結構之外，可能存在㈣、的特徵社 構。舉_言’在第8圖中’由37指示的局部最高點分隔

〜m米。在第糊中，由47指示的局部表面最低點分隔 〜3微米。TCO之厚度為12微米，該厚度小於圖中所示橫 向特徵結構尺寸。 根據-個實施例的串聯接面薄膜太陽能電池之特徵結 構300圖示於第3圖中。薄膜太陽能電池包含基板U，該 基板11較佳地為在表面上具有紋理之玻璃，在製造太陽 能電池期間’功能層12、30、31、32、26及27之沈積發 生在該表面上。換言之，（玻璃）基板11之紋理化側（表 面）充當太陽能電池堆疊12、30、31、32、26及27之介 面。前電極層12包含透明且導電層，諸如TCO，該前電 極層12應用於基板u。矽化合物層之第一堆疊p_i_n光電 轉換單元或頂部電池30較佳地具有非晶矽吸收體，該第 一堆疊應用於該前電極層12上。夾層31可應用於鄰近該 p-i-n層堆疊或頂部電池3〇。此外，第二p_i_n光電轉換單 元或底部電池32堆疊於夾層31上（在存在的情況下，否 則直接位於頂部電池30上）。第二p-i-n光電轉換單元或 底部電池32較佳地顯示微晶矽吸收體層。背電極層26再 15 201234619 次較佳地為TCO，該背電極層26佈置於頂部電池μ之 上。另一層後觸點27提供反射光，該反射光未被頂部或 底部電池吸收，反向進入層堆疊中。其他後觸點可基於 薄的 ZnO (50-100 nm) ’ 該薄的 ZnO具有 >1〇〇 Ag/ 咬 A1 或多層之Ag/Al。此反射體可為鏡面式的或（較佳）漫射 的，且可由反射金屬層、白色塗料、白色落或類似物製 成。光箭頭34通常自沈積基板之側入射，以使得該基板 0 在電池配置中變成頂置板。 第4圖表示平坦且紋理化玻璃基板上的頂部及底部電 池之量子效率（quantum efficiency; QE)曲線。在紅光至 紅外光域中藉由玻璃紋理顯著地改良EQE。對於第4圖中 給定的相同頂部電池而言’此舉產生自12 2 mA/cm2至 13.2 mA/cm2之底部電池電流改良。應注意，存在於平坦 基板上的輕微干涉條紋在紋理化玻璃上消失。在此實驗 中’頂部及底部電池厚度分別為250 nm及1200 nm。儘 ^ π 官相對薄的底部電池，自量子效率估計的紋理化基板上 底部電池電流密度為13 2 mA/cm2。此狀況為多i mA/cm2 或平坦玻璃基板上底部電池之電流密度的82%之相當 大的增加。 此等紋理化玻璃上的微非晶太陽能電池之進一步最佳 化允許具有異常效能之裝置。較佳實施例或電池設計經 識別用於紋理化玻璃。該電池設計由僅1.2 μιη之前ZnO 層組成’且具有基於所實施的η摻雜的二氧化矽的中間反 射體（爽層）。此外，無防反射（anti reflecti〇n; AR)塗層 16 201234619 併入此裝置中。此防反射塗層通常將塗敷於曝露於光的 基板11之侧。此AR可進一步改良總體電池之效率。 曝路於光的電池效能之降級為由Staebler-Wronski效 應造成的使用非晶S i的太陽能電池熟知問題。對電池的 影響為，由填充因子之減小及短路電流密度之更少的減 小造成的電池效率降低。減小之量值為非晶s丨厚度之函 數’其中基於百分率，較厚電池比較薄電池降級更多。 由於此原因’非晶Si電池通常限於<300nm之厚度或較佳 地<25 0 nm之厚度。效應既存在於單一接面非晶Si電池中 又存在於串聯電池中，該等串聯電池包括非晶si吸收體 層。穩定性之典型的測試為使電池在5〇〇c之溫度下經受 長達1000小時的一個太陽照射。穩定電池定義為已經歷 此測試條件之電池。 紋理化玻璃基板上第一流電池之初始及穩定電參數在 表1中給出。該電池在浸入光1 〇〇〇小時之後自初始的 〇 13.1%穩定至u.8%，相對降級1〇%。此電池已發送至 NREL，以進行獨立的AM1·5表徵，且在第6圖中給出Jv 曲線。 量測 電池 Voc FF Jsc Eff. 實驗室 狀態 (mV) (%) (mA/cm2) (%) Oerlikon 穩定 1361 71.40 12.15 11.80 NREL 穩定 1346 68.48 12.90 11.91 表1. 17 201234619 在第6圖中，根據一個實施例，在50。匸下浸入光1 〇〇〇小時 後知:供電池之j_V曲線。在室内以11.8%量測穩定效率。 電池製備有以下特徵： • TC〇前電極層：ΐ·2微米之Ζη〇層、5歐姆/平方以上的 薄Β電阻且更佳地2〇歐姆/平方以上的薄層電阻可替代 性地自Sn〇2或其他種類之TCO實現。 •頂部電池’ P-i-n非晶矽太陽能電池：厚度200 nm。 Ο

•中間反射體：厚度80 nm，基於沈積於KAI-M反應器 中的η摻雜的二氧化矽。 •底部電池，P-i-n微晶矽太陽能電池：厚度2.0微米之 吸收體層’亦可使用更薄吸收體得到類似結果；基於與 用於夹層的材料相同的材料之η摻雜層：η摻雜的二氧化 矽、厚度200 nm，但厚度可為2〇 nm至20〇 nm之間的任 何厚度。p層由微晶矽製成，但該p層可有利地由p摻雜的 二氧化石夕替代’厚度10-50 nm。 • P及π層較佳地實現為p及η摻雜的二氧化矽；基於p及n 摻雜的微晶矽層之沈積參數的層，其中添加含有氧氣之 氣體’較佳地含有c〇2 (僅在ρ及η微晶Si〇:H中添加 C〇2 ) °此等層由至少二氧化矽相及晶體矽相組成。後者 之存在可藉由拉曼（Rarnan)光譜法證實。 •後觸點.無摻雜的Zn〇、5.5微米、20歐姆/平方以上 的薄層電阻可用更薄的層來替代，該等更薄層具有更不 利或更有利的等效物或基於Zn〇之更高的薄層電阻，或 例如基於Ag、A1或其他適合金屬的金屬後觸點。 18 201234619 •紋理化玻璃基板：藉由研磨、研光且蝕刻的方法製 備。用作為裝置之基板的中高粗糙度基板獲取最佳電池 效能。 實例 根據一個實施例，藉由由稱為Oerlikon Solar KAI PECVD反應器之PECVD裝備沈積，來製造薄膜矽串聯接 面。為改良太陽能級非晶及微晶矽之沈積速率，此等反 應器以40.68 MHz之激勵頻率下的射頻（RF)功率運行。已 在KAI-M (520x410 mm2)反應器中獲取以下描述的結 果。一個關注點已置於最佳化微非晶電池效率之前及後 ZnO觸點（=第1圖中所示電極12、26)之進一步開發上。 此等粗糙的生長狀態的ZnO層藉由低壓化學氣相沈積 (low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)自作為 前驅物材料的二乙基鋅沈積。在US 7,390,731 (以引用 方式併入本文）中描述此LPCVD製程及沈積系統。TCO 粗糙度增強串聯電池之活性層内的光捕獲。在一個實施 例中，TCO包含B摻雜的ZnO。 已調諧用於在紋理化基板上沈積矽層之PECVD製 程。沈積於KAI-Μ反應器中的新p及η摻雜的層允許改良 甚至更粗糙基板上的串聯電池之開路電壓（open-circuit voltage; Voc)及填充因子（fill factor; FF) 〇

Corning公司的紋理化玻璃已用以改良「光捕獲」，因 此，該紋理化玻璃增強電池之效能。該紋理化玻璃亦容 許減小ZnO層厚度及微晶矽吸收體層，從而節省沈積及 19 201234619 清潔時間。測試電池充分圖案化至近似i cm2之面積。為 評估穩定效能，將串聯電池在50。(：下浸入光中經受一個 太陽照射長達1000小時。隨後將太陽能電池在自雙源太 陽模擬器傳遞的AM 1.5照射之下進行表徵。 對若干不同類型之玻璃進行Si串聯pv太陽能電池之 玻璃紋理化之化學機械方法的適合性測試：EagleXG®， 高純度熔融二氧化矽（HPFS®) ( Corning公司之註冊商 Ο 標）、鹼石灰、用於CdTe太陽能電池之專用玻璃等。結 果顯示一些玻璃比其他玻璃更適合於化學機械表面拋 光、研光、研磨及蝕刻製程。歸因於取決於玻璃表面強 度的機械研磨之本質’在一些專用高表面強度玻璃上製 成的紋理顯示無法在諸如鹼石灰之傳統玻璃上製成的特 徵結構。此等特徵結構尤其有利於光捕獲且適合於TC〇/ 矽層之生長。 0 以下為在例示性紋理化玻璃基板上觀察到之： •測試低（50-200 nm)、中（200-500 nm)及高（0.5-10 μιη) 表面粗糙度。低玻璃表面粗糙度不足以用於足夠的光捕 獲。高玻璃表面粗糙度可引起電池分路。最佳表面粗糙 度具有足夠高的漫射透光率，但具有小於2 μιη表面RMS 粗糙度（小於1 μπι可能是有利的）。 •可能夠針對不同表面紋理最佳化TCO。 •製造有中間層（夾層）之裝置，以進一步改良頂部Si 電池’因此促進適當的電池平衡。 20 201234619 •本質層、TCO、非晶Si及微晶Si製造有可能最薄的厚 度’該等可能最薄的厚度可允許最高的穩定效率及最低 的製造成本。 在各種研磨板上使用氧化鋁磨粒製造化學機械紋理化 玻璃基板。在研磨之後’在酸性溶液中蝕刻基板之研磨 表面，以移除在研磨製程期間發生的微裂。製得具有各 種表面RMS粗糙度之紋理化玻璃基板，以四個類別給該 〇 等紋理化玻璃基板分類：低（50-250 nm)、中（250-500 nm)、中高（500-1000 nm)及高（>1000 nm)粗糙度。用作 為裝置之基板的中高粗糙度基板獲取最佳電池效能。藉 由在研光板上研光，後面緊接著在1:1:20 HF:HC1:H20中 蝕刻，來製造紋理化基板。藉由AFM量測的表面粗糙度 為〜1 μιη。第13圖為中高粗糙度基板之由頂向下顯微鏡 影像’該影像圖示橫向特徵結構尺寸之分佈。第5圖為低 (50-250 nm)RMS粗糙度的紋理化玻璃表面（線52)、中 〇 (約25 0-5 00 nm ) RMS粗糙度的紋理化玻璃表面（線 54)、中高（500-1000 nm)RMS粗糙度的紋理化玻璃表面 (線56)及高（>1000 nm)RMS粗糙度的紋理化玻璃表面 (線58 )之散射比率或霾之曲線圖。例示性紋理化頂置 板可提供高霾值’例如，550 nm處的89%。在美國專利 申5月案2〇11/〇12689〇 (以引用方式併入本文）中描述製 造包含紋理化表面的基板之例示性研光且刻蝕方法。在 美國臨時專利申請案61/490306 (以引用方式併入本文） 中描述製造包含紋理化表面的基板之其他例示性方法。 21 201234619 藉由將粒子熔融至平坦玻璃基板上或部分溶融至平坦 璃土板中，來製造包含熔融粒子之紋理化玻璃基板。 • 用於:融粒子之製程分成兩個―般類別：低溫粒子及高 . 溫粒子。在低溫粒子製程中，藉由在形成單層粒子之後 加熱，來冑玻璃&子熔融至玻璃I板，料玻璃粒子具 有比玻璃基板之軟化點更低的軟化點。在高溫粒子製程 中，將玻璃粒子或其他高溫粒子沈積於較低軟化點的玻 ◎ 璃基板上，該較低軟化點的玻璃基板經加熱，從而允許 粒子附接至該基板之表面。已探究大量粒子/基板組合。 在每一類型内，藉由粒子尺寸與製程溫度之組合來控制 橫向特徵結構尺寸及表面粗糙度。因為使用化學機械製 程，具有很低表面粗糙度之樣本不會展示增強的電池效 能，而具有高表面粗糙度之樣本顯示電學降級。在美國 專利申請案13/033 175 (以引用方式併入本文）中描述製 &包含紋理化表面的基板之例示性方法，該等紋理化表 面包含粒子。在美國專利申請案12/517331 (以引用方式 併入本文）中描述製造包含紋理化表面的基板之其他例 不f生方法’該等紋理化表面包含粒子。 用鹼石灰基板上之鹼金屬矽酸鹽玻璃粒子獲取低溫粒 子製程之最佳電池效能。粒子具有3 4 μηι之中值粒徑， 且將基板加熱至62(TC-65(TC之溫度。玻璃基板u包含紋 理化表面44，該紋理化表面44具有69〇 nmiRMs粗糙度 及3.9 μπι之相關長度。在第1;1圖中圖示sem影像。根據 一個實施例，紋理化表面具有處於自25〇 nm至3000 nm 22 201234619 之範圍内的RMS粗較度，例如，5 Ο0 nm至3 000 nm，例如， 500 nm至 2000 nm，例如，500 nm至 1000 nm，或例如， 250 nm至1000 nm，及/或處於自2 μπι至6 μιη之範圍内的 « 相關長度，例如，2 μιη至5 μπι，例如，2 μιη至4 μιη，或 例如，大於2 μπι至6 μιη，例如，大於2 μπι至5 μπι，例如， 大於2 μπι至4 μπι。該紋理化表面可包含凹形特徵結構、 凸形特徵結構或凸形特徵結構與凹形特徵結構之組合。 0 用驗石灰基板上之二氧化矽玻璃粒子獲取高溫粒子製 程之最佳電池效能。二氧化矽粒子為2.5 μιη且將基板加 熱至700°C -740°C之溫度。用玻璃上之粒子製造的Si串聯 電池不包括夾層且未經充分最佳化。 第14圖為將不同基板之霾因子概述為波長之函數的 圖。該霾因子定義為漫射光透射與總的光透射之比率。 線60顯示高質量「可商購」的Sn02 TCO之霾因子，該Sn02 TCO—般由R&D小組應用，以獲取最高電池效率。沈積 〇 於平坦硼浮玻璃上的典型室内LPC VD ZnO (即線62 )產 生在整個量測波長範圍内的與可商購類型Sn02相比已 顯著更高的霾因子，且線62展示此TCO之高光捕獲潛力。 紋理化玻璃之額外實施（線64)將霾因子進一步提高 至75%至85%之值，該等值尤其處於微晶電池具有光譜響 應的波長範圍内。此霾因子為比平坦玻璃上的典型 LPCVD ZnO之霾因子高至少4-5倍且比基於Sn02的可商 購TCO之霾因子高至少8-10倍的霾因子，此狀況指示紋 理化玻璃與LPCVD ZnO组合之極高的散射潛力。 23 201234619 薄膜太陽能電池可包含基板及前電極層，該基板包含 •紋理化表面，該紋理化表面包含特徵結構，該前電極層 包3郴近於該紋理化表面的透明導電氧化物，其中該電 極層具有小於該紋理化表面之橫向特徵結構平均尺寸 1·5倍之平均厚度。薄膜太陽能電池可包含基板，該基板 包含紋理化表面，該紋理化表面包含特徵結構，其中該 紋理化表面之橫向特徵結構平均尺寸為5〇 nm*更大且 〇 其中該電池具有11 ·5%或更大之穩定效率。物品或光散 射基板可包含玻璃基板，該玻璃基板包含紋理化表面， 該紋理化表面包含特徵結構，其中該紋理化表面具有處 於自250 nm至3 000 nm之範圍内的尺]^[;5粗糙度或處於自2 μπι至6 μιη之範圍内的相關長度或同時具有上述尺…^粗 糙度與上述相關長度兩者。前電極層可具有小於紋理化 表面之橫向特徵結構平均尺寸之平均厚度。該基板可為 玻璃。透明導電氧化物可設置於該紋理化表面上。該電 池可進一步包含鄰近於電極層之第一pin光電轉換單 兀。該第一 p-i-n光電轉換單元可設置於電極層上。該第 一 p-i-n光電轉換單元可包含非晶矽吸收體。該非晶矽吸 收體可具有小於250奈米之厚度。該電池可進一步包含鄰 近於第一 p-i-n光電轉換單元之第二p_i_n光電轉換單 元。該電池可進一步包含鄰近於該第一 p_i_n光電轉換單 元之夾層。該電池可進一步包含背電極層，該背電極層 包含鄰近於該第二p-i-n光電轉換單元之透明導電氧化 物。該電池可進一步包含鄰近於該夾層之第：p_i_n光電 24 201234619 轉換單元。該弟一P_i_n光電轉換單元可設置於該夹層 上。該第二P-1·11光電轉換單元可設置於該第一 p_i_n光電 轉換單元上。該電池可進一步包含背電極層，該背電極 層包含鄰近於該第二p-i-n光電轉換單元之透明導電氧 化物。該第一 P-i_n光電轉換單元可包含微晶碎吸收體。 該電池可進一步包含鄰近於該背電極層之反射體。該背 電極層可設置於該第二電轉換單元上。該微晶矽

吸收體可具有2.5微米或更小之平均厚度。該微晶矽吸收 體可具有2_0微米或更小之平均厚度。該前電極層可具有 1.5微米或更小之平均厚度。可藉由化學氣相沈積來沈積 該前電極層。該前電極層可包含Zn〇。該紋理化表面可 具有自200 nm至3微米之粗糙度。該電池可具有^^乃％或 更大之穩定效率。該電池可具有大於“ 7%之穩定效 率。該紋理化表面之橫向特徵結構平均尺寸可近似為i 微米或更大。該電池可進—步包含前電極層，該前電極 層包含鄰近於紋理化表面之透明導電氧化物，其中該電 極層具有小於該紋理化表面之橫向特徵結構平均尺寸 1.5倍之平均厚度。 熟習此項技術者將顯而易見，可對本發明進行各種修 改及改變而不脫離本發明之精神或範疇。因此，若本發 明之修改及改變在附加中請專利範g及附加中請專利範 圍之等效物的範轉内，則本發明意欲涵蓋該等修改及改 25 201234619 【圖式簡單說明】 可自以下詳細描述單獨理解本發明或者與隨附圖式一 起理解本發明。 第1圖為先前技術串聯接面薄膜矽光電電池之圖示（厚 度未按比例）。 第2圖為先前技術PECVD電漿反應器之圖示。 第3圖為根據一個實施例之串聯接面薄膜矽光電電池 之圖示。厚度未按比例。 第4圖為平坦且紋理化玻璃上外部量子效率之曲線圖。 第5圖為低（50-250 nm)、中（約250-500 nm)、中高 (500-10000 nm)及高（>1〇〇〇 nm) RMS粗糙度紋理化玻璃 表面之散射比率或霾之曲線圖。 第6圖為根據一個實施例的經證實電池之1¥特性之曲 線圖。 第7圖為根據一個實施例的紋理化玻璃表面之掃描電 子顯微鏡（scanning electron microscope; SEM)影像，該 紋理化玻璃表面上設置有TCO。 第8圖為根據一個實施例的紋理化玻璃表面之掃描電 子顯微鏡（SEM)影像，該紋理化玻璃表面上設置有TC〇。 第9圖為根據一個實施例的紋理化玻璃表面之掃描電 子顯微鏡（SEM)影像’該紋理化玻璃表面設置有tc〇。 第1〇圖為根據一個實施例的紋理化玻璃表面之掃插電 子顯微鏡（SEM)影像，該紋理化玻璃表面設置有TCO。 26 201234619 第11圖為藉由低溫粒子製程製造的例示性紋理化玻璃 基板之SEM影像。 第12 A圖為基板之橫截面圖示，該基板包含紋理化表 面。 第12B圖為基板之由頂向下圖示，該基板包含紋理化 表面。 第13圖為中高粗糙度基板之由頂向下顯微鏡影像，該 〇 影像圖示橫向特徵結構尺寸之分佈。 第14圓為將不同基板之霾因子概述為波長之函數的 圖。 明 說 -teu # 符 件 元 要 60470267826826040 12223333344455662 基前i pn後頂底金局外内特特線線線線反 點 高 間寸 最 空 尺 池池極面 理構構 極層層層點電電電表面處結結 板電型型型觸部部屬部表部徵徵 -'1 ^^^1» h ^ m · t - Λ ί, ·I i Γ1-_ JJ1-_Γ 器 應 1482681468047048200 1112223333444555613 點物 低化 面最氧 層體 極 表面電 層層層極射 面電源化表導 板型型型電反層頭表屬頻理部明 基pni背背夾箭外金射紋局透線線線 薄膜太陽能電池 特徵結構 27

Claims (1)

1. 201234619 七、申請專利範園： 1· 一種薄膜太陽能電 一基板，該基板包含 徵結構；以及 池，該薄膜太陽能電池包含： -紋理化表面’該紋理化表面包含特 -前電極層’該前電極層包含鄰近於該紋理化表面的—透 明V電氧化物’其中該電極層具有小於該紋理化表面之 橫向特徵結構平均尺寸1.5倍之一平均厚度。 Ο 2.如請求項丨之電池，其中該前電極層具有小於該紋理化表 面之該橫向特徵結構平均尺寸之一平均厚度。 3·如凊求項1之電池，其中該基板包含玻璃。 4.如請求項丨之電池’其中該透明導電氧化物設置於該紋理 化表面上。 〇 5·如請求項1之電池，該電池進一步包含鄰近於該電極層之 一第一p-i-n光電轉換單元。 6·如請求項5之電池，其中該第一 p_i_n光電轉換單元設置 於該電極層上。 28 201234619 7-如請求項5之電池，其中該第一 p-i-n光電轉換單元包含 一非晶矽吸收體。 8. 如請求項7之電池，其中該非晶矽吸收體具有小於25〇奈 '米之一厚度。 9. 如請求項5之電池，該電池進一步包含鄰近於該第— 0 P-i-n光電轉換單元之一第二P-i-n光電轉換單元。 10. 如請求項1之電池，該電池進一步包含鄰近於該第一 p-i-n光電轉換單元之一夹層。 11·如請求項10之電池，該電池進一步包含一背電極層，該 月電極層包含鄰近於該第二ρ_1_η光電轉換單元之一透 明導電氧化物。 G 12·如請求項10之電池，該電池進一步包含鄰近於該夹層之 一第二P-i-n光電轉換單元。 13. 如請求項12之電池，其令該第二卜丨十光電轉換單元設置 於該夫層上。 14. 如請求項12之電池，其中該第二pin光電轉換單元設置 於該第一 p-i-n光電轉換單元上。 29 201234619 15. 如請求項14之電池，該電池進一步包含/背電極層，該 背電極層包含鄰近於該第二P-i-n光電轉換單元之—透 明導電氧化物。 16. 如請求項12之電池，其中該第二Ρ-i-n光電轉換單元包含 微晶砍吸收體。 17. 如請求項16之電池，該電池進一步包含鄰近於該背電極 層之一反射體。 18. 如請求項16之電池，其中該背電極層設置於該第一 P~i-n 光電轉換單元上。 19. 如請求項16之電池，其中該微晶矽吸收體具有2·5微米或 更小之一平均厚度。 20. 如請求項丨9之電池，其中該微晶矽吸收體具有2.0微米或 更小之一平均厚度。 21. 如請求項1之電池，其中該前電極層具有1.5微米或更小 之一平均厚度。 30 201234619 22.如請求項1之電池，其中該前電極層藉由化學氣相沈積 來沈積。 23·如請求項1之電池，其中該前電極層包含Zn〇。 24_如請求項1之電池，其中該紋理化表面具有自2〇〇 11111至3 微米之一粗糙度。 25·如請求項！之電池’其中該電池具有115%或更大之一穩 定效率。 26·如請求項25之電池，其中該電池具有大於^ 7%之一穩 定效率。 27.—種薄膜太陽能電池，該薄獏太陽能電池包含： 〇 一基板.，

   .5 %或更大之一穩定 徵結構 50 nm或更大， 效率。 28.如請求項27之電池， 定效率。 其中該電池具有大於11 .7%之一穩 31 201234619

   29·如請求項27之電池， 構平均尺寸為近似1微米或更大。 步包含一前電極層 30.如請求項27之電池，該電池進— 前電極層包含鄰近於該紋理化表面之一透明導電氧化 物，其中該電極層具有小於該紋理化表面之該橫向特徵 結構平均尺寸15倍之一平均厚度。 31·—種物品’該物品包含： 一玻璃基板’該玻璃基板包含一紋理化表面，該紋理化表 面包含特徵結構，其中該紋理化表面具有處於自250 nm 至3000 nm之範圍内的一 RMS粗糙度及處於自2 μπι至6 μιη之範圍内的一相關長度。 3 2.—種薄膜太陽能電池，該薄膜太陽能電池包含如請求項 〇 3 1之物品。 33.—種如請求項32之薄膜太陽能電池，其中該電池具有 II.5%或更大之一穩定效率。 32