CN105990470B - 异质结太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种异质结太阳能电池包含半导体基板、第一缓冲层、第二缓冲层、第二n型非晶半导体层、第二p型非晶半导体层、第一透明导电层以及第二透明导电层。其中，其制造方法主要是将第一缓冲层的第一n型非晶半导体层与第二缓冲层的第一p型非晶半导体层分别设置在半导体基板的第一表面与第二表面上，并对第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层以一掺杂气体等离子体处理制程进行处理。然后在第一n型非晶半导体层上形成第一本征非晶半导体层，以及在第一p型非晶半导体层上形成第二本征非晶半导体层。
Description
技术领域
本发明关于一种异质结太阳能电池及其制造方法，尤指一种利用n型非晶半导体层与p型非晶半导体层以及本征非晶半导体层的组合做为缓冲层的异质结太阳能电池及其制造方法。
背景技术
请参阅图1，图1为现有技术的异质结太阳能电池的结构示意图。如图所示，一异质结太阳能电池PA100包含一半导体基板PA1、一第一本征非晶硅半导体层PA2、一第二本征非晶硅半导体层PA3、一第二n型非晶硅半导体层PA4、一第二p型非晶硅半导体层PA5、一第一透明导电层PA6、一第二透明导电层PA7、一第一导电线PA8、一第二导电线PA9。
半导体基板PA1掺杂有一第一型半导体，例如为n型半导体，且半导体基板PA1为一结晶硅半导体基板。第一本征非晶硅半导体层PA2与第二本征非晶硅半导体层PA3分别形成在半导体基板PA1的两侧。
第二n型非晶硅半导体层PA4形成在第一本征非晶硅半导体层PA2上，且第二n型非晶硅半导体层PA4掺杂有第一型半导体；而第二p型非晶硅半导体层PA5形成在第二本征非晶硅半导体层PA3上，且第二p型非晶硅半导体层PA5掺杂有一第二型半导体，而第二型半导体例如为p型半导体。其中，通过在结晶硅半导体基板的两侧分别形成本征非晶硅半导体层与掺杂有第一型半导体或第二型半导体的非晶硅半导体层，可形成双层的异质结层，有效的增加太阳能电池的光电转换效率。
然而，在实务运用上，由于第一本征非晶硅半导体层PA2与第二本征非晶硅半导体层PA3本身就会布满许多缺陷，因此会影响到电子与空穴的移动。为了解决本征非晶半导体层的缺陷问题，现有的技术更研发出利用氢离子改质的方式，在沉积形成本征层时通入高浓度的氢气去使本征非晶硅的悬空键与氢离子结合，进而减少缺陷的存在。
此外，也有在本征层形成时进行掺杂微量的n型半导体或p型半导体，以降低异质结太阳能电池整体的阻值，其中，虽然微掺杂的方式可以降低阻值，但却会使界面缺陷的浓度增加。
发明内容
有鉴在在现有技术中，通常是在结晶硅的半导体基板的两侧皆形成本征层与非晶半导体层以构成异质结的结构，其中本征层的功用在在钝化基板的悬空键(danglingbond)，并因其本体缺陷较少，因此能形成有效的异质结，进而显著提升电池的开路电压，然而，也因为本征层未掺杂有任何p型半导体或n型半导体，使得本征层本身的电阻较高。此外，由于本征层所带的界面固定电荷较小，因此场效应钝化的效果较差，影响电池的填充因子，导致异质结太阳能电池的效能会受到限制。而为了改善上述问题，现有技术利用微掺杂的方式去降低阻值并增强场效应的效果，但却会使界面缺陷浓度增加。
缘此，本发明的主要目的是提供一种异质结太阳能电池及其制造方法，通过n型非晶半导体层与p型非晶半导体层的微掺杂配合掺杂气体等离子体处理来降低界面缺陷浓度、降低阻值与增强场效应的钝化效果。
承上所述，本发明为解决现有技术的问题所采用的必要技术手段是提供一种异质结太阳能电池，包含一半导体基板、一第一缓冲层、一第二缓冲层、一第二n型非晶半导体层、一第二p型非晶半导体层、一第一透明导电层以及一第二透明导电层。半导体基板具有相对设置的一第一表面与一第二表面，且半导体基板掺杂有一第一型半导体。
第一缓冲层设置在第一表面上，并且包含一第一n型非晶半导体层以及一第一本征非晶半导体层。第一n型非晶半导体层设置在第一表面上，且第一n型非晶半导体层的n型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米。第一本征非晶半导体层设置在第一n型非晶半导体层上。
第二缓冲层设置在第二表面上，并且包含一第一p型非晶半导体层以及一第二本征非晶半导体层。第一p型非晶半导体层设置在第二表面上，且第一p型非晶半导体层第一p型非晶半导体层的p型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米。第二本征非晶半导体层设置在第一p型非晶半导体层上。
第二n型非晶半导体层设置在第一缓冲层上，并掺杂有一第二型半导体。第二p型非晶半导体层设置在第二缓冲层上，并掺杂有第一型半导体。第一透明导电层设置在第二n型非晶半导体层上。第二透明导电层设置在第二p型非晶半导体层上。
如上所述，由于本发明是利用第一缓冲层的第一n型非晶半导体层与第二缓冲层的第一p型非晶半导体层的掺杂，以及对第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层进行等离子体处理，以使整体的电阻降低，并能有效的提升场效应的效果，且能减少界面缺陷浓度。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，第一本征非晶半导体层与第二本征非晶半导体层由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，半导体基板为一结晶硅基板。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，第一型半导体为n型半导体。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层的厚度皆为0.1-10nm。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，第一本征非晶半导体层与第二本征非晶半导体层厚度皆为1-10nm。
本发明为解决现有技术的问题，还提供一种异质结太阳能电池的制造方法，包含以下步骤：(a)提供一掺杂有一第一型半导体的半导体基板；(b)在半导体基板的一第一表面上形成一第一缓冲层的一第一n型非晶半导体层，第一n型非晶半导体层的n型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米；(c)在第一n型非晶半导体层上形成第一缓冲层的一第一本征非晶半导体层；(d)在半导体基板的一第二表面上形成一第二缓冲层的一第一p型非晶半导体层，第一p型非晶半导体层的p型半导体掺杂浓度介于在1×1014至1×1016原子/立方厘米；(e)在第一p型非晶半导体层上形成第二缓冲层的一第二本征非晶半导体层；(f)在第一缓冲层上形成一第二n型非晶半导体层；(g)在第二缓冲层上形成一第二p型非晶半导体层。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，在步骤(b)之后还包含一步骤(b1)，以掺杂气体处理第一n型非晶半导体层。较佳者，掺杂气体包含磷化氢气体、砷化氢气体、氮气与氢气其中的至少一种。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，在步骤(c)之后还包含一步骤(c1)，以掺杂气体处理第一p型非晶半导体层。较佳者，掺杂气体包含磷化氢气体、砷化氢气体、氮气与氢气其中的至少一种。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，步骤(h)先形成第一透明导电层后，再形成第二透明导电层。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，步骤(h)先形成第二透明导电层后，再形成第一透明导电层。
由上述的必要技术手段所衍生的一附属技术手段为，步骤(h)同时形成第一透明导电层与第二透明导电层。
本发明所采用的具体实施例，将通过以下的实施例及附图作进一步的说明。
附图说明
图1为现有技术的异质结太阳能电池的结构示意图；
图2显示本发明较佳实施例所提供的异质结太阳能电池的结构示意图；以及
图3A与图3B为本发明较佳实施例所提供的异质结太阳能电池的制造方法步骤流程图。
【符号说明】
PA100 异质结太阳能电池
PA1 半导体基板
PA2 第一本征非晶硅半导体层
PA3 第二本征非晶硅半导体层
PA4 第二n型非晶硅半导体层
PA5 第二p型非晶硅半导体层
PA6 第一透明导电层
PA7 第二透明导电层
PA8 第一导电线
PA9 第二导电线
100 异质结太阳能电池
1 半导体基板
11 第一表面
12 第二表面
2 第一缓冲层
2a 第一n型非晶半导体层
2b 第一本征非晶半导体层
3 第二缓冲层
3a 第一p型非晶半导体层
3b 第二本征非晶半导体层
4 第二n型非晶半导体层
5 第二p型非晶半导体层
6 第一透明导电层
7 第二透明导电层
8 第一导线
9 第二导线
具体实施方式
请参阅图2，图2显示本发明较佳实施例所提供的异质结太阳能电池的结构示意图。如图所示，一种异质结太阳能电池100包含一半导体基板1、一第一缓冲层2、一第二缓冲层3、一第二n型非晶半导体层4、一第二p型非晶半导体层5、一第一透明导电层6、一第二透明导电层7、多个第一导线8(图中仅显示两个)以及多个第二导线9(图中仅显示两个)。
半导体基板1具有相对设置的一第一表面11与一第二表面12，且半导体基板1掺杂有一第一型半导体。其中，半导体基板1为一结晶硅基板，第一型半导体为n型半导体或p型半导体，而在本实施例中，第一型半导体为n型半导体。
第一缓冲层2设置在第一表面11上，并且包含一第一n型非晶半导体层2a以及一第一本征非晶半导体层2b。第一n型非晶半导体层2a是设置在第一表面11上，且第一n型非晶半导体层2a中的n型半导体为微掺杂，并通过掺杂气体等离子体处理(Doping Gas PlasmaTreatment)制程处理第一n型非晶半导体层2a中的悬空键。其中第一n型非晶半导体层2a与第一本征非晶半导体层2b由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成，且第一n型非晶半导体层2a的厚度为0.1-10nm，而第一本征非晶半导体层2b的厚度为1-10nm。此外在本实施例中，第一n型非晶半导体层2a与第一本征非晶半导体层2b由非晶硅所构成，且第一n型非晶半导体层2a的厚度为2nm，而第一本征非晶半导体层2b的厚度为3nm。
实务上，第一n型非晶半导体层2a是将磷化氢(PH3)气体与硅烷(SiH4)气体利用一等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)将第一n型非晶半导体层2a沉积形成在第一表面11上，并利用磷化氢气体与硅烷气体的比例与流量控制，使第一n型非晶半导体层2a内含有微量掺杂的n型半导体(磷)，其掺杂浓度例如是1×1014至1×1016原子/立方厘米，然后再以掺杂气体等离子体处理制程处理第一n型非晶半导体层2a，使第一n型非晶半导体层2a其中因为非结晶结构所具有的悬空键钝化而失去活性。其中，掺杂气体等离子体处理制程为一氢气等离子体处理制程、一磷化氢等离子体处理制程、一硼乙烷等离子体处理制程或一氮气等离子体处理制程，而在本实施例中为氢气等离子体处理制程。
第一本征非晶半导体层2b设置在第一n型非晶半导体层2a上。实务上，第一本征非晶半导体层2b是将氢气气体与硅烷气体利用等离子体增强化学气相沉积法将第一本征非晶半导体层2b沉积形成在第一n型非晶半导体层2a上。
第二缓冲层3设置在第二表面12上，并且包含一第一p型非晶半导体层3a以及一第二本征非晶半导体层3b。第一p型非晶半导体层3a是设置在第二表面12上，且第一p型非晶半导体层3a其中的p型半导体为微掺杂，并利用掺杂气体等离子体处理制程处理第一p型非晶半导体层3a其中的悬空键。其中，第一p型非晶半导体层3a与第二本征非晶半导体层3b由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成，且第一p型非晶半导体层3a的厚度为0.1-10nm，而第二本征非晶半导体层3b的厚度为1-10nm。此外，在本实施例中，第一p型非晶半导体层3a与第二本征非晶半导体层3b由非晶所构成，且第一p型非晶半导体层3a的厚度为2nm，而第二本征非晶半导体层3b的厚度为3nm。
实务上，第一p型非晶半导体层3a是将乙硼烷(B2H6)气体与硅烷(SiH4)气体利用一等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)将第一p型非晶半导体层3a沉积形成在第二表面12上，并利用乙硼烷气体与硅烷气体的比例与流量控制，使第一p型非晶半导体层3a内含有微量掺杂的p型半导体(硼)，其掺杂浓度例如是1×1014至1×1016原子/立方厘米，然后再以掺杂气体等离子体处理制程处理第一p型非晶半导体层3a，使第一p型非晶半导体层3a其中因为非结晶结构所具有的悬空键钝化而失去活性。其中，本实施例的掺杂气体等离子体处理制程为氢气等离子体处理制程。
第二本征非晶半导体层3b设置在第一p型非晶半导体层3a上。实务上，第一p型非晶半导体层3a是将氢气气体与硅烷气体利用等离子体增强化学气相沉积法将第二本征非晶半导体层3b沉积形成在第一p型非晶半导体层3a上。
第二n型非晶半导体层4设置在第一缓冲层2的第一本征非晶半导体层2b。实务上，第二n型非晶半导体层4是将磷化氢气体与硅烷气体利用等离子体增强化学气相沉积法将第二n型非晶半导体层4沉积形成在第一本征非晶半导体层2b上。其中，第二n型非晶半导体层4的n型半导体的掺杂浓度例如在1×1019至1×1021原子/立方厘米之间。
第二p型非晶半导体层5设置在第二缓冲层3的第二本征非晶半导体层3b。实务上，第二p型非晶半导体层5是将乙硼烷气体与硅烷气体利用等离子体增强化学气相沉积法将第二p型非晶半导体层5沉积形成在第二本征非晶半导体层3b上。其中，第二p型非晶半导体层5的p型半导体的掺杂浓度例如在1×1019至1×1021原子/立方厘米之间
第一透明导电层6设置在第二n型非晶半导体层4上。实务上，第一透明导电层6是透过化学气相沉积法沉积形成在第二n型非晶半导体层4上。
第二透明导电层7设置在第二p型非晶半导体层5上。实务上，第二透明导电层7是透过化学气相沉积法沉积形成在第二p型非晶半导体层5上。其中，第一透明导电层6与第二透明导电层7由透明导电金属化合物所构成，例如为氧化铟锡(ITO)、掺钨氧化铟(IWO)、铟铈氧化物(ICO)、掺铝氧化锌AZO或氧化锌(ZnO)，但不限在此。
第一导线8设置在第一透明导电层6上，而第二导线9设置在第二透明导电层7上。其中第一导线8与第二导线9例如为镍、银或铜等具有高导电率的金属。
请参阅图2、图3A与图3B，图3A与图3B为本发明较佳实施例所提供的异质结太阳能电池的制造方法步骤流程图。如图所示，异质结太阳能电池100的制造方法，包含以下步骤：首先步骤(S101)是提供掺杂有第一型半导体的半导体基板1。
步骤(S102)是在半导体基板1的第一表面11上形成第一n型非晶半导体层2a；其中，第一n型非晶半导体层2a的n型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米。
步骤(S103)是以掺杂气体处理第一n型非晶半导体层2a。实务上，掺杂气体是以等离子体的方式钝化处理第一n型非晶半导体层2a的悬空键。
步骤(S104)是在第一n型非晶半导体层2a上形成第一本征非晶半导体层2b。
步骤(S105)是在半导体基板1的第二表面12上形成第一p型非晶半导体层3a；其中，第一p型非晶半导体层3a的p型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米。
步骤(S106)是以掺杂气体处理第一p型非晶半导体层3a。实务上，掺杂气体是以等离子体的方式钝化处理第一p型非晶半导体层3a的悬空键。
步骤(S107)是在第一p型非晶半导体层3a上形成第二本征非晶半导体层3b。
步骤(S108)是在第一本征非晶半导体层2b上形成第二n型非晶半导体层4。
步骤(S109)是在第二本征非晶半导体层3b上形成第二p型非晶半导体层5。
步骤(S110)是在第二n型非晶半导体层4与第二非晶半导体层3b上分别形成第一透明导电层6与第二透明导电层7第二n型非晶半导体层4上形成第一透明导电层6。步骤(S109)是在第二p型非晶半导体层5上形成第二透明导电层7。其中，步骤(S110)可以是先形成第一透明导电层6后，再形成第二透明导电层7，或者先形成第二透明导电层7后，再形成第一透明导电层6，甚至可以同时形成第一透明导电层6与第二透明导电层7。
步骤(S111)是在第一透明导电层6与第二透明导电层7上分别设置第一导线8与第二导线9。
如上所述，步骤(S102)与步骤(S105)的顺序可以依据实际需求而对调，同样的，步骤(S104)与步骤(S107)的顺序可以依据实际需求而对调，但步骤(S103)与步骤(S104)一定要在步骤(S102)之后，而步骤(S106)与步骤(S107)则一定要在步骤(S105)之后。此外，步骤(S108)与步骤(S109)的顺序也可互相对调。然而在实际操作上，主要的步骤是以半导体基板1同一面且工作站相同的顺序为主，例如步骤(S102)、步骤(S104)与步骤(S108)在半导体基板1的同一面，且制程方式皆是利用等离子体增强化学气相沉积法进行沉积。
综上所述，相较于现有技术是利用氢离子改质的方式去减少本征层的界面缺陷浓度，或者利用微量掺杂的方式去减少阻值；由于本发明是利用第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层的设置，通过微量掺杂的n型半导体与p型半导体来降低阻值并达到增强场效应的钝化的功效，并在形成第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层后，利用掺杂气体等离子体处理制程处理第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层的悬空键，以降低界面缺陷浓度，因此相较于现有技术而言，本发明不仅能透过微量掺杂的第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层来使整体的电阻降低并提升场效应的钝化能力，更因为第一n型非晶半导体层与第一p型非晶半导体层受到掺杂气体等离子体处理制程的处理，因此更能使第一缓冲层与第二缓冲层的界面缺陷浓度减少，进而提升异质结太阳能电池整体的转换效率。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。
Claims (14)
1.一种异质结太阳能电池，包含：
一半导体基板，具有相对设置的一第一表面与一第二表面，且所述半导体基板掺杂有一第一型半导体；
一第一缓冲层，设置在所述第一表面上，并且包含：
一第一n型非晶半导体层，设置在所述第一表面上，且所述第一n型非晶半导体层的n型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米；以及
一第一本征非晶半导体层，设置在所述第一n型非晶半导体层上；
一第二缓冲层，设置在所述第二表面上，并且包含：
一第一p型非晶半导体层，设置在所述第二表面上，且所述第一p型非晶半导体层的p型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米；以及
一第二本征非晶半导体层，设置在所述第一p型非晶半导体层上；
一第二n型非晶半导体层，设置在所述第一缓冲层上；
一第二p型非晶半导体层，设置在所述第二缓冲层上；
一第一透明导电层，设置在所述第二n型非晶半导体层上；以及
一第二透明导电层，设置在所述第二p型非晶半导体层上。
2.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其中，所述第一n型非晶半导体层与所述第一p型非晶半导体层由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成。
3.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其中，所述第一本征非晶半导体层与所述第二本征非晶半导体层由非晶硅、非晶氮化硅、非晶氧化硅或非晶氧化铝所组成。
4.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其中，所述第一型半导体为n型半导体。
5.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其中，所述第一n型非晶半导体层与所述第一p型非晶半导体层的厚度为0.1-10nm。
6.如权利要求1所述的异质结太阳能电池，其中，所述第一本征非晶半导体层与所述第二本征非晶半导体层的厚度为1-10nm。
7.一种异质结太阳能电池的制造方法，包含以下步骤：
(a)提供一掺杂有第一型半导体的半导体基板；
(b)在所述半导体基板的一第一表面上形成一第一缓冲层的一第一n型非晶半导体层，所述第一n型非晶半导体层的n型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米；
(c)在所述第一n型非晶半导体层上形成所述第一缓冲层的一第一本征非晶半导体层；
(d)在所述半导体基板的一第二表面上形成一第二缓冲层的一第一p型非晶半导体层，所述第一p型非晶半导体层的p型半导体掺杂浓度介于1×1014至1×1016原子/立方厘米；
(e)在所述第一p型非晶半导体层上形成所述第二缓冲层的一第二本征非晶半导体层；
(f)在所述第一缓冲层上形成一第二n型非晶半导体层；
(g)在所述第二缓冲层上形成一第二p型非晶半导体层；以及
(h)在所述第一非晶半导体层与所述第二非晶半导体层上分别形成一第一透明导电层与一第二透明导电层。
8.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，在所述步骤(b)之后还包含一步骤(b1)，以掺杂气体等离子体处理所述第一n型非晶半导体层。
9.如权利要求8所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，所述掺杂气体包含磷化氢气体、砷化氢气体、氮气与氢气其中的至少一种。
10.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，在所述步骤(c)之后还包含一步骤(c1)，以掺杂气体等离子体处理所述第一p型非晶半导体层。
11.如权利要求10所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，所述掺杂气体包含磷化氢气体、砷化氢气体、氮气与氢气其中的至少一种。
12.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，步骤(h)先形成所述第一透明导电层后，再形成所述第二透明导电层。
13.如权利要求7所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，步骤(h)先形成所述第二透明导电层后，再形成所述第一透明导电层。
14.如权利要求8所述的异质结太阳能电池的制造方法，其中，步骤(h)同时形成所述第一透明导电层与所述第二透明导电层。
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