CN103137767B - 全背电极异质结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
一种全背电极异质结太阳能电池，包括一第一导电型硅基板、一第一非晶半导体层、一第二非晶半导体层、一第一导电型半导体层、一第二导电型半导体层以及一第二导电型掺杂区。第一非晶半导体层位在硅基板的受光面上，其为本征半导体层或第一导电型层。第二非晶半导体层位在硅基板的非受光面上，其中第二非晶半导体层为本征半导体层。第一与第二导电型半导体层分别位在第二非晶半导体层上。至于第二导电型掺杂区则位在第二导电型半导体层下方的硅基板内并与第二非晶半导体层接触。
Description
技术领域
本发明是关于一种异质结太阳能电池，且特别是关于一种全背电极异质结太阳能电池(back-contactheterojunctionsolarcell)。
背景技术
目前高效率太阳能电池是未来产业的趋势，因为高效率太阳能电池不仅仅是提升单位面积的发电瓦数，还可降低成本，更深一层的含意是可以提升模块发电的附加价值。
目前世界上效率最高的太阳能电池模块是SunPower的内交指背接触式(InterdigitatedBack-Contact，IBC)的全背结模块，其电池效率可以超过24％以上，就市场上而言，因为上述高效率太阳能电池制造流程太繁琐，制程所花的成本很高，所以模块的制造成本高出传统硅晶模块5成以上。
另一种高效率太阳能电池是使用异质结的太阳能电池。异质结太阳能电池一般是在硅晶片上成长非晶硅(a-Si)的钝化层与非晶硅电极，其具有极低的表面复合速率，因此拥有很高的开路电压。结合上述两项电池的优点，把电池电极制作到背面，并使用钝化能力很好的非晶硅层，将可以使电池转换效率更往上提升，例如美国专利US7,199,395所提出的全背电极异质结太阳能电池。
然而，这种全背电极结构却存在元件结能带差过大，导致造成的电阻过高的问题，电池转换使效率始终都是不如预期。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种全背电极异质结太阳能电池，能改善异质结全背电极结构效率受限的因素。
本发明提出一种全背电极异质结太阳能电池，包括一第一导电型硅基板、一第一非晶半导体层、一第二非晶半导体层、一第一导电型半导体层、一第二导电型半导体层以及一第二导电型掺杂区。第一非晶半导体层位在第一导电型硅基板的受光面上，其中第一非晶半导体层为本征半导体层或第一导电型半导体层。第二非晶半导体层位在第一导电型硅基板的非受光面上，其中第二非晶半导体层为本征半导体层。第一导电型半导体层与第二导电型半导体层分别位在第一导电型硅基板的第二非晶半导体层上。至于第二导电型掺杂区则位在第二导电型半导体层下方的第一导电型硅基板内并与第二非晶半导体层接触。
在本发明的一实施例中，上述第二导电型掺杂区例如p型掺杂区。
在本发明的一实施例中，上述第二导电型掺杂区的掺杂浓度在1e18cm-3～1e21cm-3之间。
在本发明的一实施例中，上述第二导电型掺杂区的结深度在0.001μm～10μm之间。
在本发明的一实施例中，上述第一导电型半导体层与第二导电型半导体层互相隔离或者部分重叠。
在本发明的一实施例中，上述第一与第二非晶半导体层的材料包括非晶硅(amorphoussilicon)、非晶碳化硅(amorphousSiliconcarbide)、非晶硅锗(amorphoussiliconGermanium)等半导体材料。
在本发明的一实施例中，上述第一导电型半导体层与第二导电型半导体层的材料包括非晶硅(amorphoussilicon)、非晶碳化硅(amorphousSiliconcarbide)、非晶硅锗(amorphoussiliconGermanium)、微晶硅(micro-crystalsilicon)、微晶碳化硅(micro-crystalSiliconcarbide)、微晶硅锗(micro-crystalsiliconGermanium)等半导体材料。
在本发明的一实施例中，上述太阳能电池还可包括一抗反射层，位在第一非晶半导体层上。
在本发明的一实施例中，上述太阳能电池还可包括第一与第二电极，分别与第一和第二导电型半导体层接触。
在本发明的一实施例中，上述第一电极完全覆盖或部分覆盖第一导电型半导体层。
在本发明的一实施例中，上述第二电极完全覆盖或部分覆盖第二导电型半导体层。
在本发明的一实施例中，上述第一与第二电极至少包括一透明导电氧化物(TCO)层与一金属层。
在本发明的一实施例中，上述太阳能电池还可包括一绝缘层，位在第一导电型半导体层与第二导电型半导体层之间的第二非晶半导体层上。上述绝缘层的材料包括高分子材料、二氧化硅、氮化硅或其他不导电的介电材料。
基于上述，本发明的太阳能电池可以同时提升开路电压、短路电流与降低模块封装后的输出损失，还能凭借降低结电阻，使太阳能电池转换效率更往上跃升。
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，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图2是依照本发明的第二实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图3是依照本发明的第三实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图4是依照本发明的第四实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图5是依照本发明的第五实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图6是依照本发明的第六实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图；
图7是模拟实验一的IV数据图；
图8是模拟实验二的结深度与效率的曲线图。
附图标记
100、200、300、400、500、600：全背电极异质结太阳能电池
102：第一导电型硅基板
102a：受光面
102b：非受光面
104：第一非晶半导体层
106、402、404、602a、602b：第二非晶半导体层
108：第一导电型半导体层
110：第二导电型半导体层
112：第二导电型掺杂区
114、116：电极
118、122、202、204：TCO层
120、124：金属层
126：抗反射层
302：绝缘层
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
请参照附图来了解本发明，然而本发明可用多种不同形式来实现，并不局限于实施例的描述。而在附图中，为明确起见可能未按比例绘制各层以及区域的尺寸以及相对尺寸。
当文中以一构件或层是“位于另一构件或层上”时，如无特别说明，则表示其可直接位于另一构件或层上，或两者之间可存在中间构件或层。另外，文中使用如“于……上”、“于……下方”及其类似的空间相对用语，来描述附图中的构件与另一(或多个)构件的关系。然此空间相对用语除附图显示的状态外，还可包括使用中或操作中的构件的方向。举例而言，若将图中的构件翻转，则被描述为位于其他构件或特征“下方”或“之下”的构件接着将定向成位于其他构件或特征“上方”。
此外，本文虽使用“第一”、“第二”等来描述各种构件、区域或层，但是此用语用以将一构件、区域或层与另一构件、区域或层作区别。因此，在不背离本发明的情况下，下文所述的第一构件、区域或层亦可视为第二构件、区域或层。
图1是依照本发明的第一实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图。
在图1中，全背电极异质结太阳能电池100包括一第一导电型硅基板102、一第一非晶半导体层104、一第二非晶半导体层106、一第一导电型半导体层108、一第二导电型半导体层110以及一第二导电型掺杂区112。其中，第一非晶半导体层104是位在第一导电型硅基板102的受光面102a上。在本实施例中，第一非晶半导体层104为本征半导体层(intrinsicsemiconductorlayer)，此外第一非晶半导体层104也可以是与第一导电型硅基板102相同导电型的一第一导电型层。第二非晶半导体层106则位在第一导电型硅基板102的非受光面102b上，其中第二非晶半导体层106为本征半导体层。上述第一与第二非晶半导体层104、106的材料例如非晶硅、非晶碳化硅、非晶硅锗等半导体材料。上述第一导电型硅基板102例如n型硅基板。
请再次参照图1，本实施例的第一导电型半导体层108与第二导电型半导体层110分别位在第二非晶半导体层106上，且两者互相隔离。第一导电型半导体层108与第二导电型半导体层110的材料例如非晶硅、非晶碳化硅、非晶硅锗、微晶硅、微晶碳化硅、微晶硅锗等半导体材料。至于第二导电型掺杂区112是位在第二导电型半导体层110下方的第一导电型硅基板102内并与第二非晶半导体层106接触。在本实施例中，第二导电型掺杂区112例如p型掺杂区，且其掺杂浓度例如在1e18cm-3～1e21cm-3之间；结深度(junctiondepth)例如在0.001μm～10μm之间。由于非受光面102b具有第二导电型掺杂区112，所以成长异质结后能增加钝化效果，进而增加电池效率。此外，如有需要的话，可选择在第一导电型半导体层108下方的第一导电型硅基板102内设置与第二非晶半导体层106接触的一第一导电型掺杂区(未绘示)。
请继续参照图1，本实施例的太阳能电池100还可包括第一与第二电极114与116，分别与第一和第二导电型半导体层108与110接触。在图1中，第一电极114部分覆盖第一导电型半导体层108、第二电极116部分覆盖第二导电型半导体层110，且第一电极114至少包括一透明导电氧化物(TCO)层118与一金属层120；第二电极116至少包括一透明导电氧化物层122与一金属层124。举例来说，TCO层118、122可为铟锡氧化物(ITO)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)等；金属层120、124可为银或其他金属。本实施例的太阳能电池100还可包括一抗反射层126，位在第一非晶半导体层104上，用以防止入射光在受光面102a反射，其中抗反射层126的材料包括氮化硅、或氧化硅、或氧化铝、或氟化镁、或氧化锌、以及其他适用的介电物质。
图2是依照本发明的第二实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来代表相同的构件。
请参照图2，全背电极异质结太阳能电池200与上一实施例的差别在于，第一电极114中的TCO层202完全覆盖第一导电型半导体层108、第二电极116中的TCO层204完全覆盖第二导电型半导体层110。
图3是依照本发明的第三实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图，其中使用与第二实施例相同的元件符号来代表相同的构件。
请参照图3，全背电极异质结太阳能电池300与上一实施例的差别在于，其包括一层位在第一导电型半导体层108与第二导电型半导体层110之间的绝缘层302，且绝缘层302是覆盖在第二非晶半导体层106上。这层保护层302的材料包括高分子材料、二氧化硅、氮化硅、或其他不导电的介电材料。这层保护层302能用来保护第二非晶半导体层106并隔开第一导电型半导体层108与第二导电型半导体层110。
图4是依照本发明的第四实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来代表相同的构件。
请参照图4，全背电极异质结太阳能电池400与第实施例的差别在于，第一电极114的金属层120完全覆盖TCO层118、第二电极116的金属层124完全覆盖TCO层122。另外，第四实施例是先形成第二非晶半导体层402和第二导电型半导体层110，再利用遮罩(mask)盖住第二导电型半导体层110，以便进行的第二非晶半导体层404和第一导电型半导体层108的制作。因此，全背电极异质结太阳能电池400的第二导电型半导体层110会与第二非晶半导体层404相接。
图5是依照本发明的第五实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来代表相同的构件。
请参照图5，全背电极异质结太阳能电池500与第一实施例的差别在于，第一导电型半导体层108与第二导电型半导体层110部分重叠。另外，第二电极116因为制程顺序的关系，会覆盖到部分第一导电型半导体层108。
图6是依照本发明的第六实施例的一种全背电极异质结太阳能电池的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来代表相同的构件。
请参照图6，全背电极异质结太阳能电池600与第一实施例的差别在于，第二非晶半导体层602a、602b不是同一步骤形成的。详细地说，第二非晶半导体层602b、第二导电型半导体层110与第二电极116先形成在第二导电型掺杂区112上，然后再形成第二非晶半导体层602a与第一导电型半导体层108，之后才形成第一电极114。因此，后形成的第二非晶半导体层602a与第一导电型半导体层108会部份覆盖第二电极116。
以下列举几个实验结果来验证上述实施例的效果。
模拟实验一
使用商用半导体元件数值模拟软体进行模拟，且模拟的结构如图1。模拟的比较点是n型硅基板内是否有p型掺杂区(图1的112)以及p型掺杂区的结深度(dopingdensity)与电池效率的关系，模拟结果如下表一所示。
表一
由表一可知，传统中异质结制作于全背结的太阳能电池，其效率受限于结的电阻，所以F.F.(填充因子，FillingFactor)始终限制在73.53，为限制效率的主要因素，然而当结有p型掺杂区，可观察到F.F.会大幅上升到80以上，整体元件的效率随着掺杂的深度，会有不同的变化，最高可达24.14％，这样的掺杂区可大幅增加效率达到23.38％，增加的比例大概是11％，因此本发明能解决传统中异质结效率不高的问题。模拟出来的IV数据图，如图7。
模拟实验二
使用商用半导体元件数值模拟软体进行模拟，且模拟的结构如图1。模拟的比较点是以不同硼掺杂浓度(borondopingdensity)形成不同的结深度的p型掺杂区，模拟结果如图8。由图8可知，不同硼掺杂浓度形成的p型掺杂区都能改善电池的效率。
综上所述，本发明的结构在非受光面的射极提供与硅基板不同导电型的掺杂区之后，再成长异质结，即可增加钝化效果。因此，本发明的太阳能电池不但具有提升开路电压、短路电流与降低模块封装后的输出损失等效果，还能凭借降低结电阻，改善异质结全背电极结构效率受限的因素。
本揭露的技术内容及技术特点已如上公开，在不背离本揭露精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本揭露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 (17)
1.一种全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，包括：
一第一导电型硅基板，具有一受光面与一非受光面；
一第一非晶半导体层，位在该第一导电型硅基板的该受光面上，其中该第一非晶半导体层为本征半导体层或第一导电型层；
一第二非晶半导体层，位在该第一导电型硅基板的该非受光面上，其中该第二非晶半导体层为本征半导体层；
一第一导电型半导体层，位于该第二非晶半导体层上；
一第二导电型半导体层，位于该第二非晶半导体层上；以及
一第二导电型掺杂区，位于该第二导电型半导体层下方的该第一导电型硅基板内并与该第二非晶半导体层接触，该第二导电型掺杂区的结深度在0.001μm～1μm之间。
2.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二导电型掺杂区为p型掺杂区。
3.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二导电型掺杂区的掺杂浓度在1e18cm-3～1e21cm-3之间。
4.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一导电型半导体层与该第二导电型半导体层互相隔离。
5.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一导电型半导体层与该第二导电型半导体层部分重叠。
6.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一导电型半导体层的材料包括非晶硅、非晶碳化硅、非晶硅锗、微晶硅、微晶碳化硅或微晶硅锗。
7.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二导电型半导体层的材料包括非晶硅、非晶碳化硅、非晶硅锗、微晶硅、微晶碳化硅或微晶硅锗。
8.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一非晶半导体层的材料包括非晶硅、非晶碳化硅或非晶硅锗。
9.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二非晶半导体层的材料包括非晶硅、非晶碳化硅或非晶硅锗。
10.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，还包括一抗反射层，位于该第一非晶半导体层上。
11.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，还包括：
一第一电极，与该第一导电型半导体层接触；以及
一第二电极，与该第二导电型半导体层接触。
12.如权利要求11所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一电极完全覆盖或部分覆盖该第一导电型半导体层。
13.如权利要求11所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二电极完全覆盖或部分覆盖该第二导电型半导体层。
14.如权利要求11所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第一电极至少包括一透明导电氧化物(TCO)层与一金属层。
15.如权利要求11所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该第二电极至少包括一透明导电氧化物层与一金属层。
16.如权利要求1所述的全背电极异质结太阳能电池，还包括一绝缘层，位于该第一导电型半导体层与该第二导电型半导体层之间的该第二非晶半导体层上。
17.如权利要求16所述的全背电极异质结太阳能电池，其特征在于，该绝缘层的材料包括高分子材料、二氧化硅或氮化硅。
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