CN104282777A - 具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池及其制造方法，所述太阳能电池包括具有粗糙化的第一表面的半导体基板；一设置于所述第一表面的掺杂碳化硅层，所述掺杂碳化硅层包含一掺杂元素；一抗反射层；多个设置于所述抗反射层上且穿透所述抗反射层的正面电极；以及设置于所述半导体基板第二表面的背面电极层。掺杂碳化硅层由于具有与半导体基板的掺杂型反向的掺杂以及碳化硅成分，具有低电阻及宽能隙特性，因此所述掺杂碳化硅层可作为太阳能电池的射极，且掺杂碳化硅层对太阳光的吸收较少，可增加进入半导体基板的光量，进而提升太阳能电池的光电转换率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是关于一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池及其制造方法。
背景技术
由于石化能源短缺，人们对环保重要性的认知提高，因此人们近年来不断地积极研发替代能源与再生能源的相关技术，希望可以减少目前人类对于石化能源的依赖程度以及使用石化能源时对环境带来的影响。在众多的替代能源与再生能源的技术中，以太阳能电池(solar cell)最受瞩目。主要是因为太阳能电池可直接将太阳能转换成电能，且发电过程中不会产生二氧化碳或氮化物等有害物质，不会对环境造成污染。
一般而言，现有结晶硅太阳能电池通常是于半导体基板的表面利用扩散(diffusion)或离子布植(ion implantation)方式来掺杂反向杂质(counter-doping)以形成射极并于其上方制作电极。当光线由外侧照射至硅晶太阳能电池时，P-N接面的载子空乏区因受光子激发而产生自由电子-电洞对，并通过P-N接面所形成的内电场使电子与电洞分离，电子与电洞会分别往两端的电极移动，此时若外加负载电路或电子装置，便可形成电流使电路或装置进行驱动。
由于太阳光的频谱有各种不同的波长，而不同波长的太阳光会被不同能隙的半导体材料所吸收，当太阳能电池照光时，若入射的光子能量大于半导体材料的能隙，光子将会被半导体材料吸收而产生电子-电洞对。若入射的光子能量小于半导体材料的能隙时，光子将直接穿透半导体材料而不被吸收，故能隙愈小的材料会吸收较大范围的太阳光。但能隙过小的材料会有过度光子能量损失的问题，所以研究者皆须在材料选择和元件光电特性选择上取得平衡。
目前已知有利用宽能隙材料来制作太阳能电池的技术，如图6所示，美国公开专利US20120175636揭示了一种具有表面宽能隙层与感光二极管的太阳能电池。所述太阳能电池是先形成一P型半导体层121’，接着形成N型半导体层123’以完成一具有P-N接面的感光二极管120’，接着再于所述N型半导体层123’在相对于P型半导体层121’的面上形成一宽能隙材料层130，然后于所述宽能隙材料层130上设置一抗反射层(anti-reflective layer，ARL)160，以及数个穿透所述抗反射层160与所述宽能隙材料层130的电极510，使得所述宽能隙材料层130被设置于所述抗反射层160与作为射极的N型半导体层123’之间，背面电极520形成于P型半导体层121’相对于N型半导体层123’的面上，负载530两端分别与电级510与背面电极520连接便可形成电路，所述宽能隙材料层可为碳化硅、氮化硅、氮化硅碳、P+型碳化硅(P+-SiC)、P+型氮化硅(P+-SiN)、P+型氮化硅碳(P+-SiCN)，通过前述宽能隙材料层130增加蓝光的穿透率而提升光电转换率。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池及其制造方法，使其可提升太阳能电池的效率。
为实现上述目的，本发明提供一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，包含：半导体基板、抗反射层、多个正面电极与一背面电极层；其中所述半导体基板具有粗糙化的一第一表面，所述第一表面设有一掺杂碳化硅层，所述掺杂碳化硅层包含一掺杂元素；抗反射层设置于掺杂碳化硅层上；多个正面电极设置于所述抗反射层上且穿透所述抗反射层并与所述掺杂碳化硅层接触；而背面电极层设置于半导体基板一第二表面。
其中，所述半导体基板为P型半导体基板或N型半导体基板。
其中，当所述半导体基板为P型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为N型，其中N型的所述掺杂元素为磷、砷、锑、铋或其组合。
其中，当所述半导体基板为N型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为P型，其中P型的所述掺杂元素为硼、铝、镓、铟、铊或其组合。
其中，所述半导体基板为一单晶硅基板或一多晶硅基板。
本发明还提供一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池制造方法，包含：提供一半导体基板；以离子植入法将碳元素植入半导体基板的一第一表面再以高温退火而形成一碳化硅层；掺杂一掺杂元素至碳化硅层，使碳化硅层成为一掺杂碳化硅层；形成至少一抗反射层于所述掺杂碳化硅层上；形成多个正面电极于所述抗反射层上；及形成一背面电极于所述半导体基板的一第二表面。
其中，所述半导体基板为P型半导体基板或N型半导体基板。
其中，当所述半导体基板为P型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为N型，其中N型的所述掺杂元素为磷、砷、锑、铋或其组合。
其中，当所述半导体基板为N型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为P型，其中P型的所述掺杂元素为硼、铝、镓、铟、铊或其组合。
其中，所述半导体基板为一单晶硅基板或一多晶硅基板。
由于碳化硅具有极佳的电子特性，包括辐射硬度、高击穿电场、相对宽的能隙、高饱和电子漂移速度、高温运作及在光谱的蓝色、紫色及紫外线区域吸收并发射高能量光子等特点，本发明以具有掺杂的碳化硅层作为太阳能射极。相较于现有太阳能电池，当本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池被太阳光照射时，掺杂碳化硅层能允许更多的光子穿透并进入半导体基板，使P-N接合面产生更多的电子电洞对，且掺杂碳化硅层具有宽能隙，因此有较低的本质载子浓度ni，导致暗电流较小，而会有较高的开路电压，使太阳能电池的效率得以提升。
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为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池剖面的第一示意图。
图1B为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池剖面的第二示意图。
图1C为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池剖面的第二示意图。
图2为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池剖面示意图。
图3为本发明的具掺杂碳化硅层的双面结晶硅太阳能电池剖面示意图。
图4为本发明的选择性射极的结晶硅太阳能电池剖面示意图。
图5为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法流程图；
图6为现有的一种具有表面宽能隙层与感光二极管的太阳能电池的示意图。
具体实施方式
请参考图1A至图1C，其为本发明的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的掺杂碳化硅层的制作步骤示意图。首先，提供一具粗糙化表面的半导体基板10，以离子植入法将碳元素（图中以C表示碳元素）植入半导体基板10的第一表面再以高温退火的方式形成碳化硅层22，如图1A、图1B所示。通过控制提供碳元素的能量大小，来控制碳元素植入半导体基板的深度。例如，可控制碳元素的植入深度为小于2微米(μm)，亦即，使碳化硅层深度为2微米。接着，再以与所述半导体基板10的掺杂型相反的一掺杂元素进行反向掺杂而使碳化硅层22形成掺杂碳化硅层24。接着，再以现有的太阳能电池的制造步骤形成抗反射层、正面电极与背面电极，即可构成图2的太阳能电池。
请参考图2，其为本发明为提供一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的一实施例，包含：半导体基板10、抗反射层30、多个正面电极40、P+掺杂层50、与背面电极层60。半导体基板10具有粗糙化的一第一表面且所述半导体基板10具有一掺杂型，接着对所述半导体基板10的第一表面以离子植入法植入碳元素并以高温退火为一碳化硅层22，再以与所述半导体基板10的掺杂型相反的一掺杂元素进行反向掺杂而使碳化硅层22成为一掺杂碳化硅层24。抗反射层30设置于掺杂碳化硅层24上。正面电极40设置于抗反射层30上并穿透抗反射层30以与掺杂碳化硅层24接触，由于本实施例中的掺杂碳化硅层24为射极，因此正面电极40会与掺杂碳化硅层24接触但并不会穿透掺杂碳化硅层24，而背面电极层60设置于半导体基板10的第二表面。
其中，半导体基板10可为光电转换基板，更可为单晶硅基板、多晶硅基板等。于本实施例中，半导体基板10为N型半导体基板；在另一实施例中，或P型半导体基板。本实施例的半导体基板10具有第一表面(正面)为光入射表面，而第二表面(背面)为背光表面。
掺杂碳化硅层24通过于半导体基板10的表面布植一反向杂质所形成，掺杂方式可通过离子布植方式进行。当半导体基板10为P型半导体基板时，则反向掺杂为N型掺杂元素，例如但不限于磷、砷、锑、铋、或其任二者(含)以上的组合。当半导体基板10为N型半导体基板时，则反向掺杂为P型掺杂元素，例如但不限于硼、铝、镓、铟、铊、或其任二者(含)以上的组合。在一实施例中，掺杂元素的浓度介于1×1019至5×1020原子/cm3之间。在其它实施例中，掺杂元素的浓度可以小于1×1019原子/cm3，或介于5×1020至1×1021原子/cm3之间。
其中，掺杂碳化硅层24的底面构成P-N接面(Junction)，此P-N接面两端会形成载子空乏区(depletion region)。
由于利用掺杂碳化硅层形成的N接面，具有较透明的特性，可使太阳光照射掺杂碳化硅层会把大部份的太阳光穿透到半导体基板。此外，因其具有较宽的能隙，所以太阳能被光照射时，在P-N接合面所产生电子电洞对较多而产生较高的电压与电流。此时，载子空乏区提供内建电场，将产生的自由电子送往N极，电洞送往P极。因此产生了电流，此时只要外加电路将两端连接即可利用太阳能电池所产生的电力。
本发明的掺杂碳化硅层亦可应用于双面太阳能电池，如图3所示，一种具掺杂碳化硅层的双面结晶硅太阳能电池的一实施例，包含：半导体基板10、掺杂碳化硅层24、抗反射层30、多个正面电极40、掺杂碳化硅层25、抗反射层32与背面电极62。其中半导体基板10为P型，掺杂碳化硅层24的掺杂元素为N型掺杂，掺杂碳化硅层25的掺杂元素为P型掺杂。
本发明的掺杂碳化硅层亦可应用于选择性射极的结晶硅太阳能电池，如图4所示，所述选择性射极的结晶硅太阳能电池的剖面分层示意图，其由上至下依序为：正面电极40、抗反射层31、掺杂碳化硅层24、重掺杂层26、半导体基板10(P型半导体基板)、P+掺杂层50、背面电极层60、背面电极62。由图4可得知，在正面电极40的下方，制作高掺杂浓度(例如，大于1×1021原子/cm3)的N++区，亦即，重掺杂层26，以达到降低接面电阻(contact resistance,Rc)的目的。而其它受光照射区，则制作掺杂碳化硅层24。而N型掺杂的工艺，一般采用扩散(Diffusion)工艺，其运用浓度较高的POCl3(蒸气或液态)，并通过控制温度与扩散时间来达到预期的掺杂浓度。一般而言，低掺杂运用较低浓度的POCl3来进行掺杂，而高掺杂则运用较高浓度的POCl3来进行掺杂。
接着，请参考图5，其为本发明具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法的流程图，包含以下的步骤：
S110：提供一半导体基板。
S120：以离子植入方式将碳元素植入所述半导体基板并以高温退火而形成一碳化硅层。通过控制提供碳元素的能量大小，来控制碳元素植入半导体基板的深度。例如，可控制碳元素的植入深度为小于2微米，亦即，使碳化硅层深度为2微米。
S130：扩散一掺杂元素至所述碳化硅层，使所述碳化硅层成为一掺杂碳化硅层。在一实施例中，掺杂元素的浓度介于1×1019至5×1020原子/cm3之间。在其它实施例中，掺杂元素的浓度可以小于1×1019原子/cm3，或介于5×1020至1×1021原子/cm3之间。
S140：形成至少一抗反射层于所述掺杂碳化硅层上。
S150：形成多个正面电极于所述抗反射层上。
S160：形成一背面电极于所述半导体基板的一第二表面。
其中半导体基板为P型半导体基板或N型半导体基板。当半导体基板为P型半导体基板时，掺杂碳化硅层的掺杂元素为N型。N型的掺杂元素为磷、砷、锑、铋、或其组合。
其中当半导体基板为N型半导体基板时，掺杂碳化硅层的掺杂元素为P型。P型的掺杂元素为硼、铝、镓、铟、铊、或其组合。
其中半导体基板为一单晶硅基板或一多晶硅基板。其中每个正面电极下方的掺杂碳化硅层更掺杂有一重掺杂层。重掺杂层的掺杂元素的浓度高于掺杂碳化硅层，以降低接面电阻。
由于碳化硅具有相对宽的能隙，当太阳能电池被太阳光照射时，掺杂碳化硅层能允许更多的光子穿透并进入半导体基板，使P-N接合面产生更多的电子电洞对，且掺杂碳化硅层具有宽能隙的特性，因此有较低的本质载子浓度ni，导致暗电流较小，而有较高的开路电压，使太阳能电池的效率得以提升。因此通过本发明的具有与半导体基板的掺杂型反向掺杂的掺杂碳化硅层作为射极即可同时实现提高光入射率与提升光电转换率的功效，相较于现有技术而言，本发明的掺杂碳化硅层具有比现有碳化硅层更多的功能，故仅需一层如本发明的掺杂碳化硅层即可达成前述的发明目的。
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 (10)
1.一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，其特征在于，包含：
一半导体基板，所述半导体基板具有粗糙化的一第一表面，所述第一表面设有一掺杂碳化硅层，所述掺杂碳化硅层包含一掺杂元素；
一抗反射层，设置于所述掺杂碳化硅层上；
多个正面电极，设置于所述抗反射层上且穿透所述抗反射层并与所述掺杂碳化硅层接触；及
一背面电极层，设置于所述半导体基板一第二表面。
2.如权利要求1所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，其特征在于，所述半导体基板为P型半导体基板或N型半导体基板。
3.如权利要求2所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，其特征在于，当所述半导体基板为P型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为N型，其中N型的所述掺杂元素为磷、砷、锑、铋或其组合。
4.如权利要求2所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，其特征在于，当所述半导体基板为N型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为P型，其中P型的所述掺杂元素为硼、铝、镓、铟、铊或其组合。
5.如权利要求1所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池，其特征在于，所述半导体基板为一单晶硅基板或一多晶硅基板。
6.一种具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法，其特征在于，包含：
提供一半导体基板；
以离子植入法将碳元素植入所述半导体基板的一第一表面再以高温退火而形成一碳化硅层；
掺杂一掺杂元素至所述碳化硅层，使所述碳化硅层形成一掺杂碳化硅层；
形成至少一抗反射层于所述掺杂碳化硅层上；
形成多个正面电极于所述抗反射层上；及
形成一背面电极于所述半导体基板的一第二表面。
7.如权利要求6所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述半导体基板为P型半导体基板或N型半导体基板。
8.如权利要求7所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法，其特征在于，当所述半导体基板为P型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为N型，其中N型的所述掺杂元素为磷、砷、锑、铋或其组合。
9.如权利要求7所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法，其特征在于，当所述半导体基板为N型半导体基板时，所述掺杂碳化硅层的所述掺杂元素为P型，其中P型的所述掺杂元素为硼、铝、镓、铟、铊或其组合。
10.如权利要求6所述的具掺杂碳化硅层的结晶硅太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述半导体基板为一单晶硅基板或一多晶硅基板。
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