CN101499497A - 一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，包括：一基板，该基板的一面为照光面；一透明导电膜，形成于该基板上，其用于取出电能与提升光电转换的效率；一P型半导体层，形成于该透明导电膜上，用于产生空穴；一本质型半导体层，形成于该P型半导体层上方，用于提高太阳电池的电特性；一N型半导体层，形成于该本质型半导体层上方，用于产生电子；以及一电极，形成于该N型半导体层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率；该多能阶的硅基薄膜太阳能电池是利用不同材料的薄膜以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。

Description

一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种硅基薄膜太阳能电池，尤其涉及一种具有不同能阶P-i-N硅基薄膜太阳能电池，利用不同的薄膜材料以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。
背景技术
目前由于国际能源短缺，而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电池最受到瞩目。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、并与建筑物作结合及普及化等优点，故利用太阳电池作为能源的取得。
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。随着太阳电池之发展，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)为目前通用的太阳能电池之原料代表，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最大的市场占有率乃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，现今主要以积极发展非晶硅薄膜太阳电池为主，但其效率上于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。掺杂原子的能阶互相耦合(Overlapping)，就会在导带与价带之间引进中间能带。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，一般须要采用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(Microcrystalline Si，μc-Si：H)结构最受到瞩目。然而，过去并无在单一P-i-N结构中制作多能阶之硅基薄膜太阳能电池。
因此，有必要提出一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，就由微晶硅结构，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
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，该硅基薄膜太阳能电池不止可提高其光波长的吸收范围，更可增加太阳能电池的光电转换效率。
为了实现上述目的，本发明提出一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其包含一基板；一透明导电膜；一P型半导体层；一本质型(i型)半导体层；一N型半导体层以及一电极。该透明导电膜用于取出电能与提升光电转换的效率。该P型半导体层形成于该透明导电膜上，用以产生空穴。该本质型(i型)半导体层，形成于该P型半导体层上方，用以提高太阳电池的电特性。该N型半导体层，形成于该本质型(i型)半导体层上方，用以产生电子。该电极形成于该N型半导体层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。需注意的是，该P型半导体层之能隙大于该本质型(i型)半导体层的能隙，且该本质型(i型)半导体层的能隙则大于该N型半导体层的能隙。除此之外，该本质型(i型)半导体层选自于非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗所组成族群中的任何一种材料。
根据本发明的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的一特征，其中该P型半导体层选自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所组成族群中的任何一种材料。
根据本发明的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的一特征，其中该N型半导体层选自于非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗所组成族群中的任何一种材料。
根据本发明的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的一特征，其中该P型半导体层系选自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所组成族群中的任何一种材料。
根据本发明的具有多能阶之硅基薄膜太阳能电池的一特征，其中该N型半导体层、该本质型(i型)半导体层与该P型半导体层之整体厚度0.5至5微米之间。
根据本发明的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的一特征，其中该本质型(i型)半导体层的厚度，占该N型半导体层、该本质型(i型)半导体层与该P型半导体层的整体厚度50％以上。
综上所述，该具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其形成一P-i-N结构的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，利用薄膜材料的不同能隙以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。
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显示为本发明的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池的侧视剖面图；
图2显示为本发明的该本质型(i型)半导体层内的微晶硅质薄膜的X光绕射分析图；
图3显示为本发明之该本质型(i型)半导体层内的微晶硅质薄膜的微拉曼光谱分析图。
其中，附图标记：
100：具有多能阶之硅基薄膜太阳能电池
110：基板120：透明导电膜   130：P型半导体层
140：本质型(i型)半导体层   150：N型半导体层
160：电极
具体实施方式
虽然本发明可表现为不同形式的实施例，但附图所示者及于下文中说明者为本发明的较佳实施例，并请了解本文所揭示者考虑为本发明的一范例，且并非意图用以将本发明限制于附图及/或所描述的特定实施例中。
请参照图1，其所示为具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池100的侧视剖面图，该结构为本发明之第一实施例。该具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池100包含一基板110；透明导电膜120；一P型半导体层130；一本质型(i型)半导体层140；一N型半导体层150以及一电极160。该基板110为承载薄膜用；该透明导电膜120用于取出电能与提升光电转换的效率；该P型半导体层130形成于该透明导电膜120上，用以产生空穴；该本质型(i型)半导体层140形成于该P型半导体层130上方，用以提高太阳电池的电特性；该N型半导体层150形成于该本质型(i型)半导体层140上方，用以产生电子。其中，该电极160形成于该N型半导体层150上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。
该基板110选自于玻璃、石英、塑料、透明可挠性基板所组成族群中的任何一种材料。为了得到较佳的透光特性与较低的制造成本，可采用透光性较佳的玻璃。
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可选用常见的蒸镀法(Evaporation)、溅镀法(Sputter)、电镀法、印刷法工艺作为主要工艺方式。其材料可选用铟锡氧化物(Indiumtin oxide，ITO)、二氧化锡(Stannum dioxide，SnO2)、氧化锌(Zinc oxide，ZnO)，或含杂质的氧化锌，作为该透明导电膜120的材料。在本发明中，较佳的透明导电膜的特性要求为，透光比率80％且导电系数为103ohm-cm以上。
该电极160形成于该N型半导体层150上，且其可选用常见的蒸镀法、溅镀法、电镀法、印刷法工艺作为主要工艺方式。该电极160的材料可选用铟锡氧化物、二氧化锡、氧化锌或含杂质的氧化锌，镍、金、银、钛、铜、钯、及铝等材料，该电极160的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，本发明的第一实施例于P型半导体层130可选用于等离子增强型化学式气相沉积工艺(Plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition，HW-CVD)或特高频等离子增强型化学式气相沉积(Very high frequency-plasma enhance chemical vapordeposition，VHF-PECVD)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由等离子增强型化学式气相沉积来形成，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P型半导体层130的制作气体，其氢气流量与硅烷流量比例为0.1倍至10倍，用以制作出非晶质硅薄膜。其中，P型半导体层130指在本质材料中所加入的杂质(Impurities)可产生多余的空穴，以空穴构成多数载子的半导体。例如，就硅和锗半导体而言，若对本质半导体掺入3价原子的杂质时，会形成多余的空穴，电流则以空穴为主来运作。其中，该P型半导体层130的掺杂方式可选用于气体掺杂、铝诱导结晶硅(Aluminuminduced crystalline，AIC)、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)工艺作为主要工艺方式。
该本质型(i型)半导体层140形成于该P型半导体层130上方，该本质型(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，当电子与空穴在材料内部传导，若该本质型(i型)半导体层140的厚度过厚，两者重合机率极高，为避免此现象发生，该本质型(i型)半导体层140不宜过厚。反的，该本质型(i型)半导体层140太薄，又易造成吸光不足。该本质型(i型)半导体层140一般以非晶硅质薄膜(a-Si：H)为主。但该非晶硅质薄膜先天上最大的缺失在于光照使用后，该非晶硅质薄膜于短时间内，其性能将大幅衰退，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(Danglingbond，DB)，因光照射所发生结构变化的故。微晶硅质薄膜的载子迁移率比一般非晶硅质薄膜高出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，故使用微晶硅质薄膜可加以提高太阳能电池的转换效率。该i型半导体层140可选用于等离子增强型化学式气相沉积工艺、热丝化学气相沉积法或特高频等离子增强型化学式气相沉积工艺作为主要工艺方式。该第一实施例于，本发明的i型半导体层140由等离子增强型化学式气相沉积来形成，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)等作为微晶硅质薄膜的制作气体，其氢气流量与硅烷流量比例为10倍至30倍制作出微晶质硅薄膜。
现请参照图2，其所示微晶硅质薄膜的微拉曼光谱分析图。利用微拉曼光谱分析仪(micro Raman spectra)的实作量测结果揭示，其微拉曼光谱图的峰值出现在510cm-1，其为一高结晶度的纳米晶硅质薄膜。现请参照图3，其所示微晶硅质薄膜的X光绕射分析图。利用X光绕射分析仪的实作量测结果揭示，其X光绕射分析图的峰值出现111、220、311的硅质结晶面。
该N型半导体层150形成于该本质型(i型)半导体层140上，该N型半导体层150可选用于等离子增强型化学式气相沉积工艺、热丝化学气相沉积法或特高频等离子增强型化学式气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由等离子增强型化学式气相沉积来形成，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，SiH4)、锗烷(GeH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为微晶硅锗薄膜的制作气体。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，以电子构成多数载子的半导体。就硅或锗半导体而言，若对本质半导体掺入5价原子的杂质时，会形成多余的电子。电子流则以电子为主来运作。其中，该N型半导体层150的掺杂方式可选用于气体掺杂、准分子激光退火、固相结晶化、热扩散法或离子布植法作为主要工艺方式。
本发明的第二实施例与第一实施例的相异处在于制作该本质型(i型)半导体层140的气体流量与沉积速率，其微晶硅薄膜的能阶也不同于该第一实施例。在该实施例中，该本质型(i型)半导体层140由等离子增强型化学式气相沉积来形成，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)等作为微晶硅质薄膜的制作气体，其氢气流量与硅烷流量比例为30倍至50倍制作出微晶质硅薄膜。
需注意的是，该P型半导体层130的能隙大于该本质型(i型)半导体层140的能隙，而该本质型(i型)半导体层140的能隙则大于该N型半导体层150的能隙，且该本质型(i型)半导体层140选自于非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗所组成族群中的任何一种材料。
有鉴于此，本发明的该基板110选自于硅、玻璃、可挠性基板或不锈钢板之一。而为了降低制作上的成本，现今也有人改以玻璃及不锈钢来作为基板。有鉴于此，本发明的基板110可采用玻璃及不锈钢来作为基板。
综上所述，本发明的第一实施例为较佳实施例。该具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其形成一P-i-N结构的具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，利用薄膜材料的不同能隙以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。
当然，本发明还可有其它多种实施例，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 (9)

1.一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，包含：
一基板，该基板的一面为照光面；
一透明导电膜，形成于该基板上，其用于取出电能与提升光电转换的效率；
一P型半导体层，形成于该透明导电膜上，用于产生空穴；
一本质型半导体层，形成于该P型半导体层上方，用于提高太阳电池的电特性；
一N型半导体层，形成于该本质型半导体层上方，用于产生电子；以及
一电极，形成于该N型半导体层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率；
其中，该P型半导体层的能隙大于该本质型半导体层的能隙，而该本质型半导体层的能隙则大于该N型半导体层的能隙；且该本质型(i型)半导体层选自于非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗所组成族群中的任何一种材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该基板选自于玻璃、石英、塑料、透明可挠性基板所组成族群中的任何一种材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有多能阶的薄膜太阳能电池，其特征在于，该P型半导体层选自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所组成族群中的任何一种材料。
4.根据权利要求1所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该N型半导体层选自于非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗所组成族群中的任何一种材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该P型半导体层、本质型半导体层、N型半导体层选自于等离子增强型化学式气相沉积法、热丝化学气相沉积法或特高频等离子增强型化学式气相沉积法所组成族群中的任何一种工艺。
6.根据权利要求1所述的一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该N型半导体层、该本质型半导体层与该P型半导体层的整体厚度在0.5微米至5微米之间。
7.根据权利要求1所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该本质型半导体层的厚度，占该N型半导体层、该本质型半导体层与该P型半导体层的整体厚度50％以上。
8.根据权利要求5所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该P型半导体层、该本质型半导体层与该N型半导体层以硅烷气体与氢气混合；硅烷气体、氢气与氩气混合；硅烷气体、锗烷气体与氢气混合；硅烷气体、锗烷气体、氢气与氩气混合所组成族群中的任何一种工艺。
9.根据权利要求5所述的一种具有多能阶的硅基薄膜太阳能电池，其特征在于，该P型半导体层、该本质型半导体层与该N型半导体层制作时，工艺腔体内的基板温度为20度至300度之间。
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