CN103187454A - 异质接面太阳能电池及其电极 - Google Patents
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Abstract
一种异质接面太阳能电池及其电极，该电池包括：一晶体硅基板，为第一导电型，具有彼此相对的一第一表面及一第二表面，该第一表面为一第一织构表面；一掺杂非晶硅层，共形地配置于该第一表面上，该掺杂非晶硅层为第二导电型；一第一电极层，配置于该掺杂非晶硅层上，具有一第二织构表面，该第一电极层的材料为掺杂氧化锌，该第一电极层的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰；一背面电场层为第一导电型，配置于该第二表面上；一第二电极层，配置于该背面电场层上。该电极包括基板以及配置于基板上的掺杂氧化锌层。基板具有第一织构表面，掺杂氧化锌层配置于基板的第一织构表面上，具有第二织构表面，且掺杂氧化锌层的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。
Description
技术领域
本发明涉及一种异质接面太阳能电池，特别是一种以包括特定晶向的硼掺杂氧化锌作为其电极的异质接面太阳能电池及其电极。
背景技术
随着地球暖化与能源危机的问题日益严重，替代能源的开发已成为现今科学研究的焦点。其中，太阳能电池是极具前景的能源技术之一。
传统的硅基(silicon-based)太阳能电池譬如使用单晶硅或多晶硅基板，经由镀膜与高温扩散来形成PN接面。近来，硅基异质接面太阳能电池(heterojunction solar cell)也受到许多注目。有别于传统的硅基太阳能电池，硅基异质接面太阳能电池是在硅基板上成长导电型态与硅基板相异的异质薄膜，以形成PN接面。其具有结构单纯、高开路电压、适于薄基板以及低工艺温度等优点。其中，低的工艺温度显著地降低了太阳能电池的制造成本，使太阳能技术更具竞争优势。
太阳能电池技术的另一研究重心是作为其电极的透明导电层。现今最普遍的透明导电层材料是铟锡氧化物(indium-tin oxide；ITO)。然而铟的存量有限、价格高昂，因此其替代材料(譬如氧化锌)的开发逐渐受到重视。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种异质接面太阳能电池的电极，其成本较现有技术的氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)电极低，且可提升光吸收效率。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种异质接面太阳能电池，其制造成本较低而光电转换效率较高。
为了实现上述目的，本发明提供了一种异质接面太阳能电池的电极，包括基板与掺杂氧化锌层。其中基板具有第一织构表面，掺杂氧化锌层配置于基板的第一织构表面上，具有第二织构表面，且掺杂氧化锌层的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述第一织构表面包括多个突起，其中各突起的底部的长度介于1μm～20μm之间，且各突起的高度介于1μm～20μm之间。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述第二织构表面包括多个突起，其中各突起的底部的长度介于10nm～500nm之间，且各突起的高度介于10nm～500nm之间。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述掺杂氧化锌层的折射系数介于1～4之间。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述掺杂氧化锌层的厚度介于1μm～2μm之间。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述掺杂氧化锌层的X光绕射图形还包括(10-10)峰。
上述的异质接面太阳能电池的电极，所述掺杂氧化锌层的X光绕射图形还包括(11-20)峰。
上述的异质接面太阳能电池的电极，掺杂氧化锌层的掺质包括硼、氟、铝、镓或铟。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种异质接面太阳能电池，包括晶体硅基板、掺杂非晶硅层、第一电极层、背面电场层以及第二电极层。晶体硅基板为第一导电型，其具有彼此相对的第一表面以及第二表面，其中第一表面为第一织构表面。掺杂非晶硅层为第二导电型，且其共形地配置在第一表面上。第一电极层配置于掺杂非晶硅层上，其具有第二织构表面。其中第一电极层的材料为硼掺杂氧化锌，且其X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。背面电场层为第一导电型，且其配置于第二表面上。第二电极层配置于背面电场层上。
上述的异质接面太阳能电池，所述第一织构表面包括多个突起，且各突起的底部的长度介于1μm～20μm之间，而各突起的高度介于1μm～20μm之间。
上述的异质接面太阳能电池，所述第二织构表面包括多个突起，且各突起的底部的长度介于10nm～500nm之间，而各突起的高度介于10nm～500nm之间。
上述的异质接面太阳能电池，还包括本质非晶硅层，位于晶体硅基板与掺杂非晶硅层之间。
上述的异质接面太阳能电池，所述第一电极层的折射系数介于1～4之间。
上述的异质接面太阳能电池，所述第一电极层的厚度介于1μm～2μm之间。
上述的异质接面太阳能电池，所述第一电极层的X光绕射图形还包括(10-10)峰。
上述的异质接面太阳能电池，所述第一电极层的X光绕射图形还包括(11-20)峰。
上述的异质接面太阳能电池，其特征在于，掺杂氧化锌的掺质包括硼、氟、铝、镓或铟。本发明的技术效果在于：本发明的异质接面太阳能电池的电极具有成本较低的优势，且本发明的异质接面太阳能电池具有良好的光电转换效率。
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1A是本发明一实施例的异质接面太阳能电池的电极的剖面示意图；
图1B是图1A的局部放大图；
图2A是本发明另一实施例的异质接面太阳能电池的剖面示意图；
图2B是本发明又一实施例的异质接面太阳能电池的剖面示意图；
图3A是本发明实验例1的硼掺杂氧化锌层的扫描式电子显微镜剖面图；
图3B是本发明实施例1的硼掺杂氧化锌层的扫描式电子显微镜俯视图；
图3C图3B的局部放大图；
图3D是本发明实验例1的硼掺杂氧化锌层的X光绕射图；
图4A与图4B是本发明实验例3中分别在130℃及300℃下生长的硼掺杂氧化锌层的扫描式电子显微镜照片；
图4C与图4D是本发明实验例3中分别在130℃及300℃下生长的硼掺杂氧化锌层的X光绕射图；
图5是本发明实验例4的片电阻(sheet resistance)与温度关系图。
其中，附图标记
100异质接面太阳能电池的电极
102基板
103第一织构表面
103a、105a突起
104掺杂氧化锌层
105第二织构表面
200异质接面太阳能电池
202晶体硅基板
202a第一表面
202b第二表面
203本质非晶硅层
204掺杂非晶硅层
206第一电极层
206a织构表面
208背面电场层
210第二电极层
L1、L2长度
H1、H2高度
T厚度
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图1A是本发明一实施例的异质接面太阳能电池的电极的剖面示意图。图1B是图1A的局部放大图。
请参照图1A。在本实施例中，异质接面太阳能电池的电极100包括基板102与硼掺杂氧化锌(BZO)层104。基板102的材料例如为晶体硅，其具有第一织构表面103。第一织构表面103的形成方法例如是以氢氧化钾、水与异丙醇的混合液为蚀刻液，在75℃下将基板102织构化。第一织构表面103例如具有多个突起103a，其中各突起103a的底部的长度L1例如介于1μm～20μm之间；各突起103a的高度H1例如介于1μm～20μm之间。
请一并参照图1A与图1B。在本实施例中，掺杂氧化锌层104配置于基板102的第一织构表面103上，且掺杂氧化锌层104的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。掺杂氧化锌层104的形成方法例如是低压化学气相沉积法。例如可以下述条件形成硼掺杂氧化锌：反应气体例如为二乙基锌(diethylzinc；DEZn，流量在200sccm～800sccm之间)、水气(流量在250sccm～850sccm之间)以及二硼烷(diborane；B2H6，流量在1sccm～20sccm之间)，反应压力例如在0.3torr～1torr之间，反应温度例如在100℃～300℃之间，反应时间例如在15分钟～90分钟之间。在其他实施例中，掺杂氧化锌层的掺质也可包括氟、铝、镓或铟。在本实施例中，掺杂氧化锌层104具有第二织构表面105，其中第二织构表面105包括多个突起105a。各突起105a的底部的长度L2例如介于10nm～500nm之间；各突起105a的高度H2例如介于10nm～500nm之间。在本实施例中，掺杂氧化锌层104的折射系数介于1～4之间。在本实施例中，掺杂氧化锌层104的厚度介于1μm～2μm之间。在本实施例中，掺杂氧化锌层104的X光绕射图形还具有(10-10)峰与(11-20)峰。
在本实施例中，掺杂氧化锌层104具有透明、导电性佳等特性，适于作为配置在太阳能电池的受光面的电极。举例来说，在可见光的波长范围(400nm～700nm)中，本实施例的掺杂氧化锌层104的穿透率大都在80％以上，而其电阻率介于1×10-3Ωcm～1×10-4Ωcm之间。另外，因为掺杂氧化锌层104具有第二织构表面105，相较于现有技术具有平坦表面的透明导电层，掺杂氧化锌层104能更增加光吸收效率，进而提升短路电流，加强异质接面太阳能电池的效能。
图2A是本发明另一实施例的异质接面太阳能电池的剖面图。
请参照图2A。异质接面太阳能电池200包括晶体硅基板202、掺杂非晶硅层204、第一电极层206、背面电场层208以及第二电极层210。晶体硅基板202具有彼此相对的第一表面202a以及第二表面202b，其中，第一表面202a为织构表面，例如，第一表面202a可为前一实施例所述的第一织构表面103。掺杂非晶硅层204共形地(conformally)配置于第一表面202a上，其形成方法例如是电浆化学气相沉积法。第一电极层206配置于掺杂非晶硅层204上。背面电场层208配置于第二表面202b上，其形成方法例如是电浆化学气相沉积法。第二电极层210配置于背面电场层208上。在本实施例中，晶体硅基板202与背面电场层208为第一导电型(例如N型)，掺杂非晶硅层204为第二导电型(例如P型)。在其他实施例中，经由不同的掺杂工艺，晶体硅基板202与背面电场层208也可以是P型，而掺杂非晶硅层204为N型。
在本实施例中，第一电极层206的材料为硼掺杂氧化锌，且其X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。第一电极层206具有一织构表面206a。第一电极层206例如为前一实施例所述的掺杂氧化锌层104，织构表面206a例如为前一实施例所述的第二织构表面105。另外，在本发明其他实施例中，异质接面太阳能电池200还可包括本质非晶硅层203，位于晶体硅基板202与掺杂非晶硅层204之间，如图2B所示。
在本实施例的异质接面太阳能电池200中，晶体硅基板202的第一表面202a为织构表面，且第一电极层206也具有织构表面206a，因此异质接面太阳能电池200具有优良的光吸收效率。另外，异质接面太阳能电池200还可包括本质非晶硅层203，其可以减少掺杂非晶硅层204与晶体硅层202之间的介面缺陷，降低载子再结合的机会。因此本实施例的异质接面太阳能电池200具有良好的光电转换效率。
以下以比较例与实验例相对照，以表明本发明的异质接面太阳能电池的功效。
比较例1
比较例1选用以CZ法(Czochralski method)成长的N型太阳能电池级硅为基板(晶面(100)，厚度180μm～220μm，电阻率0.5Ωcm～3Ωcm)。将此晶体硅基板浸入75℃的氢氧化钾与异丙醇的混合液中，进行织构化(texturization)。经织构化处理的硅基板表面呈现金字塔状的织构，如图1A中的第一织构表面103。然后，在晶体硅基板的正面(如图2A的第一表面202a)以高频(80MHz)电浆化学沉积系统成长厚度约12nm的硼掺杂非晶硅层。其中高频电浆化学沉积的参数为：基底压力抽至1×10-6torr，通入硅烷(SiH4)以及B2H6，系统压力维持在0.5mtorr，射频电浆瓦数为25W，成长时间为100秒，过程中晶体硅基板温度保持在340℃。
而后，在晶体硅基板背面(如图2A的第二表面202b)成长厚度约10nm的磷掺杂非晶硅层，作为背面电场层。其中高频(80MHz)电浆化学沉积参数为：基底压力抽至1×10-6torr，通入SiH4以及磷化氢(PH3)，系统维持在0.5mtorr，射频电浆瓦数为25W，成长时间为100秒，过程中基板温度保持在280℃。
硼掺杂非晶硅层与磷掺杂非晶硅层成长完毕后，以溅镀工艺分别在磷掺杂非晶硅层上沉积80nm的第一ITO层；并在硼掺杂非晶硅层上沉积80nm的第二ITO层，其中第二ITO层是作为异质接面太阳能电池的正面电极。最后再以蒸镀方法在第一ITO层与第二ITO层上形成银电极，以完成异质接面太阳能电池的制作。
实验例1
实验例1的异质接面太阳能电池的制作与比较例1相似，所不同处在于，在硼掺杂非晶硅层上的正面电极并非使用ITO材料，而是使用低压化学气相沉积法，以DEZn、H2O与B2H6为反应气体，生长2μm具有织构表面的硼掺杂氧化锌层。低压化学气相沉积法的工艺条件总结于表1。
表1
| DEZn(sccm) | H2O(sccm) | B2H6(sccm) | 压力(torr) | 温度(℃) | 反应时间(分钟) |
| 600 | 650 | 10 | 0.6 | 160 | 60 |
图3A至图3C是实验例1的硼掺杂氧化锌层的扫描式电子显微镜照片，其中图3A是其剖面图，图3B是其俯视图，而图3C是图3B的局部放大图。在图3A与图3B中可观察到由晶体硅基板的织构表面所造成的形貌起伏。在图3C中可清楚见到硼掺杂氧化锌层具有织构表面。图3D是实验例1的硼掺杂氧化锌层的X光绕射图形，其包括(10-11)峰、(10-10)峰以及(11-20)峰，且(10-11)为其最大绕射峰。
最后，以蒸镀方法在第一ITO层与硼掺杂氧化锌层上形成银电极，以完成异质接面太阳能电池的制作。
比较例2
比较例2的异质接面太阳能电池的制作与实验例1相似，所不同处在于，在比较例2中，硼掺杂氧化锌层的厚度是0.5μm。
表2总结了各比较例与实施例所使用的正面电极材料及其厚度，以及其开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)、填充因子(fill factor；FF)与光电转换效率(Efficiency)。
表2
请参照表2，与现有技术以ITO作为正面电极的异质接面太阳能电池(比较例1)相较，实验例1的异质接面太阳能电池具有更高的光电转换效率。
实验例3
实验例3选用N型太阳能电池级硅基板，并使其经织构化后，在硅基板的织构化表面上生成硼掺杂非晶硅层；其中硅基板的选用、织构化过程以及硼掺杂非晶硅层的生成均与比较例1相同。其后，在硼掺杂非晶硅层上使用低压化学气相沉积法，以DEZn、H2O与B2H6为反应气体，在不同的工艺温度与时间下生长硼掺杂氧化锌层。表3总结了实验例3的工艺参数。图4A与图4B是分别在130℃及300℃下生长的硼掺杂氧化锌层的扫描式电子显微镜照片。图4C与图4D是分别在130℃及300℃下生长的硼掺杂氧化锌层的X光绕射图。由图4C与图4D可以看出，在130℃与300℃下成长时，硼掺杂氧化锌的最大绕射峰不是(10-11)峰。
表3
如表3所示，当工艺温度越高，沉积速度会越快。因此，为维持一定厚度，须适时的调整沉积硼掺杂氧化锌薄膜的时间。
实验例4
实验例4探讨沉积温度与片电阻(sheet resistance)的关系。实验例4中的材料选择与实验方法与实验例3类似，差异在于，实验例4是在相同的反应时间下变化沉积的温度。实验例4的实验参数总结于表4。图5呈现了不同沉积温度下的片电阻关系图。从图5可以看出，只有沉积温度在160℃上下约10℃的范围内，硼掺杂氧化锌层才具有较佳的片电阻值。
表4
综上所述，本发明的异质接面太阳能电池以硼掺杂氧化锌作为其受正面电极的材料。由于硼掺杂氧化锌的价格远低于ITO，所以能降低异质接面太阳能电池的成本。另外，本发明的掺杂氧化锌层具有织构表面，且其X光绕射图形包括(10-11)峰，能够提升异质接面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 (17)
1.一种异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，包括：
一基板，其具有一第一织构表面；
一掺杂氧化锌层，配置于该第一织构表面上，且具有一第二织构表面，其中该掺杂氧化锌层的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰。
2.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该第一织构表面包括多个突起，其中各该突起的底部的长度介于1μm～20μm之间，且各该突起的高度介于1μm～20μm之间。
3.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该第二织构表面包括多个突起，其中各该突起的底部的长度介于10nm～500nm之间，且各该突起的高度介于10nm～500nm之间。
4.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该掺杂氧化锌层的折射系数介于1～4之间。
5.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该掺杂氧化锌层的厚度介于1μm～2μm之间。
6.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该掺杂氧化锌层的X光绕射图形还包括(10-10)峰。
7.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该掺杂氧化锌层的X光绕射图形还包括(11-20)峰。
8.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池的电极，其特征在于，该掺杂氧化锌层的掺质包括硼、氟、铝、镓或铟。
9.一种异质接面太阳能电池，其特征在于，包括：
一晶体硅基板，其为第一导电型，且具有彼此相对的一第一表面以及一第二表面，其中该第一表面为一第一织构表面；
一掺杂非晶硅层，共形地配置于该第一表面上，其中该掺杂非晶硅层为第二导电型；
一第一电极层，配置于该掺杂非晶硅层上，且具有一第二织构表面，其中该第一电极层的材料为掺杂氧化锌，且该第一电极层的X光绕射图形的最大绕射峰为(10-11)峰；
一背面电场层，配置于该第二表面上，其中该背面电场层为第一导电型；以及
一第二电极层，配置于该背面电场层上。
10.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一织构表面包括多个突起，且各该突起的底部的长度介于1μm～20μm之间，而各该突起的高度介于1μm～20μm之间。
11.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第二织构表面包括多个突起，且各该突起的底部的长度介于10nm～500nm之间，而各该突起的高度介于10nm～500nm之间。
12.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，还包括一本质非晶硅层，位于该晶体硅基板与该掺杂非晶硅层之间。
13.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极层的折射系数介于1～4之间。
14.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极层的厚度介于1μm～2μm之间。
15.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极层的X光绕射图形还包括(10-10)峰。
16.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极层的X光绕射图形还包括(11-20)峰。
17.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该掺杂氧化锌的掺质包括硼、氟、铝、镓或铟。
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