CN101552302A - 一种具有超晶格p型半导体层的硅薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种硅薄膜太阳能电池，其主要包含一基板；一第一透明导电膜；一超晶格P型半导体层；一本质型(i型)非晶硅半导体层；一N型非晶硅半导体层；一第二透明导电膜以及一电极。其中，该超晶格P型半导体层用以调变能带以扩展对太阳光谱波长范围的吸收，将有助于提高开路电压(Voc)，因而提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种具有超晶格P型半导体层的硅薄膜太阳能电池

技术领域

本发明涉及一种硅薄膜太阳能电池，特别涉及一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池。其中，该超晶格P型半导体层内由非晶硅与非晶碳相互堆栈而成，用以增加光能带，以扩展对太阳光谱波长范围的吸收与降低P型半导体层的电阻。

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)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。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。然而，过去并无在P层结构中制作具有超晶格的硅薄膜太阳能电池。

因此，有必要提出一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池，利用超晶格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具有超晶格P型半导体层的硅薄膜太阳能电池，其中该超晶格P型半导体层有助于提高开路电压(Voc)以及光吸收效率，因而提高太阳能电池的光电转换效率。

为实现上述目的，本发明提出一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池，其包含：一基板；一第一透明导电膜；一超晶格P型半导体层；一本质型(i型)非晶硅半导体层；一N型非晶硅半导体层；一第二透明导电膜以及一电极。

其中，该第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。该超晶格P型半导体层形成于该透明导电膜上方，其由非晶硅与非晶碳相互堆栈而成，用以提高太阳能电池的电特性与产生空穴。该本质型(i型)非晶硅半导体层形成于该超晶格P型半导体层上方，用以提高太阳能电池的电特性。该N型非晶硅半导体层形成于该本质型(i型)半导体层上方，用于产生电子。该第二透明导电膜形成于该N型半导体层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。最后，该电极形成于该第二透明导电膜上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。

根据本发明的硅薄膜太阳能电池，其中该超晶格P型半导体层内的非晶硅与非晶碳相互堆栈的次数在3至10次之间。

根据本发明的硅薄膜太阳能电池，其中该超晶格半导体层的整体厚度在10纳米至150纳米之间。

根据本发明的一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池，其中该本质型(i型)非晶硅半导体层的整体厚度在300纳米至900纳米之间。

根据本发明的一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池，其中该本质型(i型)非晶硅半导体层的厚度占该超晶格P型半导体层、该本质型(i型)非晶硅半导体层、该N型非晶硅半导体层的整体厚度50％以上。

上述优点将有助于提高开路电压(Voc)，且对短路电流(Isc)与填充因子(filling factor，FF)并不造成影响，因而提高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为本发明的一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池的侧视剖面图；

图2为本发明的该超晶格P型半导体层的侧视剖面图；以及

图3为本发明的硅薄膜太阳能电池的能带图。

其中，附图标记

100：一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池

110：基板

120：第一透明导电膜

130：超晶格P型半导体层

131：非晶硅薄膜

132：非晶碳薄膜

140：本质型(i型)非晶硅半导体层

150：N型非晶硅半导体层

160：第二透明导电膜

170：电极

Ea：P层能量带

Eb：I层能量带

Lb：垒宽

Lz：阱宽

具体实施方式

虽然本发明可表现为不同形式的实施例，但附图所示及于下文中说明为本发明的较佳实施例，并请了解本文所揭示是为本发明的一范例，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，其所示为一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池100的侧视剖面图。该具有超晶格的硅薄膜太阳能电池100包含一基板110；一第一透明导电膜120；一超晶格P型半导体层130；一本质型(i型)非晶硅半导体层140；一N型非晶硅半导体层150；一第二透明导电膜160以及一电极170。

该基板110选自于硅、玻璃、石英、塑料、透明可挠性基板、可挠性基板或不锈钢板所组成群族之一。为了得到较佳的透光特性与较低的制造成本，可采用玻璃及不锈钢板作为基板110。

该第一透明导电膜120位于该基板110之上。该第一透明导电膜120与该第二透明导电膜160的目的为提高电流的收集，用以增加光电转换的效率。其可选用常见的蒸镀法(Evaporation)、溅镀法(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制作的材料，且该第一透明导电膜120与该第二透明导电膜160的厚度约在100纳米至500纳米之间。

该电极170形成于该第二透明导电膜160上，其中该电极170可选用常见的蒸镀法(Evaporation)、溅镀法(Sputter)、电镀法、印刷法等工艺作为其主要的工艺方式。该电极170的材料可选用铟锡氧化层(Indium tin oxide，ITO)、二氧化锡(Stannum dioxide，SnO2)、氧化锌(Zinc oxide，ZnO)、镍、金、银、钛、铜、钯、及铝等，其功效与该第一透明导电膜120以及该第二透明导电膜160相同，且该电极170的厚度约在50纳米至300纳米之间。

需特别注意的是，该第二透明导电膜160并非是必要，亦即是，当结构中无该第二透明导电膜160时，则该电极170形成于该N型非晶硅半导体层150上。

该超晶格P型半导体层130形成于该第一透明导电膜120上方，且该超晶格P型半导体层130由非晶硅与非晶碳相互堆栈而成，其可提高开路电压及增加光电转换效率，以提高太阳能电池的电特性并产生空穴。该超晶格P型半导体层130薄膜可选用电浆增强型化学式气相沈积工艺(Plasma-enhancedchemical vapor deposition，PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wirechemical vapor deposition，HW-CVD)或特高频电浆增强型化学式气相沈积(Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition，VHF-PECVD)等工艺作为主要工艺方式。通入的气体可选用硼烷气体与硅烷(Silane，SiH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为该超晶格P型半导体层130内的非晶硅薄膜131的制作气体，如图2所示的结构。而该超晶格P型半导体层130内的非晶碳薄膜132(如图2所示)的制作气体为甲烷(CH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等，且该超晶格P型半导体层130的掺杂浓度在1×1020原子/立方公分左右。

现请参照图2，其所示为该超晶格P型半导体层130的侧视剖面图，其中该非晶硅薄膜131与非晶碳薄膜132的堆栈次数为3至10次。在一实施例中，超晶格P型半导体层130的整体厚度约介于10纳米至150纳米之间。现请参照图3，其所示为本发明的硅薄膜太阳能电池的能带图。其中该超晶格P型半导体层130吸收能隙可透过其量子阱宽度(垒宽Lb、阱宽Lz)改变，用以扩展对太阳光谱长波长范围的吸收，从而提高光电流。

该本质型(i型)非晶硅半导体层140形成于该超晶格P型半导体层130上方，该本质型(i型)非晶硅半导体层140是由混和硅烷气体及氢气而形成的，其用以提高电特性，并增加太阳能电池的转换效率。其中，该本质型(i型)非晶硅半导体层140对于薄膜型太阳能电池的电特性影响最大，其是由于电子与空穴在材料内部传导时，若该本质型(i型)非晶硅半导体层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)非晶硅半导体层140不宜过厚。反之，该本质型(i型)非晶硅半导体层140的厚度过薄时，又易造成吸光性不足。该本质型(i型)非晶硅半导体层140可选用于电浆增强型化学式气相沈积工艺、热丝化学气相沉积法或特高频电浆增强型化学式气相沈积工艺作为主要工艺方式。在一实施例中，本发明的该本质型(i型)非晶硅半导体层140由电浆增强型化学式气相沈积来形成，其机台腔体的压力约为0.01托(torr)至1(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)等作为该本质型(i型)非晶硅半导体层140的制作气体。其中，该本质型(i型)非晶硅半导体层140厚度约为300纳米至900纳米之间。

该N型非晶硅半导体层150形成于该本质型(i型)非晶硅半导体层140上方，该N型非晶硅半导体层150可选用于电浆增强型化学式气相沈积工艺、热丝化学气相沉积法或特高频电浆增强型化学式气相沈积工艺作为主要工艺方式。在一实施例中，该N型非晶硅半导体层150由电浆增强型化学式气相沈积来形成，其机台腔体的压力约为0.01托(torr)至1(torr)，工艺温度约为室温至300℃，通入的气体可选用磷烷气体与硅烷(silane，SiH4)并混和氢气(Hydrogen，H)、氩气(Argon，Ar)等作为该N型非晶硅半导体层150的制作气体，且该N型非晶硅半导体层150的掺杂浓度在1×1020原子/立方公分左右。

在一实施例中，超晶格P型半导体层130、本质型(i型)非晶硅半导体层140、及N型非晶硅半导体层150堆栈的整体厚度较佳约介于在0.5微米至3微米之间。在另一实施例中，本质型(i型)非晶硅半导体层140的厚度较佳占超晶格P型半导体层130、本质型(i型)非晶硅半导体层140、及N型非晶硅半导体层150堆栈的整体厚度50％以上。

综上所述，本发明的一种具有超晶格的硅薄膜太阳能电池，该超晶格P型半导体层130用以增加光能带扩展以及对太阳光谱波长范围的吸收，其将有助于提高开路电压(Voc)，使短路电流(Isc)与填充因子不变，因而提高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)

1.一种硅薄膜太阳能电池，其特征在于，包含：

一基板；

一第一透明导电膜，形成于该基板上，其用于取出电能与提升光电转换的效率；

一超晶格P型半导体层，形成于该透明导电膜上方，其由非晶硅与非晶碳相互堆栈而成，用以提高太阳能电池的电特性与产生空穴；

一本质型i型非晶硅半导体层，形成于该超晶格P型半导体层上方，用以提高太阳能电池的电特性；

一N型非晶硅半导体层，形成于该本质型i型半导体层上方，用于产生电子；以及

一电极，形成于该N型非晶硅半导体层上方，用以取出电能与提升光电转换的效率。

2.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，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所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该超晶格P型半导体层内的非晶硅与非晶碳相互堆栈的次数在3至10次之间。

4.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该超晶格P型半导体层的整体厚度在10纳米至150纳米之间。

5.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该本质型i型非晶硅半导体层的整体厚度在300纳米至900纳米之间。

6.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该超晶格P型半导体层、该本质型i型非晶硅半导体层、及该N型非晶硅半导体层堆栈的整体厚度在0.5微米至3微米之间。

7.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该本质型i型非晶硅半导体层的厚度占该超晶格P型半导体层、该本质型i型非晶硅半导体层、及该N型非晶硅半导体层堆栈的整体厚度50％以上。

8.根据权利要求1所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，还至少包括一第二透明导电膜，形成于该N型非晶硅半导体层与该电极之间，该第二透明导电膜用于取出电能与提升光电转换的效率。

9.根据权利要求8所述的硅薄膜太阳能电池，其特征在于，该第一透明导电膜与该第二透明导电膜选自于铟锡氧化层、二氧化锡或氧化锌所组成族群中的任何一种材料。

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