CN101499496A - 一种硅薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅薄膜太阳能电池，其主要包含一基板；一透明导电膜；一P型半导体层；一本征(i型)半导体层；一N型半导体层以及一电极。其中，P－i－N半导体层内，各有不同的结晶结构，可提高其整体光的波长吸收范围、并提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种硅薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种硅薄膜太阳能电池，特别是一种P-i-N半导体层内具有不同的结晶结构来达到不同能隙大小，用以提高其光的波长吸收范围。

背景技术

目前，由于国际能源短缺，世界各国一直持续研发各种可行的替代能源，其中又以太阳能发电的太阳能电池最为受到瞩目，太阳电池具有使用方便、取之不尽、用之不竭、无废弃物、无污染、无转动部份、无噪音、可阻隔辐射热、使用寿命长、尺寸可随意变化、与建筑物作结合及普及化等优点，因此利用太阳能电池作为能源的取得的方式是一种非常有效的能源取得形式。

在20世纪70年代，由美国贝尔实验室首先研制出的硅太阳能电池逐步发展起来。随着太阳能电池的发展，如今太阳能电池有多种类型，典型的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。

硅(Silicon)是目前通用的太阳能电池中的原料的代表，在市场上又区分为：1.单结晶硅；2.多结晶硅；3.非结晶硅。目前最成熟的工业生产制造技术和具有最大的市场占有率的是以单晶硅和非晶硅为主的光电板。原因是：一、单晶效率最高；二、非晶价格最便宜，且无需封装，生产也最快；三、多晶的切割及下游再加工较不易，而前述两种都较易于再切割及加工。为了降低成本，因而现今主要是以积极发展非晶硅薄膜太阳电池为主，但其效率上在实际应用中仍然过低。近来，有所谓的中间能带(Intermediate band)结构被提出，也就是在导带(Conduction band)与价带(Valence band)之间引进额外的能带。理论上，如果掺杂(doping)浓度高到某种程度，即掺杂原子之间的距离接近到某种程度，掺杂原子就不能再被视为是相互独立的。掺杂原子的能级互相耦合(Overlapping)，就会在导带与价带之间引进中间能带。而中间能带的引入，可以让原本能量小于能隙的不被吸收的光子，有机会被吸收，因而增加光电流。另一方面，为了保持输出电压，一般需要采用P-i-N结构，让中间能带位于纯质(intrinsic，i layer)区域。其中又以于i层中成长所谓的微晶硅(MicrocrystallineSi，μc-Si：H)或纳米晶硅(Nanocrystalline Si，nc-Si：H)结构最受到瞩目。

然而，过去并没有在单一P-i-N结构中，利用不同结晶结构来制作多能级的硅基薄膜太阳能电池。因此，有必要提出一种具有多能级的硅基薄膜太阳能电池，通过微晶硅结构，来提高其光波长的吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种硅薄膜太阳能电池，该P-i-N半导体层内的结晶结构，可用以提高光的波长吸收范围，并增加太阳能电池的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明公开了一种硅薄膜太阳能电池，其包含一基板；一透明导电膜；一P型半导体层；一本征(i型)半导体层；一N型半导体层以及一电极。该P型半导体层形成于该透明导电膜上，且具有镶埋纳米晶硅。该本征(i型)半导体层形成于该P型半导体层上方，且其具有镶埋微晶硅。而该N型半导体层形成于该本征(i型)半导体层上方，且其具有镶埋多晶硅。

根据本发明的一种硅薄膜太阳能电池的一特征，其中该P型半导体层内的纳米晶硅占该P型半导体层的整体比例在10％至40％之间。

根据本发明的一种硅薄膜太阳能电池的一特征，其中该P型半导体层内的纳米晶硅的结晶尺寸为1至30纳米之间。

根据本发明的一种硅薄膜太阳能电池的一特征，其中该本征(i型)半导体层内的微晶硅的结晶尺寸为30至100纳米之间。

根据本发明的一种硅薄膜太阳能电池的一特征，其中该N型半导体层内的多晶硅的结晶尺寸为100至1000纳米之间。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的一种硅薄膜太阳能电池的侧视剖面图；

图2为本发明的P型半导体层内镶埋纳米晶硅的微拉曼光谱分析图；

图3为本发明的本征(i型)半导体层内镶埋微晶硅的微拉曼光谱分析图；

图4为本发明的N型半导体层内镶埋多晶硅的微拉曼光谱分析图；

其中，附图标记：

100—一种硅薄膜太阳能电池

110—基板

120—透明导电膜

130—P型半导体层

140—本征(i型)半导体层

150—N型半导体层

131—纳米晶硅

141—微晶硅

151—多晶硅

160—电极

具体实施方式

请参照图1，其所示为一种硅薄膜太阳能电池100的侧视剖面图，该结构为本发明的第一实施例。该硅薄膜太阳能电池100包含一基板110；一透明导电膜120；一P型半导体层130；一本征(i型)半导体层140；一N型半导体层150以及一电极160。该P型半导体层130内具有镶埋纳米晶硅131、该本征(i型)半导体层140内具有镶埋微晶硅141，而该N型半导体层150内具有镶埋多晶硅151。

由于硅(Silicon)为目前通用的太阳能电池的原料的代表，而在市场上又区分为：1.单结晶硅；2.多结晶硅；3.非结晶硅。目前最成熟的工业生产制造技术和占有最大的市场占有率的是以单晶硅和非晶硅为主的光电板。原因是：一、单晶效率最高；二、非晶价格最便宜，且无需封装，生产也最快；三、多晶的切割及下游再加工较不易，而前述两种都较易于再切割及加工。因此，本发明的该基板110选自于硅、玻璃、可挠性基板或不锈钢板中的一种。为了降低制作上的成本，现在也有人改用玻璃及不锈钢来作为基板。因此，本发明的基板110可采用玻璃及不锈钢来作为基板。

该透明导电膜120形成于该基板110上，该透明导电膜120的目的为提高电流的收集于电极160上，以提升光电转换的效率。其中该透明导电膜120可选用常见的蒸发法(Evaporation)、溅射法(Sputter)、电镀法、印刷法等工艺作为主要的工艺方式。而铟锡氧化物(Indium tin oxide，ITO)、二氧化锡(Stannum dioxide，SnO2)、氧化锌(Zinc oxide，ZnO)或含杂质的氧化锌等可作为该透明导电膜120的材料。

该电极160形成于该N型半导体层150上，其中该电极160可选用常见的蒸发法、溅射法、电镀法、印刷法等工艺作为主要工艺方式。该电极160的材料可选用铟锡氧化层、二氧化锡、或含杂质的氧化锌，氧化锌、镍、金、银、钛、铜、钯、及铝等，其功效与该透明导电膜120相同。

该P型半导体层130形成于该透明导电膜120上，该第一实施例镶埋于P型半导体层130内的纳米晶硅131薄膜可选用离子增长型化学汽相沉积工艺(Plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、热丝化学汽相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition，HW-CVD)或特高频离子增长型化学汽相沉积(Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition，VHF-PECVD)等工艺作为主要工艺方式。在一实施例中，本发明的P型半导体层130由离子增长型化学汽相沉积来形成，其机台腔体的压力为0.01托(torr)))至0.5(torr)，工艺温度为室温至300℃，通入的气体可选用硅化合物(Silicide)气体如硅烷(Silane，SH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为纳米晶硅131薄膜的制作气体。请参照图2，其所示为该P型半导体层130内镶埋纳米晶硅131的微拉曼光谱分析图。该微拉曼光谱分析仪(Micro Raman spectra)的实作测量结果示出了该P型半导体层130内镶埋纳米晶硅131的峰值为505cm-1，其为一高结晶度的纳米晶硅131薄膜。其中，在原本质材料中加入杂质(Impurities)用以产生多余的空穴，以空穴构成多数载流子(majority carrier)的半导体，则称之为P型半导体层130。例：就硅或锗半导体而言，在其本质半导体中，掺入3价原子的杂质(Impurities)时，即形成多余的空穴，且该空穴为电流的运作方式。其中该P型半导体层130的掺杂方式可选用气体掺杂、铝诱导结晶硅(Aluminum induced crystalline，AIC)、热扩散法(Thermal diffusion)、固相结晶化(Solid phase crystalline，SPC)或准分子激光退火(Excimer laser anneal，ELA)等工艺作为主要的工艺方式。

该本征(i型)半导体层140形成于该P型半导体层130上方，且该本征(i型)半导体层140内具有镶埋微晶硅141，该微晶硅141通过混和硅烷气体及氢气而形成，用以提高电特性，并增加太阳能电池的转换效率。其中，该本征(i型)半导体层140对于薄膜型太阳能电池的电特性影响最大，这是由于电子与空穴在材料内部传导时，若该本征(i型)半导体层140的厚度过厚，则两者重合机率极高，为避免此现象发生，本征(i型)半导体层140不宜过厚。反之，该本征(i型)半导体层140厚度过薄时，又容易造成吸旋光性不足。该本征(i型)半导体层140一般以非晶硅质薄膜(a-Si:H)为主。然而，非晶硅质薄膜在光照后的短时间内，其性能将大幅的衰退，即所谓的SW(Staebler-Wronski)效应，其衰减幅度约15％～35％。该SW(Staebler-Wronski)效应是由于材料中部份未饱和的硅原子(Dangling bond，DB)因光照射后，发生结构变化的原因。微晶硅141薄膜的载流子迁移率比一般非晶硅薄膜高出1～2个数量级，而暗电导值则介于10-5～10-7(S.cm-1)之间，明显高出传统非晶硅质薄膜3～4个数量级，故使用微晶硅141薄膜可加以提高太阳能电池的转换效率。该第一实施例镶埋于该i型半导体层140内的微晶硅141薄膜可选用以离子增长型化学汽相沉工艺、热丝化学汽相沉积法或特高频离子增长型化学汽相沉积工艺作为主要工艺方式。在一实施例中，本发明的本征(i型)半导体层140由离子增长型化学汽相沉积来形成，其机台腔体的压力为0.01托(torr)至0.5(torr)，工艺温度为室温至300℃，通入的气体可选用硅化合物(Silicide)气体如硅烷(silane，SH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为微晶硅141薄膜的制作气体。请参照图3，其所示为本征(i型)半导体140层内镶埋微晶硅141薄膜的微拉曼光谱分析图。利用微拉曼光谱分析仪(micro Raman spectra)的实作测量结果示出，其微拉曼光谱图的峰值出现在510cm-1为一高结晶度的微晶硅141薄膜。

该N型半导体层150形成于该本征(i型)半导体层140上，该第一实施例镶埋于N型半导体层150内的多晶硅151薄膜可选用以离子增长型化学汽相沉积工艺、热丝化学汽相沉积法或特高频离子增长型化学汽相沉积工艺作为主要工艺方式。在一实施例中，本发明的N型半导体层150由离子增长型化学汽相沉积来形成，其机台腔体的压力为0.01托(torr)至0.5(torr)，工艺温度为室温至300℃，通入的气体可选用硅化合物(Silicide)气体如硅烷(silane，SH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为多晶硅151薄膜的制作气体。请参照图4，其所示为该N型半导体层150内镶埋多晶硅151薄膜的微拉曼光谱分析图。利用微拉曼光谱分析仪(micro Raman spectra)的实作测量结果示出，其微拉曼光谱图之峰值出现在515cm-1，为一高结晶度的多晶硅151薄膜。N型半导体层150是指在本质材料中加入的杂质可产生多余的电子，以电子构成多数载流子的半导体。例如，就硅和锗半导体而言，若在其本质半导体中掺入5价原子的杂质时，即形成多余的电子。其中，电子流以电子为主来运作。该N型半导体层150的掺杂方式可选用于气体掺杂热、准分子激光退火(Excimer laser anneal，ELA)、固相结晶化(Solid phase crystalline，SPC)、扩散法(Thermal diffusion)或离子注入法(Ion implantation)作为主要工艺方式。

需注意的是，该P型半导体层130、该本征(i型)半导体层140与该N型半导体层150内，各都具有镶埋混和硅烷气体及氢气而形成的纳米晶硅131、微晶硅141、多晶硅151。该P型半导体层130内的纳米晶硅131、该本征(i型)半导体层140内的微晶硅141与该N型半导体层150内的多晶硅151各占该P型半导体层130、该本征(i型)半导体层140、该N型半导体层150的整体比例在10％至40％、40％至70％、70％至100％之间。在工艺过程中，一般可通入硅化合物，如硅烷(silane，SH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等。其中，氢气流量与硅烷流量比例各为0.1倍至10倍、10倍至25倍、25倍至50倍之间。该镶埋于该P型半导体层130、该本征(i型)半导体层140、该N型半导体层150内的纳米晶硅131、微晶硅141、多晶硅151的结晶尺寸各为10至30纳米、30至100纳米、100至1000纳米之间。

本发明的第二实施例与第一实施例的相异处在于该N型半导体层150内掺杂锗元素，其工艺方式可选用离子增长型化学汽相沉积工艺、热丝化学汽相沉积法或特高频离子增长型化学汽相沉积工艺作为主要工艺方式。在另一实施例中，本发明的该N型半导体层150由离子增长型化学汽相沉积来形成，其机台腔体的压力为0.01托(torr)至0.5(torr)，工艺温度为室温至300℃，通入的气体可选用硅化合物(Silicide)气体如硅烷(Silane，SH4)与锗烷(GeH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为硅锗薄膜的制作气体，其锗元素占该N型半导体层150的元素比例在5％至30％之间，可提高太阳能电池的光吸收范围。

综上所述，本发明的硅薄膜太阳能电池，其中，该P-i-N半导体层内分别具有不同结晶结构来实现不同能隙大小，可提高其光的波长吸收范围、并提高太阳能电池的光电转换效率。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其包含：

一基板；

一透明导电膜，形成于该基板上，用于取出电能与提升光电转换的效率；

一P型半导体层，该P型半导体层内具有镶埋纳米晶硅，形成于该透明导电膜上，用于产生空穴；

一本征半导体层，该本征半导体层内具有镶埋微晶硅，形成于该P型半导体层上方，用于提高太阳能电池的电特性；

一N型半导体层，该N型半导体层内具有镶埋多晶硅，形成于该本征半导体层上方，用于产生电子；

一电极，形成于该N型半导体层上方，用于取出电能与提升光电转换的效率。

2、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该P型半导体层内的纳米晶硅占该P型半导体层的整体比例在10％至40％之间。

3、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该本征半导体层内的微晶硅占该本征半导体层的整体比例在40％至70％之间。

4、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该N型半导体层内的多晶硅占该N型半导体层的整体比例在70％至100％之间。

5、如权利要求4所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该N型半导体层内可掺杂锗元素，其占该N型半导体层的元素比例在5％至30％之间，用于形成硅锗。

6、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该N型半导体层、该本征半导体层与该P型半导体层的整体厚度在0.5微米至5微米之间。

7、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该本征半导体层的厚度占该N型半导体层、该本征半导体层与该P型半导体层的整体厚度50％以上。

8、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该P型半导体层内的纳米晶硅的结晶尺寸为1纳米至30纳米之间。

9、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该本征半导体层内的微晶硅的结晶尺寸为30纳米至100纳米之间。

10、如权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，其中该N型半导体层内的多晶硅的结晶尺寸为100纳米至1000纳米之间。

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