CN101866969B

CN101866969B - 太阳电池

Info

Publication number: CN101866969B
Application number: CN2010101970172A
Authority: CN
Inventors: 刘致为; 何伟硕; 陈彦瑜; 古峻源; 陈建任; 林汉涂; 梁硕玮
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: CN101866969A

Abstract

一种太阳电池，其包括第一型掺杂单晶硅基板、本征非晶硅层、第二型掺杂非晶硅层、第一型掺杂结晶含锗层以及一对电极。第一型掺杂单晶硅基板具有正面以及背面。本征非晶硅层配置于正面上。第二型掺杂非晶硅层配置于本征非晶硅层上。第一型掺杂结晶含锗层配置于背面。电极与第二型掺杂非晶硅层以及第一型掺杂结晶含锗层电性连接。

Description

太阳电池

【技术领域】

本发明是有关于一种太阳电池(photovoltaic cell)，且特别是有关于一种具有较高光电转换效率的太阳电池。

【背景技术】

太阳能是一种干净无污染而且取之不尽用之不竭的能源，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。由于太阳电池可直接将太阳能转换为电能，因此已成为目前相当重要的研究课题。

硅基太阳电池为业界常见的一种太阳电池。硅基太阳电池的原理是将二个不同型(p型与n型)的半导体层相接合，以形成p-n接面。当太阳光照射到具有此p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可把半导体价带中的电子激发至导带而产生电子-电洞对。电子与电洞均会受到电场的影响，使得电洞沿着电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果以导线将此太阳电池与负载(load)连接起来，则可形成一个回路(loop)，并可使电流流过负载，此即为太阳电池发电的原理。

在异质接面薄本征层(heterojunction with intrinsic thinlayer，HIT)太阳电池中，二个不同型(p型与n型)的半导体层分别为掺杂单晶硅层与掺杂非晶硅层。此外，在掺杂单晶硅层与掺杂非晶硅层之间具有本征非晶硅层。另外，一对电极与掺杂单晶硅层与掺杂非晶硅层电性连接。然而，一般的HIT太阳电池结构仅能吸收太阳光频谱中能量实质上大于硅能隙(1.12eV)的光子，因此难以具有较高的光电转换效率。

【发明内容】

本发明提供一种太阳电池，其具有较高的光电转换效率。

本发明提出一种太阳电池，其包括第一型掺杂单晶硅基板、本征非晶硅层、第二型掺杂非晶硅层、第一型掺杂结晶含锗层以及一对电极。第一型掺杂单晶硅基板具有正面以及背面。本征非晶硅层配置于正面上。第二型掺杂非晶硅层配置于本征非晶硅层上。第一型掺杂结晶含锗层配置于背面。电极与第二型掺杂非晶硅层以及第一型掺杂结晶含锗层电性连接。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂单晶硅基板的晶向(crystal orientation)例如为(100)、(110)或(111)。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂单晶硅基板例如为p型掺杂单晶硅基板，而第二型掺杂非晶硅层例如为n型掺杂非晶硅层。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第二型掺杂非晶硅层的能隙例如实质上小于本征非晶硅层的能隙，本征非晶硅层的能隙例如实质上大于第一型掺杂单晶硅基板的能隙，而第一型掺杂单晶硅基板的能隙例如实质上大于第一型掺杂结晶含锗层的能隙。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第二型掺杂非晶硅层的能隙例如实质上介于1.5eV至2.0eV之间，本征非晶硅层的能隙例如实质上介于1.5eV至2.0eV之间，而第一型掺杂单晶硅基板的能隙例如实质上介于1.0eV至1.1eV之间，且第一型掺杂结晶含锗层能隙例如实质上介于0.6eV至1.1eV之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂单晶硅基板的厚度例如实质上介于50微米至500微米之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂单晶硅基板的掺杂浓度例如实质上介于10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第二型掺杂非晶硅层的厚度例如实质上介于1奈米至20奈米之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第二型掺杂非晶硅层的掺杂浓度例如实质上介于10¹⁸cm^-3至10²¹cm^-3之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂结晶含锗层例如为第一型掺杂结晶硅锗层或第一型掺杂结晶锗锡层。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂结晶含锗层中的锗含量例如实质上高于10％，而第一型掺杂结晶含锗层中的硅含量例如实质上低于90％。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂结晶含锗层的厚度例如实质上介于10奈米至10微米之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一型掺杂结晶含锗层的掺杂浓度例如实质上介于10¹⁵cm^-3至10²¹cm^-3之间。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的电极可以包括第一电极以及第二电极。第一电极配置于第二型掺杂非晶硅层上，而第二电极配置于第一型掺杂结晶含锗层上，其中第二电极与第一型掺杂单晶硅基板分别位于第一型掺杂结晶含锗层的两侧。

依照本发明实施例所述的太阳电池，上述的第一电极例如为一透明电极，而第二电极例如为一反射电极。

基于上述，本发明于第一型掺杂单晶硅基板与反射电极之间配置第一型掺杂结晶含锗层，由于第一型掺杂结晶含锗层在本发明的太阳电池中具有最小的能隙(band gap)，因此第一型掺杂结晶含锗层可以吸收第二型掺杂非晶硅层、本征非晶硅层与第一型掺杂单晶硅基板所无法吸收的太阳光频谱而产生更多的电子-电洞对，因而使得太阳电池可以具有较高的光电转换效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

【附图说明】

图1为依照本发明实施例所绘示的太阳电池的剖面示意图。

图2为第一型掺杂结晶硅锗层中的锗含量与第一型掺杂结晶硅锗层的导带能量与价带能量的关系图。

图3为第一型掺杂结晶硅锗层中的锗含量与第一型掺杂结晶硅锗层的能隙的关系图。

图4为第一型掺杂结晶硅锗层的厚度与太阳电池的光电转换效率、开路电压、短路电流与填充因子的关系图。

【主要组件符号说明】

10：太阳电池

100：第一型掺杂单晶硅基板

100a：正面

100b：背面

102：本征非晶硅层

104：第二型掺杂非晶硅层

106：第一型掺杂结晶含锗层

108、110：电极

【具体实施方式】

图1为依照本发明实施例所绘示的太阳电池的剖面示意图。请参照图1，太阳电池(或称为光伏打电池)10包括第一型掺杂单晶硅基板100、本征非晶硅层102、第二型掺杂非晶硅层104、第一型掺杂结晶含锗层106以及电极108、110。

第一型掺杂单晶硅基板100例如为p型掺杂单晶硅基板，且其晶向例如为(100)、(110)或(111)。第一型掺杂单晶硅基板100具有正面100a以及背面100b。在本实施例中，正面100a以及背面100b例如为粗糙表面，以降低太阳光或光线进入太阳电池10时的反射率。第一型掺杂单晶硅基板100的厚度例如实质上介于50微米至500微米之间，且其掺杂浓度例如实质上介于10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3之间。

在本实施例中，本征非晶硅层102配置于正面100a上。举例而言，前述的本征非晶硅层102的厚度例如实质上介于1奈米(nm)至20奈米之间。

第二型掺杂非晶硅层104配置于本征非晶硅层102上。第二型掺杂非晶硅层104例如为n型掺杂非晶硅层。第二型掺杂非晶硅层104的厚度例如实质上介于1奈米至20奈米之间，且其掺杂浓度例如实质上介于10¹⁸cm^-3至10²¹cm^-3之间。

第一型掺杂结晶含锗层106配置于背面100b。第一型掺杂结晶含锗层106例如为第一型掺杂结晶硅锗层、第一型掺杂结晶锗锡层或其它合适的材料。本发明实施例的第一型掺杂结晶含锗层106以第一型掺杂结晶硅锗层为范例，但不限于此。第一型掺杂结晶含锗层106的厚度例如实质上介于10奈米至10微米之间，且其掺杂浓度例如实质上介于10¹⁵cm^-3至10²¹cm^-3之间。第一型掺杂结晶含锗层106可平衡本征非晶硅层102以及第二型掺杂非晶硅层104所产生的应力，且可提供后表面电场(backsurface field，BSF)。此外，由于第一型掺杂结晶含锗层106属于结晶结构，其具有较少的缺陷(defect)，因此可以减少电子与电洞的再结合(recombination)的发生。

电极108与第二型掺杂非晶硅层104电性连接，而电极110与第一型掺杂结晶含锗层106电性连接，其中电极110与第一型掺杂单晶硅基板100分别位于第一型掺杂结晶含锗层106的两侧。电极108例如为透明电极，其可以是铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)、铟锌氧化物(indiumzinc oxide，IZO)、氧化锌(ZnO)、其它合适的材料或上述的组合。此外，在另一实施例中，电极108的表面上还可以涂布一层抗反射层，以进一步降低太阳光进入太阳电池10时的反射率。此外，电极110例如为反射电极，其材质可以是金属(例如铝(Al)、银(Ag)、铂(Pt)等等)或合金。举例而言，电极110的厚度、面积以及形状可以视实际需求而调整。

此外，第二型掺杂非晶硅层104的能隙例如实质上小于本征非晶硅层102的能隙，本征非晶硅层102的能隙例如实质上大于第一型掺杂单晶硅基板100的能隙，而第一型掺杂单晶硅基板100的能隙例如实质上大于第一型掺杂结晶含锗层106的能隙。第二型掺杂非晶硅层104的能隙例如实质上介于1.5eV至2.0eV之间，本征非晶硅层102的能隙例如实质上介于1.5eV至2.0eV之间，而第一型掺杂单晶硅基板100的能隙例如实质上介于1.0eV至1.1eV之间，且第一型掺杂结晶含锗层106的能隙例如实质上介于0.6eV至1.1eV之间。也就是说，在太阳电池10中，第一型掺杂结晶含锗层106具有最小的能隙。因此，第一型掺杂结晶含锗层106可以吸收第二型掺杂非晶硅层104、本征非晶硅层102与第一型掺杂单晶硅基板100所无法吸收的太阳光频谱而产生更多的电子-电洞对，因而可以提升短路电流，并可使太阳电池具有较高的光电转换效率。

在第一型掺杂结晶含锗层106中，以第一型掺杂结晶硅锗层为实施例而言，锗含量例如实质上高于10％，而硅含量例如实质上低于90％。换句话说，若第一型掺杂结晶含锗层以第一型掺杂结晶硅锗层为使用的材料，且其锗含量比例为x，则硅含量比例就为(1-x)，其中0＜x＜1。若第一型掺杂结晶含锗层以第一型掺杂结晶锗锡层为使用的材料，且其锗含量比例为x，则锡含量比例就为(1-x)，其中0＜x＜1。以第一型掺杂结晶硅锗层为实施例而言，图2为第一型掺杂结晶硅锗层中的锗含量对导带(conduction band)能量(Ec)与价带(valence band)能量(Ev)的关系图。由图2可知，在第一型掺杂结晶硅锗层中，随着锗含量的增加，导带能量与价带能量也随的增加，而导带能量与价带能量之间的能隙则随的降低。当太阳电池10照光而产生电子-电洞对之后，电子和电洞可分别扩散(diffusion)或漂移(drift)至电极108、110而被导出，因此第一型掺杂结晶硅锗层的导带能量必须比第一型掺杂单晶硅基板100的导带能量高，否则错误的电场方向会使电子无法顺利被导出。因此，在一实施例中，较佳地，第一型掺杂结晶硅锗层的第一型掺杂浓度例如具有梯度变化，使得第一型掺杂结晶硅锗层的导带能量逐渐增加，以使电子能够顺利被导出。本发明实施例中，第一型掺杂浓度变化从电极110往第一型掺杂单晶硅基板100递减，使电子能够顺利被导出。于其它实施例，第一型掺杂结晶含锗层106的第一型掺杂浓度不具有梯度变化。

以第一型掺杂结晶硅锗层为实施例而言，图3为第一型掺杂结晶硅锗层的锗含量与第一型掺杂结晶硅锗层的能隙的关系图。由图3可以清楚看出，随着锗含量的增加，第一型掺杂结晶硅锗层的能隙随的降低。也就是说，当第一型掺杂结晶硅锗层中的锗含量越高，则第一型掺杂结晶硅锗层的能隙越低，而第一型掺杂结晶硅锗层所能吸收的太阳光频谱则越宽。

图4为第一型掺杂结晶含锗层的厚度与太阳电池的光电转换效率、开路电压、短路电流与填充因子(fill factor)的关系图。其中，第一型掺杂结晶含锗层以第一型掺杂结晶硅锗层为范例。于其它实施例中，亦可使用第一型掺杂结晶锗锡层或其它合适的材料。由图4可以看出，随着第一型掺杂结晶硅锗层的厚度增加，太阳电池的光电转换效率、开路电压、短路电流与填充因子也随的提高。

以下将以太阳电池10为例，说明本发明的太阳电池的制造方法。

方法1

首先，提供第一型掺杂单晶硅基板100。然后，于第一型掺杂单晶硅基板100的正面100a依续形成本征非晶硅层102、第二型掺杂非晶硅层104与电极108。接着，于第一型掺杂单晶硅基板100的背面100b依续形成第一型掺杂结晶含锗层106与电极110。

方法2

首先，提供第一型掺杂单晶硅基板100。然后，于第一型掺杂单晶硅基板100的正面100a依续形成本征非晶硅层102与第二型掺杂非晶硅层104。接着，于第一型掺杂单晶硅基板100的背面100b形成第一型掺杂结晶含锗层106。之后，分别于第二型掺杂非晶硅层104与第一型掺杂结晶含锗层106上形成电极108与电极110。

方法3

首先，提供第一型掺杂单晶硅基板100。然后，于第一型掺杂单晶硅基板100的背面100b依续形成第一型掺杂结晶含锗层106与电极110。接着，于第一型掺杂单晶硅基板100的正面100a依续形成本征非晶硅层102、第二型掺杂非晶硅层104与电极108。

方法4

首先，提供第一型掺杂单晶硅基板100。然后，于第一型掺杂单晶硅基板100的背面100b形成第一型掺杂结晶含锗层106。接着，于第一型掺杂单晶硅基板100的正面100a依续形成本征非晶硅层102与第二型掺杂非晶硅层104。之后，分别于第二型掺杂非晶硅层104与第一型掺杂结晶含锗层106上形成电极108与电极110。

在上述方法中，由于仅需于第一型掺杂单晶硅基板100的正面100a形成高品质的非晶硅层，因此可降低制程困难度，且制造成本也因而下降。再者，必需说明的是，本发明上述实施例的结构与制造方法中的第一型掺杂与第二型掺杂的极性相反。也就是说，若第一型掺杂为p型掺杂，则第二型掺杂为n型掺杂。反的，第一型掺杂为n型掺杂，则第二型掺杂为p型掺杂。再者，本发明上述实施例的结构与制造方法中的第一型掺杂结晶含锗层的材料包含第一型掺杂结晶硅锗层、第一型掺杂结晶锗锡层或其它合适的材料。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种太阳电池，包括：

一第一型掺杂单晶硅基板，具有一正面以及一背面；

一本征非晶硅层，配置于该正面上；

一第二型掺杂非晶硅层，配置于本征非晶硅层上，该第二型掺杂非晶硅层的能隙小于该本征非晶硅层的能隙，该本征非晶硅层的能隙大于该第一型掺杂单晶硅基板的能隙，而该第一型掺杂单晶硅基板的能隙大于第一型掺杂结晶含锗层的能隙；

一第一型掺杂结晶含锗层，配置于该背面；以及

一对电极，与该第二型掺杂非晶硅层以及该第一型掺杂结晶含锗层电性连接。

2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂单晶硅基板的晶向为(100)、(110)或(111)。

3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂单晶硅基板为p型掺杂单晶硅基板，而该第二型掺杂非晶硅层为n型掺杂非晶硅层。

4.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第二型掺杂非晶硅层的能隙介于1.5eV至2.0eV之间，该本征非晶硅层的能隙介于1.5eV至2.0eV之间，而该第一型掺杂单晶硅基板的能隙介于1.0eV至1.1eV之间，且该第一型掺杂结晶含锗层的能隙介于0.6eV至1.1eV之间。

5.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂单晶硅基板的厚度介于50微米至500微米之间。

6.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂单晶硅基板的掺杂浓度介于10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3之间。

7.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第二型掺杂非晶硅层的厚度介于1纳米至20纳米之间。

8.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第二型掺杂非晶硅层的掺杂浓度介于10¹⁸cm^-3至10²¹cm^-3之间。

9.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂结晶含锗层为一第一型掺杂结晶硅锗层或一第一型掺杂结晶锗锡层。

10.根据权利要求10所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂结晶硅锗层中的锗含量高于10％，而该第一型掺杂结晶硅锗层中的硅含量低于90％。

11.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂结晶含锗层的厚度介于10纳米至10微米之间。

12.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该第一型掺杂结晶含锗层的掺杂浓度介于10¹⁵cm^-3至10²¹cm^-3之间。

13.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，该对电极包括：

一第一电极，配置于该第二型掺杂非晶硅层上；以及

一第二电极，配置于该第一型掺杂结晶含锗层上，其中该第二电极与该第一型掺杂单晶硅基板分别位于该第一型掺杂结晶含锗层的两侧。

14.根据权利要求13所述的太阳电池，其特征在于，该第一电极为一透明电极，而该第二电极为一反射电极。