CN108198871A - 异质接面太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种异质接面太阳能电池,包含:配置于半导体基板相对两侧的第一本质非晶硅层与第二本质非晶硅层、配置于第一本质非晶硅层上的P型非晶硅层、配置于第二本质非晶硅层上的N型非晶硅层、配置于P型非晶硅层上的第一透明导电层、配置于N型非晶硅层上的第二透明导电层、配置于第一透明导电层上的多个电极线及覆盖第二透明导电层的电极层。太阳光由第一透明导电层进入异质接面太阳能电池后,可通过电极层将短波长的光线反射回内部,让异质接面太阳能电池二次吸收短波长的光线,使得短路电流上升,用以达成提高光电转换效率的技术功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法,特别是异质接面太阳能电池及其制造方法。
背景技术
近年来,由于国际能源价格高涨,加上气候暖化问题日益受到关注,绿色能源在许多先进国家已掀起产业革命。而在全球因应气候变迁与环保意识抬头等现况下,世界各国除了注重于提升能源使用效率及积极宣导节约能源政策外,更致力于开发再生能源技术,主要是因为再生能源具有洁净零污染与自产的特性,能供永续使用,其中,以太阳能最受重视且广受利用,进而带动太阳能发电技术的日趋成熟。
目前太阳电池产品的主流为具高光电转换效率的钝化发射极触点太阳能电池(Passivated Emitter Rear Cell,PERC),其最大特点是利用钝化技术将正面的射极与背面钝化,以减少表面缺陷,提升光电转换效率。其中,利用单晶硅所制作的钝化发射极触点太阳能电池的光电转换效率可达20.7%,利用多晶硅所制作的钝化发射极触点太阳能电池的光电转换效率最高可达18.5%。然而,钝化发射极触点太阳能电池因P型硅基板具有光诱发衰退(Light Induced Degradation,LID)以及电势诱发衰退(Potential InducedDegradation,PID)等缺点,难以突破其目前的光电转换效率。
因此,便有厂商提出另一种具高光电转换效率的异质接面太阳能电池,其使用N型硅基板不会有LID以及PID的现象,预期成为下个世代主流的太阳能电池代表。
请参阅「图1」,「图1」为公知异质接面太阳能电池的结构示意图。异质接面太阳能电池500包含半导体基板502、第一本质非晶硅层504、P型非晶硅层506、第二本质非晶硅层508、N型非晶硅层510、第一透明导电层512、第二透明导电层514、多个第一导电线516与多个第二导电线518。半导体基板502为N型半导体,第一本质非晶硅层504与第二本质非晶硅层508分别形成于半导体基板502的两侧。P型非晶硅层506形成于第一本质非晶硅层504上,而N型非晶硅层510形成于第二本质非晶硅层508上。因此,异质接面太阳能电池500可利用不同材料能隙形成异质接面,有效吸收不同波长的光线,同时具有较好的温度系数。此外,异质接面太阳能电池500亦可利用半导体基板502表面的钝化效应,增加载子收集率,达到较高的开路电压。然而,目前异质接面太阳能电池的光电转换效率仍有很大的提升空间,因此如何有效提升异质接面太阳能电池的光电转换效率是一个待解决的问题。
发明内容
本发明揭露一种异质接面太阳能电池及其制造方法。
首先,本发明揭露一种异质接面太阳能电池,此太阳能电池包含:半导体基板、第一本质非晶硅层、P型非晶硅层、第二本质非晶硅层、N型非晶硅层、第一透明导电层、第二透明导电层、多个电极线及电极层。其中,半导体基板具有彼此相对的第一表面与第二表面,第一本质非晶硅层配置于第一表面上,P型非晶硅层配置于第一本质非晶硅层上,第二本质非晶硅层配置于第二表面上,N型非晶硅层配置于第二本质非晶硅层上,第一透明导电层配置于P型非晶硅层上,第二透明导电层配置于N型非晶硅层上,多个电极线配置于第一透明导电层上,电极层配置于第二透明导电层上。
本发明所揭露的***与方法如上,与现有技术的差异在于本发明是利用覆盖第二透明导电层的电极层将短波长的光线反射回异质接面太阳能电池的内部,让异质接面太阳能电池二次吸收短波长的光线,使得短路电流上升。
通过上述的技术手段,本发明可以达成提高光电转换效率的技术功效。
附图说明
图1为公知异质接面太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明一实施例的异质接面太阳能电池的结构示意图。
图3为依据图2的异质接面太阳能电池的制造方法流程图。
图4为本发明另一实施例的异质接面太阳能电池的结构示意图。
图5A为依据图4的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的第一本质非晶硅层与第二本质非晶硅层的短路电流密度关系图。
图5B为依据图4的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的第一本质非晶硅层与第二本质非晶硅层的光电转换效率关系图。
图6A为依据图4的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的P型非晶硅层的短路电流密度关系图。
图6B为依据图4的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的P型非晶硅层的光电转换效率关系图。
图7为依据图4的异质接面太阳能电池的制造方法流程图。
图8为图1的公知异质接面太阳能电池与图4的本发明异质接面太阳能电池的短路电流与开路电压相对关系图。
图9为图1的公知异质接面太阳能电池与图4的本发明异质接面太阳能电池的外部量子效率与波长相对关系图。
【符号说明】
100 异质接面太阳能电池
102 半导体基板
104 第一本质非晶硅层
106 P型非晶硅层
108 第二本质非晶硅层
110 N型非晶硅层
112 第一透明导电层
114 第二透明导电层
116 电极线
118 电极层
1021 第一表面
1022 第二表面
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式,藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
请先参阅「图2」,「图2」为本发明一实施例的异质接面太阳能电池的结构示意图。异质接面太阳能电池100包含:半导体基板102、第一本质非晶硅层104、P型非晶硅层106、第二本质非晶硅层108、N型非晶硅层110、第一透明导电层112、第二透明导电层114、多个电极线116与电极层118。其中,半导体基板102具有彼此相对的第一表面1021与第二表面1022,第一本质非晶硅层104配置于该第一表面1021上,P型非晶硅层106配置于第一本质非晶硅层104上,第二本质非晶硅层108配置于第二表面1022上,N型非晶硅层110配置于第二本质非晶硅层108上,第一透明导电层112配置于P型非晶硅层106上,第二透明导电层114配置于N型非晶硅层110上,多个电极线116配置于第一透明导电层112上,电极层118配置于第二透明导电层114上。在本实施例中,电极层118可完全覆盖第二透明导电层114,电极线116的数量可为但不限于两个,可依据实际需求进行调整。
其中,半导体基板102可为N型半导体基板。第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的材质可选自由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅与非晶氧化铝所组成的群组。P型非晶硅层106与N型非晶硅层110的材质可选自由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅与非晶氧化铝所组成的群组。第一透明导电层112与第二透明导电层114的材质可选自于由氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化镉(CdO)、氧化铬铜(CuCrO2)、氧化锶铜(SrCu2O2)、氧化铜铝(CuAlO2)、镁铟氧化物(MgO-In2O3)、镉锡氧化物(CdO-SnO2)、锡锑氧化物(SnO2-Sb2O3)、锡镓氧化物(SnO2-Ga2O3)、镓锌氧化物(Ga2O3-ZnO)、铟锡氧化物(In2O3-SnO2,ITO)、铟锌氧化物(Indium zinc oxide,IZO)、铟镓锌氧化物(In2O3-Ga2O3-ZnO,IGZO)、掺杂铝的氧化锌(Aluminum-doped Zinc Oxide,AZOV)、掺杂硼的氧化锌(Boron-dopedZnO,BZO)以及掺杂氟的氧化锡(Fluorine-doped SnO2,FTO)所组成的群组。电极线116与电极层118的材质可为银胶、铝胶或铜。
接着,请参阅「图3」,「图3」为依据「图2」的异质接面太阳能电池的制造方法流程图,其步骤包括:提供半导体基板,半导体基板具有彼此相对的第一表面与第二表面(步骤210);形成第一本质非晶硅层于第一表面上(步骤220);形成P型非晶硅层于第一本质非晶硅层上(步骤230);形成第二本质非晶硅层于第二表面上(步骤240);形成N型非晶硅层于第二本质非晶硅层上(步骤250);形成第一透明导电层于P型非晶硅层上(步骤260);形成第二透明导电层于N型非晶硅层上(步骤270);形成多个电极线于第一透明导电层上(步骤280);以及形成电极层于第二透明导电层上且电极层完全覆盖第二透明导电层(步骤290)。通过上述步骤,即可使太阳光由第一透明导电层112入射异质接面太阳能电池100后,覆盖第二透明导电层114的电极层118可将短波长的光线反射回异质接面太阳能电池100的内部,让异质接面太阳能电池100二次吸收短波长的光线,使得短路电流上升,用以达成提高光电转换效率的技术功效。
其中,形成第一本质非晶硅层104、P型非晶硅层106、第二本质非晶硅层108与N型非晶硅层110的方法可选自于由射频等离子体化学增强气相沉积法(Radio FrequencyPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,RF-PECVD)、超高频等离子体化学增强气相沉积法(Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,VHF-PECVD)以及微波等离子体化学增强气相沉积法(Microwave Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition,MW-PECVD)所组成的群组。形成第一透明导电层112或第二透明导电层114的方法可选自于由溅镀(sputtering)以及物理气相沉积(Physical VaporDeposition,PVD)所组成的群组。形成电极层118或形成上述电极线116的方式为网印、蒸镀、电镀或溅镀。
此外,请参阅「图4」,「图4」为本发明另一实施例的异质接面太阳能电池的结构示意图。本实施例与上述实施例的差别在于,在本实施例中第一表面1021与第二表面1022皆可具有多个四角锥结构,以使外部光线入射至一四角锥结构后,其所反射的部分光线可入射至另一四角锥结构。藉此可使太阳光进入异质接面太阳能电池100内部后,于第一表面1021与第二表面1022进行多次的反射与入射,以增进异质接面太阳能电池100的光线吸收利用率。需注意的是,由于「图4」为异质接面太阳能电池100的侧视图,因此每一四角锥结构看起来像山脊状结构。
位于P型非晶硅层106与半导体基板102之间的第一本质非晶硅层104与位于N型非晶硅层110与半导体基板102之间的第二本质非晶硅层108具有钝化及保护的作用,以减少表面载子复合率与因晶格不匹配所产生的缺陷,进而改善光电转换效率。第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层106的厚度皆可小于或等于10纳米(nanometer,nm),且能隙可大于或等于1.5电子伏特(eV)且小于或等于1.8eV。
请参阅「图5A」与「图5B」,分别为依据「图4」的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的第一本质非晶硅层与第二本质非晶硅层的短路电流密度与光电转换效率关系图。其中,方块点的连线、圆点的连线、正三角点的连线以及反三角点的连线分别为第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层106的能隙为1.8eV、1.7eV、1.6eV以及1.5eV时,不同厚度的第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层105的短路电流密度与光电转换效率的对应关系。在本实施例中,仅第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的能隙与厚度为调变因素且第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108具有的相同能隙与厚度,其他参数不变(半导体基板102的厚度为200微米(micrometer,μm)且能隙为1.1eV,P型非晶硅层106的厚度为10nm且能隙为1.7eV,N型非晶硅层110的厚度为10nm且能隙为1.7eV,第一透明导电层112与第二透明导电层114的厚度为80nm且材质为ITO)。
由「图5A」与「图5B」可知,当第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的能隙较大且厚度过大时,会导致短路电流密度快速下降,降低光电转换效率。此外,由「图5A」可知,在第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的能隙为1.7eV以及1.8eV时,厚度越薄的情形下短路电流密度是较好的,但能隙为1.5eV及1.6V的情形下,当第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的厚度越大时,短路电流密度却是上升的,由此可见在能隙较小的情形下,不同的厚度对于短路电流密度的影响不大,但在能隙较大的情形下,需注意厚度不能太大,否则会导致短路电流密度快速下降。
再者,由于第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108主要作为钝化及保护作用,用以解决晶格不匹配的问题,所以第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的厚度不宜太厚,且由「图5B」可知,在能隙为1.8eV的情况下,第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的厚度增加容易使光电转换效率快速下降。因此,当第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的厚度皆小于或等于10nm且能隙为1.5eV时,异质接面太阳能电池100具有较佳的光电转换效率。
P型非晶硅层106的厚度可介于10nm至15nm,且能隙可大于或等于1.5eV且小于或等于1.8eV。请参阅「图6A」与「图6B」,分别为依据「图4」的异质接面太阳能电池的具有不同能隙与厚度的P型非晶硅层的短路电流密度与光电转换效率关系图。其中,方块点的连线、圆点的连线、正三角点的连线以及反三角点的连线分别为P型非晶硅层106的能隙为1.8eV、1.7eV、1.6eV以及1.5eV时,不同厚度的P型非晶硅层106的短路电流密度与光电转换效率的对应关系。在本实施例中,仅P型非晶硅层106的能隙与厚度为调变因素,其他参数不变(半导体基板102的厚度为200μm且能隙为1.1eV,第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的厚度皆为10nm且能隙为1.7eV,N型非晶硅层110的厚度为10nm且能隙为1.7eV,第一透明导电层112与第二透明导电层114的厚度为80nm且材质为ITO)。
由「图6A」与「图6B」可知,当P型非晶硅层106的能隙越大时,短波长的光线吸收效率越好,使P型非晶硅层106能产生更多的电子电洞对。此外,由于P型非晶硅层106做为异质接面太阳能电池100的射极,如果射极能产生大量的电子电洞对,可帮助提升光电转换效率,因此P型非晶硅层106需要足够的光路径,使光线的能量可以在异质接面太阳能电池100的内部产生更多电子电洞对,但由于异质接面太阳能电池100的内部有许多载子复合及因晶格不匹配所产生的缺陷,所以P型非晶硅层106的厚度不宜过厚。因此,当P型非晶硅层106的厚度介于10nm至15nm且能隙为1.8eV时,异质接面太阳能电池100的具有较佳的光电转换效率。
N型非晶硅层110为背向表面场(Back Surface Filed,BSF),可利用能障的落差来减少背面电子电洞的复合。N型非晶硅层110的厚度可为大于或等于5nm且小于或等于10nm,可用以提升异质接面太阳能电池的效率。第二透明导电层114的厚度可大于或等于80nm且小于或等于100nm,为碱金属扩散阻障层,可用以提升异质接面的品质。第一透明导电层112的厚度可大于或等于80nm且小于或等于100nm,提升短路电流密度。
接着,请参阅「图7」,「图7」为依据「图4」的异质接面太阳能电池的制造方法流程图,「图7」与「图3」的步骤差别在于,在本实施例中,在形成第一本质非晶硅层104与第二本质非晶硅层108的步骤(步骤220与步骤230)之前更可包含:蚀刻半导体基板,使第一表面与第二表面具有多个四角锥结构(步骤202);以及清洗半导体基板,以去除第一表面与第二表面的杂质以及污染物(步骤204)。上述蚀刻半导体基板102的方法包含利用化学蚀刻方法蚀刻半导体基板102,清洗半导体基板102的方法包含利用RCA标准清洗溶液清洗半导体基板102的第一表面1021与第二表面1022。
综上所述,在本实施例中,半导体基板102的厚度可为200μm且能隙可为1.1eV,第一本质非晶硅层104的厚度可为10nm且能隙可为1.5eV,P型非晶硅层106的厚度可为10nm且能隙可为1.8eV,第二本质非晶硅层108的厚度可为10nm且能隙可约为1.5eV,N型非晶硅层110的厚度可为10nm且能隙可为1.7eV。第一透明导电层112与第二透明导电层114的厚度可为80nm且材质可为ITO,电极线116与电极层118的材质可为铜。其中,形成第一本质非晶硅层104于第一表面1021上、形成P型非晶硅层106于第一本质非晶硅层104上、形成第二本质非晶硅层108于第二表面1022上以及形成N型非晶硅层110于第二本质非晶硅层108上的方法利用VHF–PECVD的方式进行。通过使用VHF-PECVD镀膜制程,可降低轰击,减少缺陷,提升开路电压,进而达到提升光电转换效率的功效。形成第一透明导电层112或第二透明导电层114的方法利用PVD的方式进行。形成电极层118或形成电极线116的方式为电镀。
以下针对公知异质接面太阳能电池与本发明异质接面太阳能电池进行量测比较,在此实验中,公知异质接面太阳能电池与本发明异质接面太阳能电池的差异点在于:本发明异质接面太阳能电池的电极层可将大部分入射于异质接面太阳能电池的光线反射回异质接面太阳能电池的内部,而公知异质接面太阳能电池会让大部分入射于异质接面太阳能电池的光线穿透异质接面太阳能电池。请参阅「图8」与「图9」,「图8」为「图1」的公知异质接面太阳能电池与「图2」的本发明异质接面太阳能电池的短路电流与开路电压相对关系图,「图9」为「图1」的公知异质接面太阳能电池与「图2」的本发明异质接面太阳能电池的外部量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)与波长相对关系图。其中,方块点的连线与圆点的连线分别为公知异质接面太阳能电池与本发明异质接面太阳能电池的短路电流与开路电压对应关系以及EQE与波长对应关系。
由「图8」可知,公知异质接面太阳能电池的开路电压可达0.76伏特(Voltage,V),短路电流密度可达34.03mA/cm2,填充因子(Full Factor,FF)可达0.88,光电转换效率可达22.81%。其中,FF为最大功率矩形面积与短路电流、开路电压乘积的比值,亦即:FF=(Im×Vm)÷(Isc×Voc),Im×Vm为最大功率矩形面积,Isc为短路电流,Voc为开路电压,因此太阳能电池的光电转换效率可以简单表示成:η=[(Isc×Voc×FF)÷(Pin)]×100%,η为光电转换效率,Pin为入射光功率。本发明异质接面太阳能电池的开路电压可达0.76V,短路电流密度可达35.48mA/cm2,FF可达0.88,光电转换效率可达23.85%。由「图9」可知,本发明异质接面太阳能电池中短波长光线于外部量子效率明显提升,原因应该是本发明异质接面太阳能电池中覆盖第二透明导电层的电极层可将入射于异质接面太阳能电池的短波长光线反射回异质接面太阳能电池的内部,使得短波长光线于异质接面太阳能电池内部造成二次吸收,短路电流上升所致。
综上所述,可知本发明与现有技术之间的差异在于通过覆盖大部分第二透明导电层的电极层将短波长的光线反射回异质接面太阳能电池的内部,让异质接面太阳能电池二次吸收短波长的光线,使得短路电流上升,藉由此一技术手段可以达成提高光电转换效率的技术功效。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与润饰,因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种异质接面太阳能电池,其特征在于,包含:
一半导体基板,具有彼此相对的一第一表面与一第二表面;
一第一本质非晶硅层,配置于该第一表面上;
一P型非晶硅层,配置于该第一本质非晶硅层上;
一第二本质非晶硅层,配置于该第二表面上;
一N型非晶硅层,配置于该第二本质非晶硅层上;
一第一透明导电层,配置于该P型非晶硅层上;
一第二透明导电层,配置于该N型非晶硅层上;
多个电极线,配置于该第一透明导电层上;以及
一电极层,配置于该第二透明导电层上。
2.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该第一表面与该第二表面皆具有多个四角锥结构。
3.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该第一透明导电层与该第二透明导电层的材质选自于由氧化铟、氧化锡、氧化锌、氧化镉、氧化铬铜、氧化锶铜、氧化铜铝、镁铟氧化物、镉锡氧化物、锡锑氧化物、锡镓氧化物、镓锌氧化物、铟锡氧化物、铟锌氧化物、铟镓锌氧化物、掺杂铝的氧化锌、掺杂硼的氧化锌以及掺杂氟的氧化锡所组成的群组。
4.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该P型非晶硅层的厚度介于10nm至15nm。
5.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该P型非晶硅层的能隙大于或等于1.5eV且小于或等于1.8eV。
6.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该N型非晶硅层的厚度大于或等于5nm且小于或等于10nm。
7.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该第一透明导电层与该第二透明导电层的厚度皆大于或等于80nm且小于或等于100nm。
8.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该第一本质非晶硅层与该第二本质非晶硅层的厚度皆小于或等于10nm,且能隙大于或等于1.5eV且小于或等于1.8eV。
9.根据权利要求1的异质接面太阳能电池,其特征在于,该电极层完全覆盖该第二透明导电层。
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