用于制造太阳能电池元件的方法

摘要

一种用于制造太阳能电池元件的方法，该方法包括：制备层压体和腔室的步骤（a），在步骤（a）之后使层压体与水溶液接触使得第二表面浸入到水溶液中的步骤（b），在步骤（b）之后在惰性气体的气氛下在阳极与层压体之间施加电压差以在第二表面上形成Zn层的步骤（c），以及在步骤（c）之后使Zn层暴露于氧以使Zn层转化成ZnO结晶层的步骤（d）。

权利要求

1.一种用于制造太阳能电池元件的方法，所述方法包括：制备层压体(1)和腔室(5)的步骤(a)，其中所述层压体(1)包括p侧第III族-第V族化合物电极层(2)、p型第III族-第V族化合物半导体层(31)、n型第III族-第V族化合物半导体层(32)、和n侧第III族-第V族化合物电极层(4)，所述n侧第III族-第V族化合物电极层(4)包括第一表面(4a)和第二表面(4b)，所述p型第III族-第V族化合物半导体层(31)介于所述p侧第III族-第V族化合物电极层(2)与所述n型第III族-第V族化合物半导体层(32)之间，所述n型第III族-第V族化合物半导体层(32)介于所述p型第III族-第V族化合物半导体层(31)与所述第一表面(4a)之间，所述第二表面(4b)在所述层压体(1)的表面露出，并且所述腔室(5)具有水溶液(6)和惰性气体(7)；

在步骤(a)之后，使所述层压体(1)与所述水溶液(6)接触使得所述第二表面(4b)浸入到所述水溶液(6)中的步骤(b)；

在步骤(b)之后，在所述惰性气体(7)的气氛下，在阳极(71)与所述层压体(1)之间施加电压差以在所述第二表面(4b)上形成Zn层(81)的步骤(c)，其中所述腔室(5)填充有所述惰性气体(7)，

所述水溶液(6)含有浓度不小于1mM且不大于5M的Zn2+离子，所述水溶液(6)不含有氧，

所述阳极(71)与所述水溶液(6)接触，

所述层压体(1)用作阴极，

所述水溶液(6)具有不小于10摄氏度且不大于60摄氏度的温度，并且所述Zn层(81)在其表面上具有凹凸结构；以及在步骤(c)之后，使所述Zn层(81)暴露于氧以使所述Zn层(81)转化成ZnO结晶层(82)的步骤(d)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

在步骤(d)中，使所述Zn层(81)暴露于空气。

3.根据权利要求1所述的方法，其中

在步骤(a)中，所述n侧第III族-第V族化合物电极层(4)包括GaAs层(42)，并且使所述GaAs层(42)在所述第二表面(4b)上露出。

说明书

用于制造太阳能电池元件的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于制造太阳能电池元件的方法。

背景技术

[0002] 太阳能电池元件将日光转化成电能。

[0003] 引用列表

[0004] 非专利文献

[0005] NPL1：P.N.Vinod,J Mater Sci:Mater Electron22(2011)1248

[0006] NPL2：Jenny Nelson(2003),The physics of Solar Cells,Imperial college press,pp.11-13。

发明内容

[0007] 技术问题

[0008] 本发明的目的是提供用于制造具有较高转化效率的太阳能电池元件的方法。

[0009] 问题的解决方案

[0010] 以下项1～3解决该问题。

[0011] 1.一种用于制造太阳能电池元件的方法，该方法包括：

[0012] 制备层压体1和腔室5的步骤（a），其中

[0013] 层压体1包括p侧第III族-第V族化合物电极层2、p型第III族-第V族化合物半导体层31、n型第III族-第V族化合物半导体层32、和n侧第III族-第V族化合物电极层4，[0014] n侧第III族-第V族化合物电极层4包括第一表面4a和第二表面4b，

[0015] p型第III族-第V族化合物半导体层31介于p侧第III族-第V族化合物电极层2与n型第III族-第V族化合物半导体层32之间，

[0016] n型第III族-第V族化合物半导体层32介于p型第III族-第V族化合物半导体层31与第一表面4a之间，

[0017] 第二表面4b在层压体1的表面露出，并且

[0018] 腔室5具有水溶液6和惰性气体7；

[0019] 在步骤（a）之后，使层压体1与水溶液6接触使得第二表面4b浸入到水溶液6中的步骤（b）；

[0020] 在步骤（b）之后，在惰性气体7的气氛下在阳极71与层压体1之间施加电压差以在第二表面4b上形成Zn层81的步骤（c），其中

[0021] 腔室5填充有惰性气体7，

[0022] 水溶液6含有浓度不小于1mM且不大于5M的Zn2+离子，

[0023] 水溶液6不含有氧，

[0024] 阳极71与水溶液6接触，

[0025] 层压体1用作为阴极，

[0026] 水溶液6具有不小于10摄氏度且不大于60摄氏度的温度，并且Zn层81在其表面上具有凹凸结构；以及

[0027] 在步骤（c）之后，使Zn层81暴露于氧以使Zn层81转化成ZnO结晶层82的步骤（d）。

[0028] 2.根据项1所述的方法，其中

[0029] 在步骤（d）中，使Zn层81暴露于空气。

[0030] 3.根据项1所述的方法，其中

[0031] 在步骤（a）中，n侧第III族-第V族化合物电极层4包括GaAs层42，并且[0032] 使GaAs层42在第二表面4b上露出。

[0033] 发明的有利效果

[0034] 根据本方法提供的太阳能电池元件具有较高的转化效率。

[0035] 换句话说，当用日光照射根据本方法提供的太阳能电池元件101时，日光被更有效地转化成电能以在p侧第III族-第V族化合物电极层2与n侧第III族-第V族化合物电极层4之间生成电压差。

附图说明

[0036] 图1示出层压体1的横截面视图。

[0037] 图2示出步骤（a）中的层压体1的横截面视图。

[0038] 图3继图2之后示出步骤（a）中的层压体1的横截面视图。

[0039] 图4继图3之后示出步骤（a）中的层压体1的横截面视图。

[0040] 图5继图4之后示出步骤（a）中的层压体1的横截面视图。

[0041] 图6继图5之后示出步骤（a）中的层压体1的横截面视图。

[0042] 图7示意性地示出步骤（b）和（c）。

[0043] 图8示出步骤（c）之后的层压体1的横截面视图。

[0044] 图9示意性地示出步骤（d）。

[0045] 图10示出具有ZnO透明电极层93的层压体1的横截面视图。

[0046] 图11示出包括太阳能电池元件101的太阳能电池110。

[0047] 图12示出实施例1中获得的I-V曲线。

[0048] 图13示出实施例2中获得的I-V曲线。

[0049] 图14示出实施例3中获得的I-V曲线。

[0050] 图15示出实施例4中获得的I-V曲线。

[0051] 图16示出比较例1中获得的I-V曲线。

[0052] 图17示出比较例2中获得的I-V曲线。

[0053] 图18示出比较例3中获得的I-V曲线。

具体实施方式

[0054] 下面将参考附图描述本发明的实施方式。

[0055] （步骤（a））：层压体和腔室的制备

[0056] 在步骤（a）中，首先制备层压体1和腔室5。

[0057] 如图1至图6所示，层压体1包括p侧第III族-第V族化合物电极层2、p型第III族-第V族化合物半导体层31、n型第III族-第V族化合物半导体层32、和n侧第III族-第V族化合物电极层4。n侧第III族-第V族化合物电极层4包括第一表面4a和第二表面4b。

[0058] p型第III族-第V族化合物半导体层31介于p侧第III族-第V族化合物电极层2与n型第III族-第V族化合物半导体层32之间。

[0059] n型第III族-第V族化合物半导体层32介于第一表面4a与p型第III族-第V族化合物半导体层31之间。

[0060] 如图6所示，第二表面4b在层压体1的表面露出。

[0061] p侧第III族-第V族化合物电极层2大体上包括p侧接触层21和p侧窗口层22。

[0062] p型第III族-第V族化合物半导体层31大体上包括由p型GaAs层组成的p型基层31a。

[0063] n型第III族-第V族化合物半导体层32大体上包括由n型GaAs层组成的n型发射极层32a。

[0064] n侧第III族-第V族化合物电极层4大体上包括n侧窗口层41和n侧接触层42。

[0065] p型第III族-第V族化合物半导体层31与n型第III族-第V族化合物半导体层32接触以形成pn结。

[0066] 用于制备层压体1的方法不受限制。更多的细节参见图1至图6和实施例1。

[0067] 如图7所示，腔室5含有水溶液6和惰性气体7。

[0068] （步骤（b））：层压体在水溶液中的接触

[0069] 在步骤（a）之后执行步骤（b）。

[0070] 在步骤（b）中，使层压体1与水溶液6接触，使得第二表面4b浸入到水溶液6中。由GaAs组成的n侧接触层42在第二表面4b上露出。

[0071] 如图7所示，优选将层压体1浸入到水溶液6中。然而，只要第二表面4b浸入到水溶液6中，层压体1的一部分可浸入到水溶液6中而层压体1的另一部分可不浸入到水溶液6中。

[0072] （步骤（c））：通过电解形成Zn层

[0073] 在步骤（b）之后执行步骤（c）。

[0074] 在步骤（c）中，如图7所示，在阳极71与层压体1之间施加电压差以在第二表面4b上形成Zn层81。使用层压体1作为阴极。

[0075] 阳极71与水溶液6接触。优选将阳极71浸入到水溶液6中。阳极71的实例是铂电极、金电极、银电极、或铜电极。优选铂电极和金电极。

[0076] 在步骤（c）中，水溶液6必须含有浓度不小于1mM且不大于5M的Zn2+离子。当浓度小于1mM时，未有效地形成Zn层81。当浓度大于5M时，所获得的太阳能电池元件的效率低，如比较例1所证实，后面将描述。

[0077] 水溶液6必须具有不小于10摄氏度且不大于60摄氏度的温度。当水溶液6的温度高于60摄氏度时，所获得的太阳能电池元件的转化效率低，如比较例2所证实，后面将描述。当水溶液6的温度小于10摄氏度时，需要过长的时间来形成Zn层81。

[0078] 必须以惰性气体7填充腔室5。更精确地，在除水溶液6所占据的部分之外以惰性气体7填充腔室5。换句话说，腔室5的下部由水溶液6占据，而腔室5的上部由惰性气体7占据。惰性气体7的实例是氮气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。

[0079] 当未以惰性气体7填充腔室5时，所获得的太阳能电池元件的转化效率低，如比较例3所证实，后面将描述。因而，需要水溶液6不含有氧。

[0080] 如图8所示，由此获得的Zn层81在其表面上具有凹凸结构。

[0081] 如图7所示，腔室5可以包括与水溶液6接触的参比电极72。参比电极72的实例是Ag/AgCl电极。

[0082] （步骤（d））：通过氧接触将Zn层转化成ZnO结晶层

[0083] 在步骤（c）之后执行步骤（d）。

[0084] 在步骤（d）中，如图8所示，使Zn层81与氧气接触，以将Zn层81转化成ZnO结晶层82。优选地，使Zn层81与空气接触。

[0085] 可以将整个Zn层81转化成ZnO结晶层82。替代地，可以将Zn层81的一部分转化成ZnO结晶层82。

[0086] 如图10所示，可以通过脉冲激光沉积法在ZnO结晶层82上形成ZnO透明电极层93。以这种方式，ZnO结晶层82与正面电极（obverse electrode）83电连接。

[0087] （实施例）

[0088] 以下实施例更详细地描述本发明。

[0089] （实施例1）

[0090] 如图1所示，如下制备层压体。

[0091] 首先，通过金属有机化学气相沉积法（以下称作“MOCVD”）在直径为4英寸且厚度为450微米的非掺杂GaAs基底45上形成厚度为100纳米的AlAs牺牲层44。

[0092] 然后，如下在AlAs牺牲层44上形成层压体1。

[0093] 更具体地，通过MOCVD法在AlAs牺牲层44上形成由Te掺杂的GaAs层（掺杂浓度：1.0x1019，厚度：20纳米）组成的n侧接触层42。

[0094] 接下来，通过MOCVD法在n侧接触层42上形成由Si掺杂的InGaP层（掺杂浓度：1.0x1018，厚度：100纳米）组成的n侧窗口层41。

[0095] 通过MOCVD法在n侧窗口层41上形成由Si掺杂的GaAs（掺杂浓度：1.0x1018，厚度：100纳米）组成的n型发射极层32a。

[0096] 通过MOCVD法在n型发射极层32a上形成由Zn掺杂的GaAs（掺杂浓度：1.0x1016，厚度：2.5微米）组成的p型基层31a。

[0097] 通过MOCVD法在p型基层31上形成由Zn掺杂的InGaP层（掺杂浓度：1.0x1019，厚度：50纳米）组成的p侧窗口层22。

[0098] 通过MOCVD法在p侧窗口层22上形成由Zn掺杂的GaAs层（掺杂浓度：1.0x1019，厚度：20纳米）组成的p侧接触层21。

[0099] 以这种方式，获得图1中所示的层压体1。

[0100] 然后，如图2所示，通过光刻法在p侧接触层21上形成500微米见方的抗蚀膜23。通过ICP等离子体蚀刻法使用该抗蚀膜23作为第一掩模来去除层压体1的不需要的部分。在该ICP等离子体蚀刻法中，使用BCl3和SF6的气体混合物。层压体1的表面积为25,000平方微米。

[0101] 随后，使用剥离液去除抗蚀膜。在AlAs牺牲层44上形成另一抗蚀膜（未示出）后，通过电子束真空沉积法在AlAs牺牲层44上形成厚度为50纳米的钛膜和厚度为250纳米的金膜，从而形成正面电极83。

[0102] 类似地，在p侧接触层21上形成另一抗蚀膜（未示出）之后，通过电子束真空沉积法在p侧接触层21上形成厚度为50纳米的钛膜和厚度为250纳米的金膜，从而形成反面电极84。

[0103] 去除这些另外的抗蚀膜。随后，在正面电极83、反面电极84和层压体1的侧壁上形成隔离膜85。该隔离膜85由厚度为300纳米的SiN膜形成。形成抗蚀膜且执行干法蚀刻，从而在隔离膜85中形成开口86。由此，获得图3中所示的层压体1。

[0104] 如图4所示，通过光刻法在隔离膜85上形成第二掩模861。随后，通过电子束真空沉积法在层压体1的侧壁上形成厚度为50纳米的钛膜和厚度为250纳米的金膜，从而形成正面电极布线部87和反面电极布线部88。

[0105] 如图5所示，去除第二掩模861。通过旋转涂布法将蜡施用于正面电极布线部87和反面电极布线部88的表面。在蜡干燥之后，将支承基底9固定于蜡上。通过使用氢氟酸的湿法蚀刻去除AlAs牺牲层44，从而使n侧接触层42在层压体1的底部露出。

[0106] 如图6所示，由此获得的层压体1与夹片（clip）99结合。以这种方式，获得具有层压体1的阴极1a。

[0107] 如图7所示，在腔室5中设置具有层压体1的阴极1a、由铂电极组成的阳极71和由Ag/AgCl电极组成的参比电极72。在腔室5中设置这些电极，使得这些电极浸入到水溶液6中。

[0108] 预先如下制备水溶液6。在10摄氏度的温度下向浓度为1mM的Zn(NO3)2水溶液供应N2气气泡1小时。以这种方式，去除水溶液中所含有的氧以获得水溶液6。

[0109] 预先以N2气填充腔室5。

[0110] 然后，使用恒电位仪51，将0.8V的电压差在阴极1a与阳极71之间施加3分钟，以在n侧接触层42的表面（第二表面4b）上形成Zn层81。水溶液6的温度为10摄氏度。

[0111] 从腔室5中取出阴极1a。用离子交换水将阴极1a洗涤5分钟。然后，使阴极1a暴露于N2鼓吹以干燥阴极1a。以这种方式，获得在其表面上具有凹凸结构的Zn层81。

[0112] 使包括Zn层81的层压体1于大气中暴露2天。以这种方式，如图9所示，将Zn层81转化成ZnO结晶层82。更详细地，将整个Zn层81转化成ZnO结晶层82。

[0113] 最终，如图10所示，通过脉冲激光沉积在ZnO结晶层82上形成ZnO透明电极层93，以将ZnO结晶层82与正面电极83电连接。ZnO透明电极层93具有300纳米的厚度。ZnO透明电极层93具有2%重量的镓浓度。

[0114] 以这种方式，获得太阳能电池元件101。

[0115] 如图11所示，将所获得的太阳能电池元件101与聚光透镜102接合，以形成太阳能电池110。

[0116] 更详细地，通过电子束真空沉积法在ZnO透明电极层93上形成厚度140纳米的由MgF2膜组成的抗反射涂层104。

[0117] 如图11所示，在于其表面上包括绝缘层114和间隔区（spacer）105的冷板103上设置太阳能电池元件101。在绝缘层114上形成与正面电极83和反面电极84电连接的两个电线（未示出）。

[0118] 在聚光透镜102的焦点处固定太阳能电池元件101以获得太阳能电池110。

[0119] 根据非专利文献1中所公开的TLM法测量所获得的太阳能电池110的界面电阻值。在测量过程中，用伪日光照射聚光透镜102，这在后面描述。

[0120] 如下计算所获得的太阳能电池110的转化效率。

[0121] 以输出能量为100mW/cm2的伪日光照射聚光透镜102。

[0122] 从灯中照射伪日光，其中500瓦的氙灯（可得自Wacom Co.,Ltd.）和400瓦的卤素灯（可得自Wacom Co.,Ltd.）组合在一起。

[0123] 当电力打开（electrically open）正面电极83和反面电极84时测量开路电压Voc。

[0124] 当正面电极83和反面电极84短路时测量短路电流Isc。

[0125] 使用太阳能模拟器（可得自Wacom Co.,Ltd.，商品名：Super Solar simulator WXS-90S-L2）获得图12中所示的I-V曲线。

[0126] 基于图12，根据非专利文献2的公开获得填充因子（fill factor，以下称作“FF”）。

[0127] 根据下式计算填充因子FF。

[0128] FF=(Vmax*Imax)/(Voc*Isc)

[0129] 此处，Vmax表示I-V曲线的V*I值最大时（参见图12中的箭头）的电压。

[0130] Imax表示I-V曲线的V*I值最大时（参见图12中的箭头）的电流。

[0131] 根据下式计算转化效率。

[0132] 转化效率=Voc*Jsc*FF

[0133] 此处，Jsc=Isc/S

[0134] S(有效光接收表面积)=25,000平方微米。

[0135] 表1中示出结果。

[0136] （实施例2）

[0137] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于Zn(NO3)2水溶液具有5M的浓度。图13和表1中示出结果。

[0138] （实施例3）

[0139] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于Zn(NO3)2水溶液具有60摄氏度的温度。图14和表1中示出结果。

[0140] （实施例4）

[0141] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于Zn(NO3)2水溶液具有5M的浓度和60摄氏度的温度。图15和表1中示出结果。

[0142] （比较例1）

[0143] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于Zn(NO3)2水溶液具有7M的浓度和60摄氏度的温度。图16和表1中示出结果。

[0144] （比较例2）

[0145] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于Zn(NO3)2水溶液具有70摄氏度的温度。图17和表1中示出结果。

[0146] （比较例3）

[0147] 进行与实施例1相似的实验，不同之处在于以大气填充腔室5。图18和表1中示出结果。

[0148] [表1]

[0149]

[0150] 如表1中清楚地显示，为获得较高的效率，需要在形成Zn层81时满足所有的以下项（1）至（3）。

[0151] （1）Zn2+的浓度不小1mM且不大于5M（参见比较例1）。

[0152] （2）水溶液的温度不小10摄氏度且不大于60摄氏度（参见比较例2）。

[0153] （3）在惰性气体的气氛下形成Zn层81（参见比较例3）。

[0154] 工业实用性

[0155] 本发明提供一种制造具有较高转化效率的太阳能电池元件的方法。

[0156] 附图标记列表

[0157] 1      层压体

[0158] 2      p侧第III族-第V族化合物电极层

[0159] 21     p侧接触层

[0160] 22     p侧窗口层

[0161] 31     p型第III族-第V族化合物半导体层

[0162] 31a    p型基层

[0163] 32     n型第III族-第V族化合物半导体层

[0164] 32a    n型发射极层

[0165] 4      n侧第III族-第V族化合物电极层

[0166] 41     n侧窗口层

[0167] 42     n侧接触层

[0168] 4a     第一表面

[0169] 4b     第二表面

[0170] 44     牺牲层

[0171] 45     基底

[0172] 5      腔室

[0173] 6      水溶液

[0174] 7      惰性气体

[0175] 71     阳极

[0176] 72     参比电极

[0177] 81     Zn层

[0178] 82     ZnO结晶层

[0179] 83     正面电极

[0180] 84     反面电极

[0181] 85     隔离膜

[0182] 86     开口

[0183] 861    第二掩模

[0184] 87     正面电极布线部

[0185] 88     反面电极布线部

[0186] 9      支承基底

[0187] 93     ZnO透明电极层

[0188] 101    太阳能电池元件

[0189] 102    聚光透镜

[0190] 103    冷板

[0191] 104    抗反射涂层

[0192] 105    间隔区

[0193] 110    太阳能电池