[发明专利]形成硫化物半导体膜及其太阳能电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以溶液工艺形成半导体膜的方法，特别是涉及形成硫化物半导体膜及包含此硫化物半导体膜的太阳能电池的方法。

背景技术

由于近年来地球上能源短缺的问题，太阳能电池已渐引起人们关注。太阳能电池可以简单区分为硅晶太阳能电池及薄膜太阳能电池。硅晶太阳能电池因为工艺技术成熟及转换效率较高成为目前市场的主流。但是，由于硅晶太阳能电池的材料及生产成本高昂，目前尚无法普及于市场。相对地，薄膜太阳能电池通常是将光吸收层制作于非晶硅的基板上，例如是玻璃基板。相较于硅晶太阳能电池所使用的硅晶圆基板，玻璃基板价格便宜且没有短缺的问题。所以，薄膜太阳能电池已被视为未来取代硅晶太阳能电池的产品。

薄膜太阳能电池可以根据其吸收层的材料种类，更进一步区分为非晶硅、多晶硅、碲镉(Cadmium Telluride，CdTe)、铜铟镓锡(Copper indium gallium selenide，CIGS)、染料及其它有机薄膜太阳能电池等等。其中，CIGS薄膜太阳能电池目前的转换效率已经可以达到20％，和硅晶太阳能电池的转换效率相去不远。

此外，一种具有和CIGS相似晶格结构的四元化合物半导体材料，铜锌锡硫(Cu₂ZnSn(S,Se)₄，CZTS)薄膜太阳能电池，则由于其材料皆属于地球上丰富、易于取得且不具毒性的元素，成为近来炙手可热的新型薄膜太阳能电池材料。

目前制备CZTS薄膜的方法，通常是利用真空设备进行薄膜沉积。例如，日本Ito和Nakazawa曾使用原子束溅镀(atom beam sputtering)于不锈钢基板上制备CZTS薄膜。Friedl Meier等人则使用热蒸镀法制备CZTS薄膜，并且制作出转换效率为2.3％的CZTS薄膜太阳能电池。Katagiri等人则使用RF共溅镀加上蒸汽硫化，或者是电子束蒸镀前驱物再硫化的方式制作CZTS薄膜，其所制作出的CZTS薄膜太阳能电池转换效率为6.77％。

如上所述，现有技术制作CZTS薄膜太阳能电池的方法多是属于需要使用真空设备的方式。然而，真空设备的价格相当昂贵，其费用会提高CZTS薄膜太阳能电池的制作成本。所以，若是可以使用溶液工艺取代真空工艺，将可以有效地降低CZTS薄膜太阳能电池的制造成本。

发明内容

本发明提供一种形成硫化物半导体膜的方法，包含涂布一层前驱物溶液于一基板上，以及进行一回火工艺，使此层前驱物溶液形成硫化物半导体膜。此前驱物溶液包含溶剂、金属硫化物纳米粒子，以及金属离子及金属络合物离子至少其中之一，且金属离子及/或金属络合物离子是分布于金属硫化物纳米粒子的表面。金属硫化物纳米粒子、金属离子及金属络合物离子所包括的金属是选自周期表第I、II、III及IV族元素且包含此硫化物半导体材料的所有金属元素。

本发明更提供一种形成太阳能电池的方法，包含形成一下电极于一基板上、形成一硫化物半导体膜于下电极上、形成一半导体层于硫化物半导体膜上，以及形成一上电极于半导体层上。此硫化物半导体膜由涂布一层前驱物溶液于一基板上制成。其中，此前驱物溶液包含溶剂、金属硫化物纳米粒子，以及金属离子及金属络合物离子至少其中之一，且金属离子及/或金属络合物离子是分布于金属硫化物纳米粒子的表面。

附图说明

图1所示为根据本专利申请案实施例的硫化物半导体膜的浆料的制备方法流程图。

图2所示为电双层理论的示意图。

图3所示为实例一的悬浮状金属硫化物纳米粒子的放大示意图。

图4所示为实例一的浆料中多个被电双层包围的金属硫化物纳米粒子的放大示意图。

图5所示为根据本专利申请案实施例的硫化物半导体膜的制作方法流程图。

图6到图10所示为分别使用实例一到实例三的浆料，及实例六到实例七的浆料做为前驱物溶液，所制作的CZTS膜的XRD分析图。

图11所示为根据本专利申请案实施例的太阳能电池的制作方法流程图。

图12所示为根据图11所示方法制作的太阳能电池的正视图。

图13所示为使用实例七的CZTS浆料所制作的太阳能电池的J-V图。

其中，附图标记说明如下：

1200    基板

1210    钼层

1210    下电极

1220    硫化物半导体膜

1230    缓冲层

1240    上电极

1250    金属接点