CN106057916A - 异质结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异质结太阳能电池，包含：p型微结晶硅层，具有受光面及相对于该受光面的背光面；第一纳米银线层，形成在该p型微晶硅层的受光面上；第一n型非晶氧化层，形成在该纳米银线层上；i型微晶硅薄膜层，形成在该p型微结晶硅层的背光面上；第二n型非晶氧化层，形成在该i型微晶硅薄膜层上；以及第二纳米银线层，形成在该第二n型非晶氧化层上。由于第一、第二n型非晶氧化层及第一、第二纳米银线层的透光度、导电度及反射率较现有技术为佳，从而可使得本发明在光电转换与单位成本得到非常大的竞争优势。

Description

异质结太阳能电池
本申请为分案申请，母案的申请号为：201310654869.3，申请日为：2013年12月6日，发明名称为：异质结太阳能电池。
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是一种异质结太阳能电池。
背景技术
如图1所示，其显示了现有技术的一种异质结太阳能电池的结构，具有p型结晶硅基板(p-type crystalline silicon substrate)10，而该p型结晶硅基板10具有受光面102及背光面101。在受光面102及背光面101上分别形成有i型非晶硅薄膜层(intrinsicamorphous silicon layer)12、11。在该i型非晶硅薄膜层12、11上分别形成有n型非晶硅层14及p型非晶硅层13。于该n型非晶硅层14及该p型非晶硅层13上则形成有透明导电层16、15及导电端子18与电极层17。由于此种太阳能电池的层叠结构具有硅异质结和硅本征层，故又被称为异质结太阳能电池(HIT，Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer solarcell)。
然而在此种异质结太阳能电池中，于p型结晶硅基板10的受光面102的非晶硅层，如i型非晶硅薄膜层12或n型非晶硅层14，该非晶硅的材料受光照时，会有高光吸收率透光率不佳的问题，而无法让光线有效的穿透，使得太阳能电池受到光能激发产生的光生载子的数量衰减，另传统利用PECVD等离子设备工艺易于硅基板表面产生等离子损伤(plasmadamage)缺陷，因而使组件产生的短路电流较小，使得转换效率降低。
如图4所示，其显示了现有技术的另一种异质结太阳能电池的结构，具有p型微晶硅层(p-type nanocrystalline silicon layer)40，该p型微晶硅层40具有受光面402及背光面401；于背光面401的方向上，依序形成有i型微晶硅薄膜层(intrinsicnanocrystalline silicon layer)41a、n型微晶硅层(n-type nanocrystalline siliconlayer)41b、第二透明导电层43、及银质层45。于受光面402的方向上，依序形成有中间反射层(intermediate reflector layer)42、n型非晶硅层44a、i型非晶硅薄膜层44b、p型非晶硅层44c、第一透明导电层46、玻璃基板48。然而，于此种异质结太阳能电池中，该n型微晶硅层41b与中间反射层42也有透光率不佳从而导致光电转换效率需要提升的问题。具体言之，为了达到上电池(Top cell，即非晶硅层)与下电池(Bottom cell，即微晶硅层)的电流匹配，于光学考量上会加上中间反射层，以让光线可以反射俾回馈回上电池；但是，于电性考量上，为了使上、下电池的串接阻值降低，中间反射层却需要比较厚的厚度，因此，易造成上电池因光反射达成电流满足，而下电池却因反射层太厚导制入射光量降低，构成电流不匹配的现象。
再如图6所示，其为异质结太阳能电池的又一种结构，依序形成有基板60、金属背接触层(metallic back contact)61、p型吸收层(p-type absorber)62、缓冲层(bufferlayer)63、薄膜层64、透明导电层65、及导电端子66。于此种异质结太阳能电池中，同样存在有透光度不佳使得光电转换效率不高的问题。
鉴于上述现有技术的缺点，如何改善异质结太阳能电池透光率不佳所导致的种种不足，即为目前业界急待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术的种种缺失，本发明的主要目的之一，即在于提供一种新颖的异质结太阳能电池，以提升光电转换效率。
为了达到此种目的或其它目的，本发明提供一种异质结太阳能电池，包含：具有受光面的p型结晶硅基板；第一i型非晶硅薄膜层，形成在该p型结晶硅基板的受光面上；形成在该第一i型非晶硅薄膜层上的n型非晶氧化层；以及第一透明导电层，形成于该n型非晶氧化层上。
此外，本发明还提供另一种异质结太阳能电池，包含：具有受光面的p型结晶硅基板；n型非晶氧化层，形成在该p型结晶硅基板的受光面上；以及第一透明导电层，形成于该n型非晶氧化层上。
另外，本发明还提供一种异质结太阳能电池，包含：p型微结晶硅层，具有受光面及相对于该受光面的背光面；第一纳米银线层，形成在该p型微晶硅层的受光面上；第一n型非晶氧化层，形成在该纳米银线层上；i型微晶硅薄膜层，形成在该p型微结晶硅层的背光面上；第二n型非晶氧化层形成在该i型微晶硅薄膜层上；以及第二纳米银线层，形成在该第二n型非晶氧化层上。
其次，本发明又提供一种异质结太阳能电池，包含：n型非晶氧化层，具有受光面；以及纳米银线层，形成在该n型非晶氧化层的受光面上。
相较于现有技术，由于本发明采用n型非晶氧化层，而n型非晶氧化层的透光度较佳，所以相对于传统的异质结太阳能电池而言，本发明在开路电压或电流密度方面皆有显著的提升，从而使得光电转换效率更为优异。
附图说明
图1为现有技术的一种异质结太阳能电池的横切面示意图；
图2为本发明的异质结太阳能电池第一实施例的横切面示意图；
图3为本发明的异质结太阳能电池第二实施例，内含两种实施方式的横切面示意图；
图4为现有技术的另一种异质结太阳能电池的横切面示意图；
图5为本发明的异质结太阳能电池第三实施例的横切面示意图；
图6为现有技术的又一种异质结太阳能电池的横切面示意图；以及
图7为本发明的异质结太阳能电池第四实施例的横切面示意图。
附图标记说明：
10、20、30 p型结晶硅基板
102、202、302、402、502、702 受光面
101、201、301、401、501、701 背光面
12、11 i型非晶硅薄膜层
22、31 第一i型非晶硅薄膜层
24、34、73 n型非晶氧化层
26、36、46 第一透明导电层
21 第二i型非晶硅薄膜层
25、35、43 第二透明导电层
14、44a n型非晶硅层
13、23、33、44c、54c p型非晶硅层
15、16、56、65 透明导电层
18、28、38、66、76 导电端子
17、27、37 电极层
2、3、5、7 异质结太阳能电池
34a n-型非晶氧化层
34b n+型非晶氧化层
40、50 p型微晶硅层
41a、51 i型微晶硅薄膜层
41b n型微晶硅层
45 银质层
42 中间反射层
44b、54b i型非晶硅薄膜层
48、58 玻璃基板
60、70 基板
61、71 金属背接触层
62、72 p型吸收层
63 缓冲层
64 薄膜层
52 第一纳米银线层
54a 第一n型非晶氧化层
53 第二n型非晶氧化层
55 第二纳米银线层
74 内米银线层
具体实施方式
为有利于了解本发明的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，下面将本发明的技术方案的配图，并以实施例的表达形式说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意以及辅助说明之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，合先叙明。
本发明所提供的异质结太阳能电池，其具体的实施方式请参酌图式并分述如下：
第一实施例：
请参阅图2，其为本发明的异质结太阳能电池2的一横切面结构示意图。异质结太阳能电池2包括p型结晶硅基板20、第一i型非晶硅薄膜层22、n型非晶氧化层24、及第一透明导电层26。
p型结晶硅基板20具有受光面202，第一i型非晶硅薄膜层22形成在该p型结晶硅基板20的受光面202上，n型非晶氧化层24形成在该第一i型非晶硅薄膜层22上，而第一透明导电层26形成于该n型非晶氧化层24上。
于一范例中，本发明可形成导电端子28于该第一透明导电层26上，且外露出部分的该第一透明导电层26以构成受光区域，实际运作时，光线从此受光区域予以射入。
此外，该第一i型非晶硅薄膜层22可为形成时通入氢气的结构，以此增加半导体表面保护(surface passivation)的特性。而该导电端子28可选用银为其制成结构材料。
该n型非晶氧化层24可为经热退火处理的结构，以提升其结构特性。而为了因应不同的技术应用，该n型非晶氧化层24可为于100℃至1000℃间进行热退火处理的结构，在一种具体应用中，热退火温度能设定在100℃至600℃间。此外，为了因应不同的需求，该n型非晶氧化层24的结构可包括铟、镓、锌或氧，例如n型非晶氧化层24可为a-IGZO，当然，可依照不同目的改变铟、镓、锌或氧的浓度比例配置，例如，假设IGZO的组成为In1GaxZnYOz，其中的比例得为0≤X≤1、0≤Y≤5、1≤Z≤10。该n型非晶氧化层24的厚度实质上可介于1纳米至300纳米之间，能隙值可介于3.0eV至4.0eV之间。另外，形成为a-IGZO的n型非晶氧化层24，还可设计为非内建粒子(partical)的立方型键结者，以进一步提升透光度。
该第一透明导电层26可为含氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌的结构。
另外，在本实施例的该异质结太阳能电池2中，该p型结晶硅基板20相对于该受光面202的另一侧，还可设计为具有背光面201，此时，该异质结太阳能电池2还可包括第二i型非晶硅薄膜层21、p型非晶硅层23、第二透明导电层25以及电极层27。
第二i型非晶硅薄膜层21形成在基板的背光面201上，p型非晶硅层23形成在该第二i型硅薄膜层21上，第二透明导电层25形成于该p型非晶硅层21上，以及电极层27形成于该第二透明导电层25上。
该第二i型非晶硅薄膜层21与p型非晶硅层23皆可为形成时通入氢气的结构，该第二透明导电层25可为氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌所组成的结构，该电极层27可为银质结构。换言之，本实施例可设计为单面受光的方式，当然，本实施例也可调整为双面受光的实施例。
第二实施例：
请参阅图3，其为本发明异质结太阳能电池另一实施例的结构示意图。于此实施例中，异质结太阳能电池3，包含p型结晶硅基板30、n型非晶氧化层34、第一透明导电层36。
p型结晶硅基板30具有受光面302，n型非晶氧化层34形成在该p型结晶硅基板30的受光面302上，而n型非晶氧化层34上形成有第一透明导电层36。
于一范例中，异质结太阳能电池3可包括导电端子38，可形成于该第一透明导电层36上，且外露出部分的该第一透明导电层36以构成受光区域，而光线从该受光区域予以射入。该导电端子38则可选用银为其材料。
与前述第一实施例相同的是，该n型非晶氧化层34可为经热退火处理的，以提升结构特性，而为了因应不同的技术应用，该n型非晶氧化层34可为于100℃至1000℃间进行热退火处理的结构，在一种具体应用中，退火温度能设定在100℃至600℃间。为了因应不同需求，该n型非晶氧化层34的结构可包括为铟、镓、锌或氧，例如为a-IGZO，且能依照不同目的改变浓度的比例配置，例如，IGZO组成若假设为In1GaxZnYOz，其中的比例得为0≤X≤1、0≤Y≤5、1≤Z≤10。n型非晶氧化层34的厚度实质上可介于1纳米至300纳米之间，能隙值可介于3.0eV至4.0eV之间。当然，也可设计为非内建粒子的立方型结构。该第一透明导电层36可为含氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌的结构。
相较于前述第一实施例，第二实施例的异质结太阳能电池3，省略了第一i型非晶硅薄膜层22的结构。
当然，在该异质结太阳能电池3中，还可具有相对于该受光面302的背光面301，形成于该p型结晶硅基板30的另一侧，而该异质结太阳能电池3还可包括第二i型非晶硅薄膜层31、p型非晶硅层33、第二透明导电层35以及电极层37。也就是，可在基板的背光面301上形成第一i型非晶硅薄膜层31，在该第一i型硅薄膜层31上形成p型非晶硅层33，另形成第二透明导电层35于该p型非晶硅层33上，以及在该第二透明导电层35上形成电极层37。然而，第二实施例的异质结太阳能电池3也可设计为双面受光的实施例。
此外，该第一i型非晶硅薄膜层31与p型非晶硅层33皆可为形成时通入氢气的结构，并且，该第二透明导电层35可为氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌所组成的结构，而该电极层37可为银质结构。
于本实施例的另一实施例中，异质结太阳能电池3还可将该n型非晶氧化层34，进一步区分为n-型非晶氧化层34a以及n+型非晶氧化层34b而予以形成，其中，n-型非晶氧化层34a形成于该p型结晶硅基板30的受光面302上，n+型非晶氧化层34b形成于该n-型非晶氧化层34a上，而第一透明导电层36形成于该n+型非晶氧化层34b上。该n-型非晶氧化层34a的组成可假设为In1GaxZnyOz，其中1≤X≤5、0≤Y≤3、1≤Z≤10。该n-型非晶氧化层34a的厚度实质上可介于1纳米至300纳米之间，能隙值可介于2.0eV至4.0eV之间。另，该n+型非晶氧化层34b的组成可假设为In1GaxZnyOz，其中0≤X≤1、0≤Y≤5、1≤Z≤10。该n+型非晶氧化层34b的厚度实质上可介于1纳米至300纳米之间，能隙值则可介于3.0eV至4.0eV之间。此外，n-型非晶氧化层34a的浓度可小于或等于1017cm-3，n+型非晶氧化层34b的浓度可大于或等于1020cm-3，例如，n-型非晶氧化层34a的浓度可小于n+型非晶氧化层34b的浓度。
为了达到不同的使用需求，本实施例更可将该n-型非晶氧化层34a的厚度设定为小于该n+型非晶氧化层34b的厚度。换言之，于本实施例中，通过n-型非晶氧化层34a提供了前述第一实施例的第一i型非晶硅薄膜层22的功能。
第三实施例：
请参阅图5，其为本发明异质结太阳能电池另一实施例的结构示意图。于此实施例中，异质结太阳能电池5，包含p型微结晶硅层50、第一纳米银线层52、第一n型非晶氧化层54a、i型微晶硅薄膜层51、第二n型非晶氧化层53、第二纳米银线层55。
p型微结晶硅层50，具有受光面502及相对于该受光面的背光面501，而第一纳米银线层52，形成在该p型微晶硅层50的受光面502上，第一n型非晶氧化层54a，形成在该纳米银线层52上；在该p型微晶硅层56的背光面501上形成有i型微晶硅薄膜层51，而第二n型非晶氧化层53，形成于该i型微晶硅薄膜层51上；及第二纳米银线层55，形成在该第二n型非晶氧化层53上。
另外，在本实施例的该异质结太阳能电池5中，本发明可于该第一n型非晶氧化层54a作为承载，并于其上具备i型非晶硅薄膜层54b；而p型非晶硅层54c，可形成在该i型非晶硅薄膜层54b上；透明导电层56，可形成于该p型非晶硅层54c上；以及玻璃基板58，形成于该透明导电层56上。
此外，为了增加半导体移动率的特性，本实施例所有样式的非晶与微晶硅材质层，可为形成时通入氢气的结构；该第一、第二n型非晶氧化层54a、53，可为经热退火处理的结构，以提升其结构特性。而为了因应不同的技术应用该第一、第二n型非晶氧化层54a、53可为于100℃至1000℃间进行热退火处理的结构，在一种具体应用中，热退火温度能设定在100℃至600℃间。再者，为了因应不同的需求，该第一、第二n型非晶氧化层54a、53的结构可包括铟、镓、锌或氧，做法可如前述第一实施例一般，不再赘述。本实施例中所用的第一、第二纳米银线层52、55，其具体技术得参酌中国台湾第1402992号等相关专利。该透明导电层56可为氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌所组成的结构。具体言之，该第一、第二n型非晶氧化层54a、53及第一、第二纳米银线层52、55的透光度与导电度及反射率，较现有技术为佳，从而可使得本发明在光电转换与单位成本得到非常大的竞争优势。
第四实施例：
请参阅图7，其为本发明异质结太阳能电池另一实施例的结构示意图。于此实施例中，异质结太阳能电池7，包含n型非晶氧化层73、纳米银线层74。
具体言之，n型非晶氧化层73具有受光面702，而纳米银线层74，形成在该n型非晶氧化层73的受光面702上。
于一范例中，本发明可于该纳米银线层74上形成导电端子76，且外露出部分的该纳米银线层74以构成受光区域，实际运作时，光线从此受光区域予以射入。
并且，在本实施例的该异质结太阳能电池7中，该n型非晶氧化层73更具有相对于该受光面702的背光面701，且该异质结太阳能电池7还包括有p型吸收层(p-typeabsorption layer)72、金属背接触层(metallic backcontact)71及基板70，其中，p型吸收层(p-type absorption layer)72形成于该n型非晶氧化层73的背光面701，金属背接触层(metallic back contact)71形成以承载该p型吸收层72；基板70形成以承载该金属背接触层71。
而此实施例中，所述的该n型非晶氧化层73可为铟、镓或锌的氧化物结构；该导电端子76可为镍或铝的结构；该p型吸收层72可为铜、铟、镓或硒的结构。本实施例中所用的纳米银线层74，其具体技术同样得参酌台湾第I402992号等相关专利。
值得注意者，前述实施例中所提到的n型非晶氧化层24，34，73及第二n型非晶氧化层53可使用溅镀设备来予以形成，相较于现有技术用等离子工艺设备的工艺，本发明所花费的工艺成本较低，因此，以溅镀设备来施作n型非晶氧化层更能够达到有效降低成本的功效。此外，本发明的n型非晶氧化层无须采用现有技术的等离子工艺设备来形成，故不会有等离子损伤的问题产生。
在光电转换效率方面，请参阅下列相关数据表，以了解本发明实际实验后的成果。由表中数据可知，不论是前述的第一实施例或第二实施例，纵使是厚度较现有技术更薄的n型非晶氧化层，其转换效率皆因电流或电压较现有技术为高，而提供了更佳的光电转换效率。具体言之，在10nm的n型非晶氧化层的实验中，本发明的第一、第二实施例的转换效率较现有技术采用10nm的n型非晶硅层为优异，即便采用厚度更薄的5nm的n型非晶氧化层，亦较现有技术采用10nm的n型非晶硅层为优异。而由表4可知，本发明的第二实施例的第二方式(也就是采用n-型非晶氧化层34a及n+型非晶氧化层34b的方式)，其短路电流密度虽然较第二实施例的第一方式(也就是未分别形成n-型非晶氧化层34a及n+型非晶氧化层34b的方式)稍微降低，但开路电压却更为提升，从而进一步提供转换效率。
表1现有技术的异质结太阳能电池的仿真数据
表2本发明的异质结太阳能电池的第一实施例的仿真数据
表3本发明的异质结太阳能电池的第二实施例的第一实施方式的仿真数据
表4本发明的异质结太阳能电池的第二实施例的两种实施方式的仿真数据比较
相较于现有技术，由于本发明所采用的n型非晶氧化层的透光度较现有技术的n型非晶硅层更佳，相对于传统的异质结太阳能电池而言，本发明的异质结太阳能电池在开路电压或电流密度方面皆具有显著的提升，从而使得光电转换效率更为优异。再者，由于本发明能在工艺过程中通入氢气，并选择性地搭配溅镀工艺与热退火工艺，并无等离子损伤的问题，所以其结构特性亦能进一步提升。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种异质结太阳能电池，包含：
p型微结晶硅层，具有受光面及相对于该受光面的背光面；
第一纳米银线层，形成在该p型微晶硅层的受光面上；
第一n型非晶氧化层，形成在该纳米银线层上；
i型微晶硅薄膜层，形成在该p型微结晶硅层的背光面上；
第二n型非晶氧化层，形成在该i型微晶硅薄膜层上；以及
第二纳米银线层，形成在该第二n型非晶氧化层上。
2.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池还包括：
i型非晶硅薄膜层，形成于该第一n型非晶氧化层上；
p型非晶硅层，形成在该i型非晶硅薄膜层上；
透明导电层，形成于该p型非晶硅层上；以及
玻璃基板，形成于该透明导电层上。
3.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该i型微晶硅薄膜层及p型微晶硅层为形成时通入氢气的结构，该第一及第二n型非晶氧化层为经热退火处理的结构。
4.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该第一及第二n型非晶氧化层为于100℃至1000℃间进行热退火处理的结构。
5.根据权利要求1所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该第一及第二n型非晶氧化层为含铟、镓、锌或氧的结构。
6.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该透明导电层为含氮化硅、二氧化硅、铟锡氧化物或氧化锌结构。
7.根据权利要求2所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该i型非晶硅薄膜层与p型非晶硅层为形成时通入氢气的结构。
8.一种异质结太阳能电池，包含：
n型非晶氧化层，具有受光面；以及
纳米银线层，形成在该n型非晶氧化层的受光面上。
9.根据权利要求8所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该结构还包括导电端子，形成于该纳米银线层上，且外露出部分的该纳米银线层以构成受光区域。
10.根据权利要求8所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该n型非晶氧化层更具有相对于该受光面的背光面，该异质结太阳能电池还包括：
p型吸收层，形成于该n型非晶氧化层的背光面；
金属背接触层，形成以承载该p型吸收层；以及
基板，形成以承载该金属背接触层。
11.根据权利要求8所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该n型非晶氧化层为含铟、镓、锌或氧的结构。
12.根据权利要求9所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该导电端子为含镍或铝的结构。
13.根据权利要求10所述的异质结太阳能电池，其特征在于，该p型吸收层为含铜、铟、镓或硒的结构。
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