CN101527329A - 一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法，其结构包含一基板；多个半导体层；一第一透明导电膜以及一电极。本发明的特征在于在该多个半导体层中还具有粗糙表面的一第二透明导电膜，藉此该电池可增加光吸收率，并有效增进其光电转换效率。

Description

一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，特别是涉及一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法，在该多个半导体层中还具有粗糙表面的一第二透明导电膜，藉此该电池可增加光吸收率，并有效增进其光电转换效率。

背景技术

在油价上涨压力下，近来替代能源议题发烧，太阳电池产业跟着迅速窜红；目前太阳电池产业主流技术为以硅芯片为基材(Crystalline-Silicon WaferBased)的技术，但随着太阳电池市场需求的快速成长，硅材厂商由于前几年遭遇半导体不景气而停止扩大投资，使得现阶段产能无法立即配合新增的太阳电池需求，遂造成上游硅材供需失调，太阳电池厂商纷纷加入抢硅材大战。由于硅材的供不应求，将限缩硅基太阳电池产业的成长力道。

硅(Silicon)为目前通用的太阳能电池的原料代表，而在市场上又区分为：1.单结晶硅；2.多结晶硅；3.非结晶硅；4.微晶硅。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(thin film solar cells)为主，但其效率上于实际应用中仍然过低。这是因为薄膜硅太阳电池是一种不同于非晶硅及单晶硅基材的硅基太阳电池，它不如非晶硅模块通常厚度约只有300nm那么薄，但比目前结晶硅太阳电池的芯片厚度约在200mm以上要来得薄许多，薄膜硅Cell厚度约为几个mm或更薄。薄膜硅原料需求只有约为硅芯片型的1/100，且具有高吸收光特性，通常无光劣化现象。因此，年度每Watt发电量较高，对消费者而言能源回收期可缩短。另外，薄膜硅太阳电池技术的未来发展潜力颇被业界看好，目前堆叠型薄膜太阳电池已有部份商品化，其关键技术在于快速沉积(＞1nm/sec)、镀膜质量与大面积制程的可靠度及重现性。

近来，有所谓的于纯质(intrinsic，i layer)区域中成长所谓的微晶硅(Microcrystalline Si，μc-Si:H)结构最受到瞩目。微晶硅薄膜，其薄膜的载子迁移率(Carrier mobility)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，明显高出非晶硅薄膜3～4个数量级。然而，过去并无在多个p-i-n结构中制作多能隙的硅基薄膜太阳能电池。

为了解决上述问题，有需要提供一种新的堆叠型(tandem)薄膜太阳电池的结构与制程方法，其可有效让薄膜太阳能电池效率有效提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法，可增加光吸收率并有效增进其光电转换效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，包含：

一基板，该基板的一面为照光面；

多个半导体层，形成于该基板上，用于产生电子电洞对，以提供光电流并增加光吸收率；

一第一透明导电膜，形成于该多个半导体层上，用于取出电能与提升光电转换的效率；以及

一电极，形成于该第一透明导电膜上，用于取出电能与提升光电转换的效率；

其中，在该多个半导体层中还具有粗糙表面的一第二透明导电膜。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该多个半导体层还包含：

至少两层第二透明导电膜；以及

至少两层p-i-n半导体层，成长于该第二透明导电膜上，该p-i-n半导体层的第一层中的p层厚度介于5nm～20nm之间，i层厚度介于50nm～200nm之间，n层介于5nm～20nm之间；该p-i-n半导体层的第二层的p层厚度介于5nm～20nm之间，i层厚度介于300nm～600nm之间，n层介于10nm～50nm之间；

其中，该第一层的该第二透明导电膜成长于该基板上；该第一层p-i-n半导体层成长于该第一层的该第二透明导电膜上；且

该第二层的该第二透明导电膜成长于该第一层p-i-n半导体层上；该第二层p-i-n半导体层成长于该第二层的该第二透明导电膜。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该基板选自于玻璃、石英、透明塑料、透明可挠性基板所组成族群中的任何一种材料。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该p-i-n半导体层选自于奈米晶硅、微晶硅、非晶硅与多晶硅所组成族群中的一种材料。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该第二透明导电膜以及该p-i-n半导体层的层数在2～5层之间。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该电极的材料为镍、铝、银、银合金与钛中的一种材料。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其中，该第一透明导电膜与该第二透明导电膜的片电阻值皆为5至100Ω/□，可见光平均光穿透率皆约为70至90％。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其特征在于，包含下列步骤：

A)提供一基板，用于作为承载主体；

B)成长一第一透明导电膜于该基板上，使用蒸镀法、溅镀法、电镀法与印刷法中的一种制程方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面；

C)成长多个半导体层于该第一透明导电膜上，使用化学气象沉积法成长于该第一透明导电膜上；

D)重复依序执行步骤(B)与步骤(C)至少两次，用于形成至少两层半导体层；

E)成长一第二透明导电膜于该多个半导体层上，使用物理气象沉积、化学气象沉积与印刷法中的一种制程方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面；以及

F)成长一电极于该第二透明导电膜上，选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法与印刷法中的一种方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其中，该步骤C)还包含下列步骤：

A)成长一n型半导体层于该第一透明导电膜上，使用电浆增强式化学气象沉积法；

B)成长一i型半导体层于该n型半导体层上，使用电浆增强式化学气象沉积法；以及

C)成长一p型半导体层于该i型半导体层上，使用电浆增强式化学气象沉积法。

所述的堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其中，该第一透明导电膜与该第二透明导电膜的材料选自于铟锡氧化层、氧化锌、二氧化锡、含杂质的二氧化锡与含杂质的氧化锌所组成族群中的一种材料。

本发明提供了一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法，其在多个p-i-n半导体层中间插入一层透明导电薄膜(TCO)；并利用蚀刻方式使得透明导电薄膜表面粗糙，可增加光吸收率并有效增进其光电转换效率。

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为本发明的结构图；

图2为本发明多个半导体层的结构图；

图3为本发明第一层p-i-n半导体层的结构图；

图4为本发明第二～第五层p-i-n半导体层的结构图。

其中，附图标记：

100 基板

200 多个半导体层

210 第二透明导电膜

300 第一透明导电膜

220 第一层p-i-n半导体层

221 p型半导体层

222 i型半导体层

223 n型半导体层

230 第二～第五层p-i-n半导体层

400 电极

600 粗糙表面

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

请参照第1图，其所示为本发明的结构图。该堆叠型薄膜太阳电池结构包含一基板100；多个半导体层200；一第一透明导电膜300；以及一电极400。该基板100的一面为照光面；该多个半导体层200形成于该基板100上；该第一透明导电膜300形成于该多个半导体层200上；该电极400形成于该第一透明导电膜300上；以及配置于该电极400上。该多个半导体层200用于产生电子电洞对并提供光电流与增加光吸收率；该第一透明导电膜300用于取出电能与提升光电转换的效率；该电极400用于取出电能与提升光电转换的效率；以及用于降低光反射率。需注意的是，该基板100与选自于玻璃、石英、透明塑料、透明可挠性基板所组成族群中的任何一种材料。

为了进一步解释该多个半导体层200的结构，请参照第2图，其所示为本发明该多个半导体层200的结构图。该多个半导体层200包含五层第二透明导电膜以及五层p-i-n半导体层。需注意的是，在本图中，虽然以五层半导体层200与五层第二透明导电膜210来说明，然而该多个半导体层200至少包含两层第二透明导电膜以及两层p-i-n半导体层即可。在一较佳实施例中，该多个半导体层200包含五层第二透明导电膜以及五层p-i-n半导体层。该p-i-n半导体层200成长于该第二透明导电膜210上。该p-i-n半导体层的第一层220中的p层221厚度介于5nm～20nm之间，i层222厚度介于50nm～200nm之间，n层223介于5nm～20nm之间。需注意的是，在该p-i-n半导体层的第二层至第五层230中，其p层221厚度介于5nm～20nm之间，i层222厚度介于300nm～600nm之间，n层223厚度介于10nm～50nm之间。在结构上，该第二层的该第二透明导电膜210成长于该第一层p-i-n半导体层220上；该第二层p-i-n半导体层230成长于该第二层的该第二透明导电膜210。该第三层的该第二透明导电膜210成长于该第二层p-i-n半导体层230上；该第三层p-i-n半导体层230成长于该第三层的该第二透明导电膜210。该第四层的该第二透明导电膜210成长于该第三层p-i-n半导体层230上；该第四层p-i-n半导体层230成长于该第四层的该第二透明导电膜210。该第五层的该第二透明导电膜210成长于该第四层p-i-n半导体层230上；该第五层p-i-n半导体层230成长于该第五层的该第二透明导电膜210。其中该第一透明导电膜300与该第二透明导电膜210的片电阻值皆为5至100Ω/□，其光穿透率皆约为70至90％。

为了进一步解释每一层半导体层的结构，请请参照第3图，其所示为本发明第一层p-i-n半导体层220的结构图。该第一层p-i-n半导体层220的p层221厚度介于5nm～20nm之间，i层222厚度介于50nm～200nm之间，n层223介于5nm～20nm之间。关于本发明的该第二～第五层p-i-n半导体层230的结构，请参照第4图。该第二层～第五层p-i-n半导体层230的p层221厚度皆介于5nm～20nm之间，i层222厚度介于300nm～600nm之间，n层223介于10nm～50nm之间。需说明的是，p型半导体层221指在本质材料中加入的杂质(Impurities)可产生多余的电洞，以电洞构成多数载子的半导体，即称之为p型半导体层221。例如：对硅和锗半导体的本质半导体掺入3价原子的杂质时，会形成多余的电洞，电流将以电洞做为主要的运作。该n型半导体层223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，即称之为n型半导体层223。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，并以电子流作为主要的运作。

需注意的是，在p-i-n结构中，该p-i-n半导体层选自于奈米晶硅、微晶硅、非晶硅与多晶硅所组成族群中的一种材料。本质型(i型)半导体层222对于薄膜型太阳能电池的电特性影响最大，当电子与电洞在材料内部传导，若该本质型(i型)半导体层222的厚度过厚，两者重合机率极高，为避免此现象发生，本质型(i型)半导体层222不宜过厚。反之，本质型(i型)半导体层222太薄，又易造成吸光不足。另外，本质型(i型)半导体层222一般以非晶硅质薄膜(a-Si:H)为主。但非晶硅质薄膜先天上最大的缺失在于光照使用后，非晶硅质薄膜在短时间内，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效应是由于材料中部份未饱和的硅原子(Dangling bond，DB)，因光照射所发生结构变化之故。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。故于本质型(i型)半导体层使用结晶硅质，包含奈米晶硅、微晶硅与多晶硅的结晶薄膜，可加以提高太阳能电池的转换效率。本发明所揭示的该多个半导体层200中的i型半导体层222皆采用选自于奈米晶硅、微晶硅、非晶硅与多晶硅所组成族群中的一种材料，较佳采用微晶硅质的结晶薄膜。

本发明也提供了一种堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其包含下列步骤A)提供一基板100作为承载主体；B)成长一第一透明导电膜300于该基板100上，使用溅镀法制程并配合干式蚀刻方法形成粗糙表面600；C)成长多个半导体层200于该第一透明导电膜300上，其使用化学气象沉积法成长于该透明导电膜上；D)重复依序执行该步骤(B)与该步骤(C)至少五次，用于形成至少五层半导体层；E)成长一第二透明导电膜210于该多个半导体层200上，其使用物理气象沉积、化学气象沉积与印刷法中的一种制程方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面600。其中，该物理气象沉积包含蒸镀法、溅镀法与电镀法。在一实施例中，该第二透明导电膜210使用溅镀制程方法，并配合干式蚀刻形成粗糙表面600；以及F)成长一电极400于该第二透明导电膜210上，其是选自于溅镀法并配合干式蚀刻形成粗糙表面600。需注意的是该溅镀制程可以化学气象沉积法取代，且该干式蚀刻亦可以湿式蚀刻取代。当以化学气象沉积法沉积该第二透明导电膜210时，不需任何蚀刻即可形成该粗糙表面600。其中该第一透明导电膜300与该第二透明导电膜210的材料选自于铟锡氧化层、氧化锌、二氧化锡、含杂质的二氧化锡与含杂质的氧化锌所组成族群中的一种材料。该第一透明导电膜与该第二透明导电膜的片电阻值皆为5至100Ωcm，其光穿透率皆约为70至95％。其中，该步骤C)还包含下列步骤：A)成长一n型半导体层于该第一透明导电膜300上，其使用电浆增强式化学气象沉积法；B)成长一i型半导体层222于该n型半导体层上，其使用电浆增强式化学气象沉积法；以及C)成长一p型半导体层221于该i型半导体层222上，其使用电浆增强式化学气象沉积法。其电浆增强式化学气象沉积机台的腔体压力为0.01托(torr)至0.5(torr)，制程温度为室温至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)等作为反应气体。在该步骤C)中，该n型半导体层223与该p型半导体层221的掺杂浓度在1018至1020原子/立方公分之间；其掺杂方式选自于离子布植法。需注意的是，在p-i-n结构中，该p-i-n半导体层选自于奈米晶硅、微晶硅与多晶硅所组成族群中的一种材料。

综上所述，本发明提供一种堆叠型薄膜太阳电池的结构与制程方法。通过在该多个半导体层中还具有粗糙表面的一第二透明导电膜，藉此该电池可增加光吸收率，并有效增进其光电转换效率。

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、一种堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，包含：

一基板，该基板的一面为照光面；

多个半导体层，形成于该基板上，用于产生电子电洞对，以提供光电流并增加光吸收率；

一第一透明导电膜，形成于该多个半导体层上，用于取出电能与提升光电转换的效率；以及

一电极，形成于该第一透明导电膜上，用于取出电能与提升光电转换的效率；

其中，在该多个半导体层中还具有粗糙表面的一第二透明导电膜。

2、根据权利要求1所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该多个半导体层还包含：

至少两层第二透明导电膜；以及

至少两层p-i-n半导体层，成长于该第二透明导电膜上，该p-i-n半导体层的第一层中的p层厚度介于5nm～20nm之间，i层厚度介于50nm～200nm之间，n层介于5nm～20nm之间；该p-i-n半导体层的第二层的p层厚度介于5nm～20nm之间，i层厚度介于300nm～600nm之间，n层介于10nm～50nm之间；

其中，该第一层的该第二透明导电膜成长于该基板上；该第一层p-i-n半导体层成长于该第一层的该第二透明导电膜上；且

该第二层的该第二透明导电膜成长于该第一层p-i-n半导体层上；该第二层p-i-n半导体层成长于该第二层的该第二透明导电膜。

3、根据权利要求1所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该基板选自于玻璃、石英、透明塑料、透明可挠性基板所组成族群中的任何一种材料。

4、根据权利要求2所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该p-i-n半导体层选自于奈米晶硅、微晶硅、非晶硅与多晶硅所组成族群中的一种材料。

5、根据权利要求2所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该第二透明导电膜以及该p-i-n半导体层的层数在2～5层之间。

6、根据权利要求1所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该电极的材料为镍、铝、银、银合金与钛中的一种材料。

7、根据权利要求1所述的堆叠型薄膜太阳电池的结构，其特征在于，该第一透明导电膜与该第二透明导电膜的片电阻值皆为5至100Ω/□，可见光平均光穿透率皆约为70至90％。

8、一种堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其特征在于，包含下列步骤：

A)提供一基板，用于作为承载主体；

B)成长一第一透明导电膜于该基板上，使用蒸镀法、溅镀法、电镀法与印刷法中的一种制程方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面；

C)成长多个半导体层于该第一透明导电膜上，使用化学气象沉积法成长于该第一透明导电膜上；

D)重复依序执行步骤(B)与步骤(C)至少两次，用于形成至少两层半导体层；

E)成长一第二透明导电膜于该多个半导体层上，使用物理气象沉积、化学气象沉积与印刷法中的一种制程方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面；以及

F)成长一电极于该第二透明导电膜上，选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法与印刷法中的一种方法，并配合湿式、干式与雷射蚀刻中的一种方法形成粗糙表面。

9、根据权利要求8所述的堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其特征在于，该步骤C)还包含下列步骤：

A)成长-n型半导体层于该第一透明导电膜上，使用电浆增强式化学气象沉积法；

B)成长一i型半导体层于该n型半导体层上，使用电浆增强式化学气象沉积法；以及

C)成长一p型半导体层于该i型半导体层上，使用电浆增强式化学气象沉积法。

10、根据权利要求8所述的堆叠型薄膜太阳电池的制程方法，其特征在于，该第一透明导电膜与该第二透明导电膜的材料选自于铟锡氧化层、氧化锌、二氧化锡、含杂质的二氧化锡与含杂质的氧化锌所组成族群中的一种材料。

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