TWI455329B - 太陽能電池及其製作方法 - Google Patents

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TWI455329B TW099136520A TW99136520A TWI455329B TW I455329 B TWI455329 B TW I455329B TW 099136520 A TW099136520 A TW 099136520A TW 99136520 A TW99136520 A TW 99136520A TW I455329 B TWI455329 B TW I455329B
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Description

太陽能電池及其製作方法
本發明係關於一種太陽能電池及其製作方法，尤指一種具有高光電轉換效率之太陽能電池及其製作方法。
現今人類使用的能源主要來自於石油資源，但由於地球石油資源有限，因此近年來對於替代能源的需求與日俱增，而在各式替代能源中又以太陽能最具發展潛力。
然而習知太陽能電池，例如異質接面薄本質層(hetrojunction with Intrinsic Thin-layer)太陽能電池，受限於製程條件不易控制與介面缺陷(interface trap)過多等影響，具有較低的開路電壓而使得光電轉換效率無法進一步提升，嚴重影響了太陽能電池的發展。
本發明之目的之一在於提供一種太陽能電池及其製作方法，以提升太陽能電池之光電轉換效率。
本發明之一較佳實施例提供一種太陽能電池，其包括一結晶半導體基底、一第一結晶半導體層、一非晶半導體層、一第一金屬電極層以及一第二金屬電極層。結晶半導體基底具有一第一表面與一第二表面，且結晶半導體基底具有一第一摻雜型式。第一結晶半導體層係設置於結晶半導體基底之第一表面，其中第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。非晶半導體層係設置於第一結晶半導體層上，且非晶半導體層具有第二摻雜型式。第一金屬電極層係設置於非晶半導體層上。第二金屬電極層係設置於結晶半導體基底之第二表面。
本發明之一較佳實施例提供一種製作太陽能電池之方法，包括下列步驟。提供一結晶半導體基底，其中結晶半導體基底具有一第一摻雜型式。於結晶半導體基底之一第一表面形成一第一結晶半導體層，其中第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。於第一結晶半導體層上形成一非晶半導體層，其中非晶半導體層具有第二摻雜型式。於非晶半導體層上形成一第一金屬電極層。於結晶半導體基底之一第二表面形成一第二金屬電極層。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖。第1圖繪示了本發明之一較佳實施例之太陽能電池之示意圖。如第1圖所示，本實施例之太陽能電池10包括一結晶半導體基底12、一第一結晶半導體層14、一非晶半導體層16、一第一金屬電極層18以及一第二金屬電極層20。結晶半導體基底12具有一第一表面121與一第二表面122，且結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。結晶半導體基底12之晶格方向可為例如(1,0,0)、(1,1,0)或(1,1,1)等，但不以此為限，且結晶半導體基底12可為晶圓(wafer)、晶方(die)或其它各種型式之半導體基底。第一結晶半導體層14係設置於結晶半導體基底12之第一表面121，其中第一結晶半導體層14具有一第二摻雜型式，且第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。舉例而言，在本實施例中，第一摻雜型式可為例如P型摻雜型式，而第二摻雜型式可為N型摻雜型式，但不以此為限。例如第一摻雜型式亦可為例如N型摻雜型式，而第二摻雜型式可為P型摻雜型式。由於結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14具有不同的摻雜型式，因此會形成一PN接面。在本實施例中，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14均為結晶半導體材料，例如結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14中之至少一者之材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。精確地說，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14較佳可為相同之材料，例如結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之材料均為單晶矽材料，或是結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之材料均為多晶矽材料。當然，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14亦可為不同之材料，但是光電轉換效率可能會較不出色。此外，第一結晶半導體層14之摻雜濃度實質上可與結晶半導體基底12之摻雜濃度實質上相同，但不以此為限。當然，第一結晶半導體層14之摻雜濃度實質上可與結晶半導體基底12之摻雜濃度實質上不同，但是光電轉換效率可能會較不出色。例如在本實施例中，結晶半導體基底12之摻雜濃度實質上係介於1014 atoms/cm2 至1017 atoms/cm2 之間，而第一結晶半導體層14之摻雜濃度大體上係介於1017 atoms/cm2 至1021 atoms/cm2 之間，但不以此為限。另外，結晶半導體基底12之厚度大體上介於50微米(μm)至500微米(μm)之間，但不以此為限。第一結晶半導體層14之厚度實質上大於0且小於500奈米(nm)，例如較佳係大於0且小於等於200奈米(nm)，且更佳為約15奈米(nm)，但不以此為限。非晶半導體層16係設置於第一結晶半導體層14上，且非晶半導體層16具有第二摻雜型式。在本實施例中，非晶半導體層16之厚度實質上係介於1奈米(nm)至20奈米(nm)之間，但不以此為限。此外，非晶半導體層16之摻雜濃度實質上高於第一結晶半導體層14之摻雜濃度。例如在本實施例中，非晶半導體層16之摻雜濃度大體上係介於1018 atoms/cm2 至1021 atoms/cm2 之間。第一金屬電極層18係設置於非晶半導體層18上，且第二金屬電極層20係設置於結晶半導體基底12之第二表面122。第一金屬電極層18與第二金屬電極層20之材料可為各式導電性佳之金屬例如鋁、銀、鉑、金，或是上述材料之合金，或是其它合適的材料，但不以此為限。另外，第一金屬電極層18與第二金屬電極層20之厚度、面積與圖案等可視需求加以調整。
太陽能電池10可另包括一保護層22設置於非晶半導體層14與第一金屬電極層18之間。保護層22可為單層或多層結構，其材料 可包含透明導電材料例如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化錫銻(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等，但不以此為限。透明導電材料之厚度例如可介於10奈米至500奈米之間。此外，保護層22之材料亦可包括抗反射材料，例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽，但不以此為限。另請注意此保護層22需要使用實質上透光的材料所構成，若使用不可透光的材料時，將會讓太陽能電池10無法進行光電轉換。太陽能電池10亦可另包括一第二半導體層24設置於結晶半導體基底12與第二金屬電極層20之間並與結晶半導體基底12與第二金屬電極層20電性連接，用以降低接觸電阻。當然，若沒有接觸電阻的問題，則此第二半導體層24就不需要採用。第二半導體層24之材料可包括非晶矽材料，且第二半導體層24之厚度實質上係介於1微米(μm)至50微米(μm)之間，但不以此為限。第二半導體層24具有第一摻雜型式，且第二半導體層之一摻雜濃度較佳高於結晶半導體基底12之摻雜濃度。例如在本實施例中，第二半導體層24之摻雜濃度實質上係介於1017 atoms/cm2 至1021 atoms/cm2 之間，但不以此為限。在本實施例中，為了增加入光量，太陽能電池10之各膜層之接面，例如結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之接面、第一結晶半導體層14與非晶半導體層16之接面，以及結晶半導體基底12與第二半導體層24可選擇性地具有粗糙化(textured)處理，但不以此為限。若太陽能電池10光電轉換效率較高時，可以考慮不用粗糙化處理。當然，若在此情況下有採用，則轉換效率更好。
在本實施例中，太陽能電池10之PN接面係形成於結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之間，亦即空乏區係位結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14的介面。由於結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之間具有同質接面(homo-junction)，因此不易產生介面缺陷(interface trap)。另一方面，第一結晶半導體層14與非晶半導體層16之間具有異質接面(hetero-junction)，因此容易產生介面缺陷，但由於空乏區係遠離第一結晶半導體層14與非晶半導體層16之間具有異質接面，因此可降低電子-電洞對的復合，進而使開路電壓上升，而可提升光電轉換效果。
下文將針對本發明之製作太陽能電池之方法進行說明，且為了簡化說明，在下文之實施例中使用相同的符號標注相同的元件，並不再對重覆部分進行贅述。請參考第2圖至第4圖。第2圖至第4圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。如第2圖所示，首先提供一結晶半導體基底12，其中結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。為了增加入光量，可對結晶半導體基底12之第一表面121進行粗糙化處理。當然，如上所述可以不採用。接著於結晶半導體基底12之第一表面121上形成一非晶半導體層16，其中非晶半導體層16具有第二摻雜型式。
如第3圖所示，接著進行一退火(annealing)製程，將非晶半導體層16之摻質向下擴散以於結晶半導體基底12內形成一第一結晶半導體層14。第一結晶半導體層14與結晶半導體基底12具有相同的晶格型態但具有相反之摻雜型式，因此結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之間會形成一PN接面，亦即空乏區係位結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14的介面。
如第4圖所示，隨後可選擇性地於非晶半導體層16上形成一保護層22，以及於保護層22上形成一第一金屬電極層18。另外，可選擇性地於對結晶半導體基底12之第二表面122進行粗糙化處理，並於結晶半導體基底12之第二表面122形成一第二半導體層24，以及於第二半導體層24上形成一第二金屬電極層20。藉由上述步驟，即可製作出本實施例之太陽能電池40。
請再參考第5圖與第6圖。第5圖與第6圖繪示了本發明之另一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。如第5圖所示，首先提供一結晶半導體基底12，其中結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。接著於結晶半導體基底12之第一表面121形成一第一結晶半導體層14。第一結晶半導體層14與結晶半導體基底12具有相反之摻雜型式。結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14可為相同之材料。當然，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14亦可為不同之材料，但是光電轉換效率可能會較不出色。
如第6圖所示，接著於第一結晶半導體層14上形成一非晶半導體層16，其中非晶半導體層16具有該第二摻雜型式。隨後可選擇性地於非晶半導體層16上形成一保護層22，以及於保護層22上形成一第一金屬電極層18。另外，可選擇性地於結晶半導體基底12之第二表面122形成一第二半導體層24，以及於第二半導體層24上形成一第二金屬電極層20。藉由上述步驟，即可製作出本實施例之太陽能電池50。
請參考第7圖。第7圖顯示了本發明之太陽能電池之暗電流密度與外加電壓之模擬圖。本模擬係以介面缺陷密度(interface trap density,Dit)約為5*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行，且曲線A代表了第一結晶半導體層的厚度為0時(亦即第一結晶半導體層不存在)之暗電流密度與外加電壓的關係，而曲線B-F則分別代表面第一結晶半導體層的厚度約為15奈米(nm)、25奈米(nm)、50奈米(nm)、100奈米(nm)與200奈米(nm)時之暗電流密度與外加電壓的關係。如第7圖所示，在未照光的狀況下，對設置有第一結晶半導體層之太陽能電池施加相同的外加電壓所產生的暗電流密度(如曲線B-F所示)明顯地低於對未設置有第一結晶半導體層之太陽能電池施加相同的外加電壓所產生的暗電流密度(如曲線A所示)。因此可證明本發明之第一結晶半導體層可有效地減少暗電流密度。
請參考第8圖。第8圖顯示了本發明之太陽能電池之開路電壓Voc與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖，其中曲線1係在介面缺陷密度約為2*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行，而曲線1’係在介面缺陷密度約為2.5*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行。如第8圖所示，在照光的狀況下，當第一結晶半導體層之厚度X介於約大於0且小於等於200奈米(nm)的範圍內，太陽能電池之開路電壓Voc約介於620mV至700mV之間。
請參考第9圖。第9圖顯示了本發明之太陽能電池之電流密度Jsc與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖，其中曲線2係在介面缺陷密度約為2*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行，而曲線2’係在介面缺陷密度約為2.5*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行。如第9圖所示，在照光的狀況下，當第一結晶半導體層之厚度X介於約大於0且小於等於200奈米(nm)的範圍內，太陽能電池之開路電壓Jsc約介於29 mA/cm2 至32 mA/cm2 之間。
請參考第10圖。第10圖顯示了本發明之太陽能電池之光電轉換效率與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖，其中曲線3係在介面缺陷密度約為2*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行，而曲線3’係在介面缺陷密度約為2.5*1013 (#/cm2 eV)的條件下進行。如第9圖所示，在照光的狀況下，當第一結晶半導體層之厚度X介於約大於0且小於等於200奈米(nm)的範圍內，太陽能電池之光電轉換效率係約介於15%至17.5%之間。特別是在第一結晶半導體層之厚度X約介於10奈米(nm)至20奈米(nm)的範圍內，例如約15奈米(nm)，太陽能電池之光電轉換效率可達到約17.5%。
綜上所述，本發明之太陽能電池之空乏區係位結晶半導體基底與第一結晶半導體層之間的同質接面，且空乏區遠離第一結晶半導體層與非晶半導體層之間具有異質接面，因此可降低電子-電洞對的復合，進而使開路電壓上升，而可提升光電轉換效果。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10．．．太陽能電池
12．．．結晶半導體基底
121．．．第一表面
122．．．第二表面
14．．．第一結晶半導體層
16．．．非晶半導體層
18．．．第一金屬電極層
20．．．第二金屬電極層
22．．．保護層
24．．．第二半導體層
A,B,C,D,E,F,1,1’,2,2’,3,3’．．．曲線
Voc．．．開路電壓
Jsc．．．電流密度
X．．．厚度
第1圖繪示了本發明之一較佳實施例之太陽能電池之示意圖。
第2圖至第4圖繪示了本發明之一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
第5圖與第6圖繪示了本發明之另一較佳實施例之製作太陽能電池之方法示意圖。
第7圖顯示了本發明之太陽能電池之暗電流密度與外加電壓之模擬圖。
第8圖顯示了本發明之太陽能電池之開路電壓Voc與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖。
第9圖顯示了本發明之太陽能電池之電流密度Jsc與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖。
第10圖顯示了本發明之太陽能電池之光電轉換效率與第一結晶半導體層之厚度X之模擬圖。
10．．．太陽能電池
12．．．結晶半導體基底
121．．．第一表面
122．．．第二表面
14．．．第一結晶半導體層
16．．．非晶半導體層
18．．．第一金屬電極層
20．．．第二金屬電極層
22．．．保護層
24．．．第二半導體層

Claims (15)

  1. 一種太陽能電池，包括：一結晶半導體基底，具有彼此相對的一第一表面與一第二表面，其中該結晶半導體基底具有一第一摻雜型式；一第一結晶半導體層，設置於該結晶半導體基底之該第一表面，其中該第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且該第二摻雜型式相反於該第一摻雜型式；一非晶半導體層，設置於該第一結晶半導體層上，其中該非晶半導體層具有該第二摻雜型式；一第一金屬電極層，設置於該非晶半導體層上；以及一第二金屬電極層，設置於該結晶半導體基底之該第二表面，其中該第二金屬電極層係與該第二表面接觸。
  2. 如請求項1所述之太陽能電池，其中結晶半導體基底與該第一結晶半導體層其中至少一者之材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。
  3. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該第一結晶半導體層之一厚度實質上小於500奈米。
  4. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該非晶半導體層之一厚度實質上係介於1奈米至20奈米之間。
  5. 如請求項1所述之太陽能電池，其中，該非晶半導體層之一摻雜濃度實質上高於該第一結晶半導體層之一摻雜濃度。
  6. 如請求項1所述之太陽能電池，其中該結晶半導體基底另包括一第二半導體層，該第二表面係為該第二半導體層之一表面，該第二半導體層係與該結晶半導體基底與該第二金屬電極層電性連接，該第二半導體層具有該第一摻雜型式，該第二金屬電極層係與具有該第二半導體層之該第二表面接觸，且該第二半導體層之一摻雜濃度高於該結晶半導體基底之一摻雜濃度。
  7. 如請求項6所述之太陽能電池，其中該第二半導體層之材料包括非晶矽材料。
  8. 如請求項1所述之太陽能電池，另包括一保護層，設置於該非晶半導體層與該第一金屬電極層之間。
  9. 一種製作太陽能電池之方法，包括：提供一結晶半導體基底，其中該結晶半導體基底具有一第一摻雜型式；於該結晶半導體基底之一第一表面形成一第一結晶半導體層，其中該第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且該第二摻雜型式相反於該第一摻雜型式； 於該第一結晶半導體層上形成一非晶半導體層，其中該非晶半導體層具有該第二摻雜型式；於該非晶半導體層上形成一第一金屬電極層；以及於該結晶半導體基底之一第二表面形成一第二金屬電極層，其中該第一表面與該第二表面彼此相對，且該第二金屬電極層係與該第二表面接觸。
  10. 如請求項9所述之製作太陽能電池之方法，其中於該結晶半導體基底之該第一表面形成該第一結晶半導體層之步驟包括：於該結晶半導體基底之該第一表面形成該非晶半導體層；以及進行一退火製程，以於該結晶半導體基底內形成該第一結晶半導體層。
  11. 如請求項9所述之製作太陽能電池之方法，其中該結晶半導體基底與該第一結晶半導體層其中至少一者之材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。
  12. 如請求項9所述之太陽能電池之方法，其中該非晶半導體層之一摻雜濃度實質上高於該第一結晶半導體層之一摻雜濃度。
  13. 如請求項9所述之製作太陽能電池之方法，其中該結晶半導體基底另包括一第二半導體層，該第二表面係為該第二半導體層之一表面，該第二半導體層具有該第一摻雜型式，該第二金屬電極 層係與具有該第二半導體層之該第二表面接觸，且該第二半導體層之一摻雜濃度實質上高於該結晶半導體基底之一摻雜濃度。
  14. 如請求項13所述之製作太陽能電池之方法，其中該第二半導體層之材料包括一非晶矽材料。
  15. 如請求項9所述之製作太陽能電池之方法，另包括於該非晶半導體層與該第一金屬電極層之間形成一保護層。
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