CN102064211A - 太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能电池及其制造方法，该太阳能电池包括一结晶半导体基底、一第一结晶半导体层、一非晶半导体层、一第一金属电极层以及一第二金属电极层。结晶半导体基底具有一第一表面与一第二表面，且结晶半导体基底具有一第一掺杂型式。第一结晶半导体层设置于结晶半导体基底的第一表面，其中第一结晶半导体层具有一第二掺杂型式，且第二掺杂型式相反于第一掺杂型式。非晶半导体层设置于第一结晶半导体层上，且非晶半导体层具有第二掺杂型式。第一金属电极层设置于非晶半导体层上。第二金属电极层设置于结晶半导体基底的第二表面。本发明的太阳能电池可提升太阳能电池的光电转换效率。

Description

太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制作方法，尤其涉及一种具有高光电转换效率的太阳能电池及其制作方法。
背景技术
现今人类使用的能源主要来自于石油资源，但由于地球石油资源有限，因此近年来对于替代能源的需求与日俱增，而在各式替代能源中又以太阳能最具发展潜力。
然而现有太阳能电池，例如异质接面薄本质层(hetrojunction withIntrinsic Thin-layer)太阳能电池，受限于工艺条件不易控制与接口缺陷(interface trap)过多等影响，具有较低的开路电压而使得光电转换效率无法进一步提升，严重影响了太阳能电池的发展。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种太阳能电池及其制作方法，以提升太阳能电池的光电转换效率。
本发明的一较佳实施例提供一种太阳能电池，其包括一结晶半导体基底、一第一结晶半导体层、一非晶半导体层、一第一金属电极层以及一第二金属电极层。结晶半导体基底具有一第一表面与一第二表面，且结晶半导体基底具有一第一掺杂型式。第一结晶半导体层设置于结晶半导体基底的第一表面，其中第一结晶半导体层具有一第二掺杂型式，且第二掺杂型式相反于第一掺杂型式。非晶半导体层设置于第一结晶半导体层上，且非晶半导体层具有第二掺杂型式。第一金属电极层设置于非晶半导体层上。第二金属电极层设置于结晶半导体基底的第二表面。
其中，结晶半导体基底与该第一结晶半导体层其中至少一者的材料包括一单晶硅材料或一多晶硅材料。
其中，该第一结晶半导体层的一厚度小于500纳米。
其中，该非晶半导体层的一厚度介于1纳米至20纳米之间。
其中，该非结晶半导体层的一掺杂浓度高于该第一结晶半导体层的一掺杂浓度。
其中，另包括一第二半导体层，设置于该结晶半导体基底与该第二金属电极层之间并与该结晶半导体基底与该第二金属电极层电性连接，其中该第二半导体层具有该第一掺杂型式，且该第二半导体层的一掺杂浓度高于该结晶半导体基底的一掺杂浓度。
其中，该第二半导体层的材料包括非晶硅材料。
其中，另包括一保护层，设置于该非晶半导体层与该第一金属电极层之间。
本发明的一较佳实施例提供一种制作太阳能电池的方法，包括下列步骤：提供一结晶半导体基底，其中结晶半导体基底具有一第一掺杂型式。于结晶半导体基底的一第一表面形成一第一结晶半导体层，其中第一结晶半导体层具有一第二掺杂型式，且第二掺杂型式相反于第一掺杂型式。于第一结晶半导体层上形成一非晶半导体层，其中非晶半导体层具有第二掺杂型式。于非晶半导体层上形成一第一金属电极层。于结晶半导体基底的一第二表面形成一第二金属电极层。
其中，于该结晶半导体基底的该第一表面形成该第一结晶半导体层的步骤包括：
于该结晶半导体基底的该第一表面形成该非晶半导体层；以及
进行一退火工艺，以于该结晶半导体基底内形成该第一结晶半导体层。
其中，该结晶半导体基底与该第一结晶半导体层其中至少一者的材料包括一单晶硅材料或一多晶硅材料。
其中，该非结晶半导体层的一掺杂浓度高于该第一结晶半导体层的一掺杂浓度。
其中，另包括于该结晶半导体基底与该第二金属电极层之间形成一第二半导体层，其中该第二半导体层具有该第一掺杂型式，且该第二半导体层的一掺杂浓度高于该结晶半导体基底的一掺杂浓度。
其中，该第二半导体层的材料包括一非晶硅材料。
其中，另包括于该非晶半导体层与该第一金属电极层之间形成一保护层。
本发明的太阳能电池可提升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绘示了本发明的一较佳实施例之太阳能电池的示意图。
图2至图4绘示了本发明的一较佳实施例的制作太阳能电池的方法示意图。
图5与图6绘示了本发明的另一较佳实施例的制作太阳能电池的方法示意图。
图7显示了本发明的太阳能电池的暗电流密度与外加电压的仿真图。
图8显示了本发明的太阳能电池的开路电压Voc与第一结晶半导体层的厚度X的模拟图。
图9显示了本发明的太阳能电池的电流密度Jsc与第一结晶半导体层的厚度X的模拟图。
图10显示了本发明的太阳能电池的光电转换效率与第一结晶半导体层的厚度X的模拟图。
其中，附图标记：
10：太阳能电池            12：结晶半导体基底
121：第一表面             122：第二表面
14：第一结晶半导体层      16：非晶半导体层
18：第一金属电极层        20：第二金属电极层
22：保护层                24：第二半导体层
Voc：开路电压             Jsc：电流密度
X：厚度
A，B，C，D，E，F，1，1’，2，2’，3，3’：曲线
具体实施方式
为使本领域技术人员能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。
请参考图1。图1绘示了本发明的一较佳实施例的太阳能电池的示意图。如图1所示，本实施例的太阳能电池10包括一结晶半导体基底12、一第一结晶半导体层14、一非晶半导体层16、一第一金属电极层18以及一第二金属电极层20。结晶半导体基底12具有一第一表面121与一第二表面122，且结晶半导体基底12具有一第一掺杂型式。结晶半导体基底12的晶格方向可为例如(1，0，0)、(1，1，0)或(1，1，1)等，但不以此为限，且结晶半导体基底12可为晶圆(wafer)、晶方(die)或其它各种型式的半导体基底。第一结晶半导体层14设置于结晶半导体基底12的第一表面121，其中第一结晶半导体层14具有一第二掺杂型式，且第二掺杂型式相反于第一掺杂型式。举例而言，在本实施例中，第一掺杂型式可为例如P型掺杂型式，而第二掺杂型式可为N型掺杂型式，但不以此为限。例如第一掺杂型式也可为例如N型掺杂型式，而第二掺杂型式可为P型掺杂型式。由于结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14具有不同的掺杂型式，因此会形成一PN接面。在本实施例中，结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14均为结晶半导体材料，例如结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14中的至少一者的材料包括一单晶硅材料或一多晶硅材料。精确地说，结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14较佳可为相同的材料，例如结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14的材料均为单晶硅材料，或是结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14的材料均为多晶硅材料。当然，结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14也可为不同的材料，但是光电转换效率可能会较不出色。此外，第一结晶半导体层14的掺杂浓度实质上可与结晶半导体基底12的掺杂浓度实质上相同，但不以此为限。当然，第一结晶半导体层14的掺杂浓度实质上可与结晶半导体基底12的掺杂浓度实质上不同，但是光电转换效率可能会较不出色。例如在本实施例中，结晶半导体基底12的掺杂浓度实质上介于1014 atoms/cm2至1017atoms/cm2之间，而第一结晶半导体层14的掺杂浓度大体上介于1017atoms/cm2至1021atoms/cm2之间，但不以此为限。另外，结晶半导体基底12的厚度大体上介于50微米(μm)至500微米(μm)之间，但不以此为限。第一结晶半导体层14的厚度实质上大于0且小于500纳米(nm)，例如较佳大于0且小于等于200纳米(nm)，且更佳为约15纳米(nm)，但不以此为限。非晶半导体层16设置于第一结晶半导体层14上，且非晶半导体层16具有第二掺杂型式。在本实施例中，非晶半导体层16的厚度实质上介于1纳米(nm)至20纳米(nm)之间，但不以此为限。此外，非结晶半导体层16的掺杂浓度实质上高于第一结晶半导体层14的掺杂浓度。例如在本实施例中，非晶半导体层16的掺杂浓度大体上介于1018atoms/cm2至1021atoms/cm2之间。第一金属电极层18设置于非晶半导体层18上，且第二金属电极层20设置于结晶半导体基底12的第二表面122。第一金属电极层18与第二金属电极层20的材料可为各式导电性佳的金属例如铝、银、铂、金，或是上述材料的合金，或是其它合适的材料，但不以此为限。另外，第一金属电极层18与第二金属电极层20的厚度、面积与图案等可视需求加以调整。
太阳能电池10可另包括一保护层22设置于非晶半导体层14与第一金属电极层18之间。保护层22可为单层或多层结构，其材料可包含透明导电材料例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锡锑(ATO)、氧化铝锌(AZO)、铟镓锌氧化物(IGZO)等，但不以此为限。透明导电材料的厚度例如可介于10纳米至500纳米之间。此外，保护层22的材料也可包括抗反射材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，但不以此为限。另请注意此保护层22需要使用实质上透光的材料所构成，若使用不可透光的材料时，将会让太阳能电池10无法进行光电转换。太阳能电池10也可另包括一第二半导体层24设置于结晶半导体基底12与第二金属电极层20之间并与结晶半导体基底12与第二金属电极层20电性连接，用以降低接触电阻。当然，若没有接触电阻的问题，则此第二半导体层24就不需要采用。第二半导体层24的材料可包括非晶硅材料，且第二半导体层24的厚度实质上介于1微米(μm)至50微米(μm)之间，但不以此为限。第二半导体层24具有第一掺杂型式，且第二半导体层的一掺杂浓度较佳高于结晶半导体基底12的掺杂浓度。例如在本实施例中，第二半导体层24的掺杂浓度实质上介于1017atoms/cm2至1021atoms/cm2之间，但不以此为限。在本实施例中，为了增加入光量，太阳能电池10的各膜层的接面，例如结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14的接面、第一结晶半导体层14与非晶半导体层16的接面，以及结晶半导体基底12与第二半导体层24可选择性地具有粗糙化(textured)处理，但不以此为限。若太阳能电池10光电转换效率较高时，可以考虑不用粗糙化处理。当然，若在此情况下有采用，则转换效率更好。
在本实施例中，太阳能电池10的PN接面形成于结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14之间，也即空乏区为结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14的界面。由于结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14之间具有同质接面(homo-junction)，因此，不易产生接口缺陷(interface trap)。另一方面，第一结晶半导体层14与非晶半导体层16之间具有异质接面(hetero-junction)，因此容易产生接口缺陷，但由于空乏区远离第一结晶半导体层14与非晶半导体层16之间具有异质接面，因此可降低电子-电洞对的复合，进而使开路电压上升，而可提升光电转换效果。
下文将针对本发明的制作太阳能电池的方法进行说明，且为了简化说明，在下文的实施例中使用相同的符号标注相同的组件，并不再对重复部分进行赘述。请参考图2至图4。图2至图4绘示了本发明的一较佳实施例的制作太阳能电池的方法示意图。如图2所示，首先提供一结晶半导体基底12，其中结晶半导体基底12具有一第一掺杂型式。为了增加入光量，可对结晶半导体基底12的第一表面121进行粗糙化处理。当然，如上所述可以不采用。接着于结晶半导体基底12的第一表面121上形成一非晶半导体层16，其中非晶半导体层16具有第二掺杂型式。
如图3所示，接着进行一退火(annealing)工艺，将非晶半导体层16的掺质向下扩散以于结晶半导体基底12内形成一第一结晶半导体层14。第一结晶半导体层14与结晶半导体基底12具有相同的晶格型态但具有相反的掺杂型式，因此，结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14之间会形成一PN接面，也即空乏区为结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14的界面。
如图4所示，随后可选择性地于非晶半导体层16上形成一保护层22，以及于保护层22上形成一第一金属电极层18。另外，可选择性地于对结晶半导体基底12的第二表面122进行粗糙化处理，并于结晶半导体基底12的第二表面122形成一第二半导体层24，以及于第二半导体层24上形成一第二金属电极层20。通过上述步骤，即可制作出本实施例的太阳能电池40。
请再参考图5与图6。图5与图6绘示了本发明的另一较佳实施例的制作太阳能电池的方法示意图。如图5所示，首先提供一结晶半导体基底12，其中结晶半导体基底12具有一第一掺杂型式。接着于结晶半导体基底12的第一表面121形成一第一结晶半导体层14。第一结晶半导体层14与结晶半导体基底12具有相反的掺杂型式。结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14可为相同的材料。当然，结晶半导体基底12与第一结晶半导体层14也可为不同的材料，但是光电转换效率可能会较不出色。
如图6所示，接着于第一结晶半导体层14上形成一非晶半导体层16，其中非晶半导体层16具有该第二掺杂型式。随后可选择性地于非晶半导体层16上形成一保护层22，以及于保护层22上形成一第一金属电极层18。另外，可选择性地于结晶半导体基底12的第二表面122形成一第二半导体层24，以及于第二半导体层24上形成一第二金属电极层20。通过上述步骤，即可制作出本实施例的太阳能电池50。
请参考图7。图7显示了本发明的太阳能电池的暗电流密度与外加电压的仿真图。本仿真是以接口缺陷密度(interface trap density，Dit)约为5*1013(#/cm2eV)的条件下进行，且曲线A代表了第一结晶半导体层的厚度为0时(也即第一结晶半导体层不存在)的暗电流密度与外加电压的关系，而曲线B-F则分别代表面第一结晶半导体层的厚度约为15纳米(nm)、25纳米(nm)、50纳米(nm)、100纳米(nm)与200纳米(nm)时的暗电流密度与外加电压的关系。如图7所示，在未照光的状况下，对设置有第一结晶半导体层的太阳能电池施加相同的外加电压所产生的暗电流密度(如曲线B-F所示)明显地低于对未设置有第一结晶半导体层的太阳能电池施加相同的外加电压所产生的暗电流密度(如曲线A所示)。因此可证明本发明的第一结晶半导体层可有效地减少暗电流密度。
请参考图8。图8显示了本发明的太阳能电池的开路电压Voc与第一结晶半导体层的厚度X的仿真图，其中曲线1是在接口缺陷密度约为2*1013(#/cm2eV)的条件下进行，而曲线1’是在接口缺陷密度约为2.5*1013(#/cm2eV)的条件下进行。如图8所示，在照光的状况下，当第一结晶半导体层的厚度X介于约大于0且小于等于200纳米(nm)的范围内，太阳能电池的开路电压Voc约介于620mV至700mV之间。
请参考图9。图9显示了本发明的太阳能电池的电流密度Jsc与第一结晶半导体层的厚度X的仿真图，其中曲线2是在接口缺陷密度约为2*1013(#/cm2eV)的条件下进行，而曲线2’是在接口缺陷密度约为2.5*1013(#/cm2eV)的条件下进行。如图9所示，在照光的状况下，当第一结晶半导体层的厚度X介于约大于0且小于等于200纳米(nm)的范围内，太阳能电池的开路电压Jsc约介于29mA/cm2至32mA/cm2之间。
请参考图10。图10显示了本发明的太阳能电池的光电转换效率与第一结晶半导体层的厚度X的仿真图，其中曲线3是在接口缺陷密度约为2*1013(#/cm2eV)的条件下进行，而曲线3’是在接口缺陷密度约为2.5*1013(#/cm2eV)的条件下进行。如图9所示，在照光的状况下，当第一结晶半导体层的厚度X介于约大于0且小于等于200纳米(nm)的范围内，太阳能电池的光电转换效率约介于15％至17.5％之间。特别是在第一结晶半导体层的厚度X约介于10纳米(nm)至20纳米(nm)的范围内，例如约15纳米(nm)，太阳能电池的光电转换效率可达到约17.5％。
综上所述，本发明的太阳能电池的空乏区是为结晶半导体基底与第一结晶半导体层之间的同质接面，且空乏区远离第一结晶半导体层与非晶半导体层之间具有异质接面，因此，可降低电子-电洞对的复合，进而使开路电压上升，而可提升光电转换效果。
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权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
一结晶半导体基底，具有一第一表面与一第二表面，其中该结晶半导体基底具有一第一掺杂型式；
一第一结晶半导体层，设置于该结晶半导体基底的该第一表面，其中该第一结晶半导体层具有一第二掺杂型式，且该第二掺杂型式相反于该第一掺杂型式；
一非晶半导体层，设置于该第一结晶半导体层上，其中该非晶半导体层具有该第二掺杂型式；
一第一金属电极层，设置于该非晶半导体层上；以及
一第二金属电极层，设置于该结晶半导体基底的该第二表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，结晶半导体基底与该第一结晶半导体层其中至少一者的材料包括一单晶硅材料或一多晶硅材料。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该第一结晶半导体层的一厚度小于500纳米。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该非晶半导体层的一厚度介于1纳米至20纳米之间。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，该非结晶半导体层的一掺杂浓度高于该第一结晶半导体层的一掺杂浓度。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，另包括一第二半导体层，设置于该结晶半导体基底与该第二金属电极层之间并与该结晶半导体基底与该第二金属电极层电性连接，其中该第二半导体层具有该第一掺杂型式，且该第二半导体层的一掺杂浓度高于该结晶半导体基底的一掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，该第二半导体层的材料包括非晶硅材料。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，另包括一保护层，设置于该非晶半导体层与该第一金属电极层之间。
9.一种制作太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
提供一结晶半导体基底，其中该结晶半导体基底具有一第一掺杂型式；
于该结晶半导体基底的一第一表面形成一第一结晶半导体层，其中该第一结晶半导体层具有一第二掺杂型式，且该第二掺杂型式相反于该第一掺杂型式；
于该第一结晶半导体层上形成一非晶半导体层，其中该非晶半导体层具有该第二掺杂型式；
于该非晶半导体层上形成一第一金属电极层；以及
于该结晶半导体基底的一第二表面形成一第二金属电极层。
10.根据权利要求9所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，于该结晶半导体基底的该第一表面形成该第一结晶半导体层的步骤包括：
于该结晶半导体基底的该第一表面形成该非晶半导体层；以及
进行一退火工艺，以于该结晶半导体基底内形成该第一结晶半导体层。
11.根据权利要求9所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该结晶半导体基底与该第一结晶半导体层其中至少一者的材料包括一单晶硅材料或一多晶硅材料。
12.根据权利要求9所述的太阳能电池的方法，其特征在于，该非结晶半导体层的一掺杂浓度高于该第一结晶半导体层的一掺杂浓度。
13.根据权利要求9所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，另包括于该结晶半导体基底与该第二金属电极层之间形成一第二半导体层，其中该第二半导体层具有该第一掺杂型式，且该第二半导体层的一掺杂浓度高于该结晶半导体基底的一掺杂浓度。
14.根据权利要求13所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，该第二半导体层的材料包括一非晶硅材料。
15.根据权利要求9所述的制作太阳能电池的方法，其特征在于，另包括于该非晶半导体层与该第一金属电极层之间形成一保护层。
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