CN101488529A - 太阳能电池的钝化层结构及其制造方法 - Google Patents

太阳能电池的钝化层结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳能电池的钝化层结构，其设置于基材上。此钝化层结构具有第一钝化层与第二钝化层。第一钝化层设置于基材上。第二钝化层设置于基材和第一钝化层之间，第二钝化层的材质为基材的材质的氧化物。由于在基材和第一钝化层之间设置有第二钝化层，因此可以有效增加光电元件的表面钝化效果和载流子寿命，并使得太阳能电池的光电转换效率大幅提高。

Description

太阳能电池的钝化层结构及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种光电元件，且特别是涉及一种可提高光电转换效率的太阳能电池的钝化层结构及其制造方法。
【背景技术】
太阳能是一种取之不竭且无污染的能源，在解决目前石化能源所面临的污染与短缺的问题时，一直是最受瞩目的焦点。其中，又因太阳能电池(solar cell)可直接将太阳能转换为电能，而成为目前相当重要的研究课题。
硅基太阳能电池为本领域常见的一种太阳能电池。硅基太阳能电池的原理是将高纯度的半导体材料(硅)加入一些不纯物使其呈现不同的性质，以形成p型半导体及n型半导体，并将pn两型半导体相结合，如此即可形成p-n接面。而p-n接面是由带正电的给体离子与带负电的受体离子所组成，在所述正、负离子所在的区域内，存在着内建电位(built-in potential)。此内建电位可驱赶在此区域中的可移动载流子，故此区域称为耗尽区(depletionregion)。当太阳光照射到p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可能会将半导体中的电子激发出来，产生电子-空穴对，电子与空穴均会受到内建电位的影响，空穴往电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果用导线将此太阳能电池与负载(load)连接起来，形成一个回路(loop)就会有电流流过负载，这就是太阳能电池发电的原理。如果要对太阳能电池进行改良，最好是从提高其光电转换效率着手。
一般而言，除了抗反射层之外，钝化层的优劣，是决定太阳能电池效率的重要关键。好的钝化层可以与硅表面或缺陷处(如差排(Dislocation)、晶界、点缺陷)的悬浮键(dangling bond)形成键结，有效降低电子空穴对在硅表面及缺陷处的再结合率(recombination rate)，进而提高少数载流子的寿命(lifetime)，而达到提高太阳能电池效率的目的。因此，若能提高钝化层的钝化效果，将可以提高太阳能电池的效率。
【发明内容】
本发明提供一种太阳能电池的钝化层结构，该结构可以提高表面钝化效果，并可直接提高太阳能电池的光电转换效率。
有鉴于此，本发明提出一种太阳能电池的钝化层结构，其设置于光电转换层上，具有第一钝化层与第二钝化层。第一钝化层设置于光电转换层上。第二钝化层设置于光电转换层与第一钝化层之间，且第二钝化层的材质为光电转换层的材质的氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的厚度为2nm至100nm。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的材质为具有负的固定电荷(fixed charge)的金属氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的材质选自氧化铝、氧化锌与氧化铟锡之一。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的厚度为1nm至15nm。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的材质为氧化硅。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的材质为氧化硅；上述第一钝化层的材质为氧化铝。
本发明提出一种太阳能电池的钝化层结构的制造方法，具有下列步骤。首先，提供光电转换层。然后，在光电转换层上形成第二钝化层，并且在第二钝化层上形成第一钝化层。第二钝化层的材质为光电转换层的材质的氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的形成方法选自原子层气相沉积法(ALD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、溅镀法(sputteringmethod)与分子束外延法(MBE，Molecular beam epitaxy)之一。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的厚度为2nm至100nm。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的材质为具有负的固定电荷的金属氧化物。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的材质选自氧化铝、氧化锌与氧化铟锡之一。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的形成方法为进行热氧化制程。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的厚度为1nm至15nm。
在本发明的一实施例中，上述第二钝化层的材质为氧化硅。
在本发明的一实施例中，上述第一钝化层的材质为以原子层气相沉积法形成的氧化铝，上述第二钝化层的材质为氧化硅。
本发明因采用在基材和第一钝化层之间设置有第二钝化层的结构，可以提高钝化层的钝化效果，使得太阳能电池光电转换效率大幅提高。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特列举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
图1是本发明的一优选实施例的一种太阳能电池的钝化层结构的剖面图。
图2是本发明的一优选实施例的一种太阳能电池的剖面图。
【主要附图标记说明】
10：基材
20、106a、106b：第一钝化层
30、104a、104b：第二钝化层
100：太阳能电池
102：光电转换层
108a、108b：抗反射层
110：第一电极
112：第二电极
114：P型半导体层
116：N型半导体层
102a：第一面
102b：第二面
【具体实施方式】
图1所绘示的为本发明优选实施例的一种太阳能电池的钝化层结构的剖面图。
请参照图1，本发明的太阳能电池的钝化层结构设置于基材10上，其具有第一钝化层20与第二钝化层30。第一钝化层20设置于基材10上。第二钝化层30设置于基材10与第一钝化层20之间，第二钝化层30的材质与第一钝化层20的材质不同。基材10例如是太阳能电池的光电转换层。
第一钝化层20的厚度例如为2nm至100nm。第一钝化层20的材质例如是氧化铝、氧化锌或氧化铟锡。第一钝化层20的形成方法例如是原子层沉积法、溅镀法(sputtering method)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)和分子束外延法(MBE，Molecular beam epitaxy)中的一种。
第二钝化层30例如设置于基材10与第一钝化层20之间。第二钝化层30的材质例如是基材10的材质的氧化物。举例来说，若基材10的材质为硅，则第二钝化层30的材质为氧化硅。第二钝化层30的厚度例如为1nm至15nm。第二钝化层30的形成方法例如是热氧化制程。
本发明的太阳能电池的钝化层结构及其制造方法，由于在基材10和第一钝化层20之间设置有第二钝化层30，因此可以有效增加表面钝化效果与载流子寿命。
上述说明了本发明的提高表面钝化效果的结构及其制造方法。接着，说明将本发明的提高表面钝化效果的结构应用于太阳能电池时的实施例。
图2所绘示的为本发明的优选实施例的一种太阳能电池的剖面图。
请参照图2，该太阳能电池100例如是由光电转换层102、第二钝化层104a、第二钝化层104b、第一钝化层106a、第一钝化层106b、抗反射层108a、抗反射层108b、第一电极110与第二电极112构成。
光电转换层102的材质例如是硅及其合金、硫化镉(CdS)、铜铟镓二硒(CuInGaSe2，CIGS)、铜铟二硒(CuInSe2，CIS)、碲化镉(CdTe)、有机材料(organic material)或上述材料堆叠的多层结构。上述硅包括单晶硅(singlecrystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon))。上述硅合金是指硅中加入氢原子(H)、氟原子(F)、氯原子(Cl)、锗原子(Ge)、氧原子(O)、碳原子(C)或氮原子(N)等原子。
在本实施例中，太阳能电池100以硅基太阳能电池为例作说明。光电转换层102例如是由P型半导体层114与N型半导体层116构成。P型半导体层114掺杂有周期表第三族元素，例如硼(B)、镓(Ga)、铟(In)等等。N型半导体层116掺杂有周期表第五族元素，例如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等等。P型半导体层114与N型半导体层116接触而形成PN接面。光电转换层102具有第一面102a与第二面102b。第一面102a与第二面102b相对。
第一钝化层106a与第一钝化层106b例如分别设置于光电转换层102的第一面102a与第二面102b上。第一钝化层106a与第一钝化层106b的厚度例如为2nm至100nm。第一钝化层106a与第一钝化层106b的材质包括具有负的固定电荷的金属氧化物。第一钝化层106a与第一钝化层106b的材质例如是氧化硅、氧化铝、氧化锌或氧化铟锡。
第二钝化层104a、第二钝化层104b例如分别在光电转换层102的第一面102a与第二面102b上，且分别位于光电转换层102与第一钝化层106a之间及光电转换层102与第一钝化层106b之间。第二钝化层104a、第二钝化层104b的材质与第一钝化层106的材质不同。第二钝化层104a、第二钝化层104b的材质例如是光电转换层102的材质的氧化物。因此，第二钝化层104a、第二钝化层104b的材质例如是氧化硅。第二钝化层104a、第二钝化层104b的厚度例如为1nm至15nm。
抗反射层108a与抗反射层108b例如分别设置于第一钝化层106a与第一钝化层106b上。抗反射层108a与抗反射层108b的材质例如是氮氧化硅、氮化硅等。
第一电极110例如设置于光电转换层102的第一面102a上。第一电极110例如穿过抗反射层108a、第一钝化层106a、第二钝化层104a而电性连接光电转换层102。
第二电极112例如设置于光电转换层102的第二面102b上。第二电极112例如覆盖光电转换层102的第二面102b，且穿过抗反射层108b、第一钝化层106b、第二钝化层104b而电性连接光电转换层102。第一电极110与第二电极112的材料包括金属材料(如铝等)或透明导电氧化物(transparentconductive oxide，TCO)。第一电极110与第二电极112的形成方法例如是可利用化学气相沉积法(CVD method)、溅镀法(sputtering method)、网印烧结(screen print and firing method)或其它合适的方法来制备。
在本实施例中，由于在光电转换层102与第一钝化层106a(106b)之间设置有第二钝化层104a(104b)，因此可以有效增加表面钝化效果与载流子寿命，并使得太阳能电池的效率大幅提高。当然，在其它实施例中，也可以仅在光电转换层102的第一面102a或第二面102b的其中一面上形成第一钝化层与第二钝化层的堆叠结构。
以下特列举实验例以进一步说明本发明。
[载流子的寿命试验]
准备两片载流子寿命相近的Czochralski(CZ)硅晶圆来进行第二钝化层的研究。
实验例1
在硅晶圆上生长一层2nm的氧化硅作为第二钝化层，然后利用原子层气相沉积法镀上一层15nm的氧化铝作为第一钝化层。
比较例1
在硅晶圆上利用原子层气相沉积法镀上一层15nm的氧化铝作为第一钝化层。
然后，测量实验例1与比较例1的样品在氮氢混合气氛(forming gas)处理前后的载流子寿命，结果如表一所示。
表一
 
硅晶圆 氮氢混合气氛处理前       氮氢混合气氛处理后      
比较例1 3.7202(μs) 18.4351(μs) 29.8546(μs)
实验例1 3.4987(μs) 52.405(μs) 102.89(μs)
根据表一的结果，无论在氮氢混合气氛(forming gas)处理之前或之后，实验例1的载流子寿命比比较例1的载流子寿命都长。而且经过氮氢混合气氛处理后，实验例1的载流子寿命甚至超过100μs，证实了通过设置第二钝化层可以得到较佳的表面钝化效果。
[太阳能电池特性试验]
准备三片载流子寿命相近的多晶硅晶圆，并将其分别依照下述条件制作成太阳能电池，并测量相关太阳能电池特性，以进行第二钝化层的研究。
实验例2
太阳能电池的光电转换层是用掺杂硼至1×1020cm-3的p型多晶硅晶圆(mc-Si wafer)制作的。此多晶硅晶圆的平均晶粒大小(mean grain size)约为5mm。而且，在晶圆的表面上已预先制作一个角椎构造。NP接合则是在850℃使用氧氯化磷(Phosphorus oxychloride；POCL3)扩散20分钟而制作成的。接着，将晶圆的正反面分别形成钝化层。此钝化层由第二钝化层与第一钝化层构成，其形成方法为：在多晶硅晶圆的正反面上先生长一层2nm的氧化硅作为第二钝化层，然后利用原子层气相沉积法镀上一层15nm的氧化铝作为第一钝化层。然后，在晶圆的正反面分别形成一层抗反射层。此反射层是由大约90nm的a-SiNx：H薄膜构成，其形成方法是使用电容耦合式射频等离子体反应装置，使用SiH4和NH3作为前驱物(precursor)，并在反应温度为350℃的条件下，进行沉积制程而形成。之后，在多晶硅晶圆的正反面制作金属电极。正面金属电极是使用金属印刷法并加上930℃的烧结制程制作而成的铝电极。而背面电极是用溅镀法生长，再利用激光烧结而成的铝电极。
比较例2
所用制程与实验例2相同，差别在于钝化层只使用热氧化制程形成一层20nm的氧化硅。
比较例3
所用制程与实验例2相同，差别在于钝化层只使用原子层气相沉积法制程形成一层15nm的氧化铝，结果如表二所示。
表二
 
短路电流Isc(mA)  短路电流密度Jsc(mA/cm2)   开路电压Voc(V)   填充因子F.F.(％) 光电转换效率η(％)      
实验例2 0.271 37.958 0.619 81.27 19.09
比较例3 0.253 35.364 0.613 80.24 17.41
比较例4 0.243 34.076 0.607 79.01 16.33
根据表二的结果，实验例2的光电转换效率比比较例2、3的光电转换效率都高，证实了通过设置第二钝化层可以得到较佳的表面钝化效果。
在现有技术中，因为第一钝化层在太阳能电池电极制作时需要一道烧结制程，第一钝化层经过高温烧结时会产生结晶状，且带负电荷的第一钝化层往往与半导体材料的晶格常数不同，因此两种不同晶格常数接合时会产生错排而造成缺陷。然而，本发明在光电转换层与第一钝化层之间设置较薄的第二钝化层，不但可以使得第一钝化层结晶时减少在接口的缺陷产生，而且带负电荷的第一钝化层又可以有效增加表面钝化效果和载流子寿命，而使得太阳能电池的光电转换效率大幅提高。
综上所述，本发明的太阳能电池的钝化层结构及其制造方法由于在光电转换层与第一钝化层之间设置有第二钝化层，因此可以有效增加表面钝化效果和载流子寿命，并使得太阳能电池的光电转换效率大幅提高。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意更动与润饰，因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种太阳能电池的钝化层结构，其设置于光电转换层上，包括：
第一钝化层，设置在所述光电转换层上；以及
第二钝化层，设置在所述光电转换层与所述第一钝化层之间，且所述第二钝化层的材质为所述光电转换层的材质的氧化物。
2.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第一钝化层的厚度为2nm至100nm。
3.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第一钝化层的材质为具有负的固定电荷的金属氧化物。
4.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第一钝化层的材质选自氧化铝、氧化锌和氧化铟锡之一。
5.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第二钝化层的厚度为1nm至15nm。
6.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第二钝化层的材质为氧化硅。
7.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第二钝化层的材质为氧化硅；所述第一钝化层的材质为氧化铝。
8.如权利要求1所述的太阳能电池的钝化层结构，其中所述第一钝化层的材质为以原子层气相沉积法形成的氧化铝。
9.一种太阳能电池的钝化层结构的制造方法，包括：
提供光电转换层；
在所述光电转换层上形成第二钝化层，所述第二钝化层的材质为所述光电转换层的材质的氧化物；以及
在所述第二钝化层上形成第一钝化层。
10.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第一钝化层的形成方法选自原子层气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、溅镀法和分子束外延法之一。
11.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第一钝化层的厚度为2nm至100nm。
12.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第一钝化层的材质为具有负的固定电荷的金属氧化物。
13.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第一钝化层的材质选自氧化铝、氧化锌和氧化铟锡之一。
14.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第二钝化层的形成方法为进行热氧化制程。
15.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第二钝化层的厚度为1nm至15nm。
16.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第二钝化层的材质为氧化硅。
17.如权利要求9所述的太阳能电池的钝化层结构的制造方法，其中所述第一钝化层的材质为以原子层气相沉积法形成的氧化铝，所述第二钝化层的材质为氧化硅。
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