CN106910793A - 异质接面太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种异质接面太阳能电池。其主要包含一PN接面结构，具有两个相对表面，其中该PN接面结构由一P型半导体层与一N型半导体层所组成，且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体层的能隙；一第一电极，设置位于该PN接面结构的一表面；以及一第二电极，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面；其中该第一电极的电极图案具有网状形式，该第一电极与第二电极的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。借由具有金属网状形式电极层，该异质接面太阳能电池具有改善其电流特性及提升光电转换效率的特性，且简化制程流程。
Description
技术领域
本发明有关于一种异质接面太阳能电池，特别有关于一种具有网状形式的电极层的硅基异质接面太阳能电池。
背景技术
按，目前由于国际能源短缺，而世界各国一直持续研发各种可行的替代能源，而其中又以太阳能发电的太阳电池最受到瞩目。目前，以硅晶做成的太阳能电池的转换效率，因其仅能吸收1.1 电子伏特以上的太阳光能的限制、反射光造成的损失、材料对太阳光的吸收能力不足、载子在尚未被导出之前就被材料中的缺陷捕捉而失效，或是载子受到材料表面的悬浮键结捕捉产生复合等诸多因素，皆使其效率下降。因此，现在市售硅晶太阳能电池的转换效率仅约15 ％，即表示硅晶太阳能电池的高效率化其实还有相当大的空间。其中，太阳能电池高效率化的基本原理就是结合不同能隙的发电层材质，把它们做成叠层结构。
参照美国公告专利第5,213,628号，标题为：光伏元件 (Photovoltaic
device)，其主要揭示一种结合不同能隙的太阳能电池，借由加入非晶硅本质半导体，增加太阳能电池的载子寿命，减少电子电洞复合机率，提高光电流转换效率。
参照美国公告专利第7,164,150号，标题为：光伏元件及其制作方法(Photovoltaic device and manufacturing method thereof)，其主要揭示一种太阳能电池的结构与制程方式。该电池配置一透明导电膜于背电极及光电转换层之间，以使入射光反射回光电转换层中进行再作用，借以改善电流特性并增加电池整体的光电转换效率。
参照美国公告专利第9,060,434号，标题为：具有一金属微影基板的电子显示器(Electronic displays and metal micropatterned substrates
having a graphic)，其主要揭示一种透明导电层的结构与制程方式。该透明导电层为一金属网格，借由改变其金属线宽、厚度以及排列形式，以使该透明导电层的透光性与导电性具有可调整的性质。
参照美国公告专利第6,878,921号，标题为：光伏元件与其制作方法(Photovoltaic device and manufacturing method thereof )。如图1所示，其主要揭示一种硅基异质接面太阳能电池，使用铟锡氧化物(In2O3:SnO2，ITO)透明导电膜作为电流分散层，以提升其电流特性及提升光电转换效率的特性。
对于太阳电池所应用的透明导电膜而言，铟锡氧化物(ITO)一直是主流材料，然而铟矿稀少并且昂贵，且在氢电浆中抵抗力弱，因此未来势必要研发取代材料。另一方面，目前ITO的制程以溅镀法为主，其所制备出的薄膜过于平坦，必需再经过蚀刻制程才具有粗糙的表面纹理结构，方能为太阳能电池所用。
然而，上述异质接面太阳能电池，必须具有透明导电膜作为电流分散层，并包含一电极将电流取出。因此在制作上，需要更多的制程步骤，增加制造成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种异质接面太阳能电池，以金属网状形式的电极层作为电流分散层与电流取出结构，借此提高光入射量，有效提升其电流特性及提升光电转换效率，并减少了制程步骤，降低制造成本。
本发明提供的异质接面太阳能电池，包含：
一PN接面结构，具有两个相对表面，其中该PN接面结构由一P型半导体层与一N型半导体层所组成，且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体层的能隙；
一第一电极，设置位于该PN接面结构的一表面；以及
一第二电极，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面；
其中该第一电极的电极图案具有网状形式，该第一电极与第二电极的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。
作为优选技术方案，该第二电极的电极图案具有网状形式。
作为优选技术方案，该第一电极与该第二电极的材料为银。
作为优选技术方案，该第一电极与该第二电极的材料为铜。
作为优选技术方案，该第一电极的电极图案的网状线宽介于1微米至3微米之间。
作为优选技术方案，第一电极与第二电极的可见光可穿透的开放面积具有98%以上。
作为优选技术方案，第一电极与第二电极的片电阻率介于1Ω/□至8Ω/□之间。
作为优选技术方案，该PN接面结构由硅材料组成。
优选地，上述的异质接面太阳能电池，更包含：一第一取出电极以及一第二取出电极，该第一取出电极设置于该第一电极之上，且该第二取出电极设置于该第二电极之上。
优选地，上述的异质接面太阳能电池，更包含：该第一取出电极与该第二取出电极的电极线宽介于100微米至2000微米之间。
综上所述，本发明的异质接面太阳能电池具有下列优点：
1.由于减少遮蔽面积，可有效增加入射光，以提升光电效能。
2.由于降低片电阻，有效提升其电流特性及提升光电转换效率。
3.由于不需额外的电极，因此减少了制程步骤，降低制造成本。
附图说明
图1显示为硅基异质接面太阳能电池的现有技术剖面图；
图2显示为本发明异质接面太阳能电池的第一实施例剖面图；
图3显示为本发明作为电极的网状形式的上视示意图；
图4显示为本发明异质接面太阳能电池的第二实施例示意图。
附图标记说明：
100 硅基异质接面太阳能电池；
110 基板；
111 第一糙化表面；
112 第二糙化表面；
120 第一本质非晶硅层；
130 P型半导体层；
140 第二本质非晶硅层；
150 N型半导体层；
160 第一取出电极；
170 第二取出电极；
180 第一电极；
190 第二电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
现请参照图2，其显示为根据本发明的第一实施例中，所揭示的一种异质接面太阳能电池100，其主要包含：一基板 110；；一半导体层 130；一第一电极180；一第二电极 190。
该基板 110选自P型半导性基板、N型半导性基板、P型硅基板以及N型硅基板之一。较佳地，该基板 110选自N型半导性硅基单晶基板，但并不限，该基板 110选自N型半导性III-V单晶基板。
此外，本发明的基板 110更具有一第一糙化表面111以及一第二糙化表面112。在一较佳实施例中，第一糙化表面111以及第二糙化表面112的表面粗糙度介于10纳米至80纳米。
该半导体层 130的导电性是相对于该基板 110的导电性。举例来说，若该基板 110选自N型半导性基板，则该半导体层 130的导电性则为P型半导体层。
在一实施例中，该半导体层 130的导电性则为P型半导体层，配置于具有N型半导性的该基板 110上。该半导体层 130其氧含量介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间。其中，在原本质材料中加入杂质（Impurities）用以产生多余的电洞，以电洞构成多数载子的半导体，则称之为P型半导体层。例：就硅或锗半导体而言，在其本质半导体中，掺入3价原子的杂质时，即形成多余的电洞，且该电洞为电流的运作方式。
其中，该半导体层 130的制程可选用电浆增强型化学式气相沉积制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高频电浆增强型化学式气相沉积（Very high frequency-plasma enhance chemical
vapor deposition, VHF-PECVD）制程作为主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen,
H）、氩气（Argon, Ar）等气体作为制程气体。
该半导体层 130的掺杂方式于本发明中采用可选用气体掺杂、热扩散法（Thermal diffusion）、固相结晶化（Solid
phase crystalline, SPC）或准分子激光退火（Excimer laser
anneal, ELA）等制程作为主要的制程方式。此外，该半导体层 130选自非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。
在一实施例中，该半导体层 130的导电性则为P型非晶硅半导体层，配置于具有N型半导性单晶硅的该基板 110上，以形成一PN接面结构。该第一电极180，设置位于该PN接面结构的一表面；以及该第二电极190，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面。
该第一电极180的电极图案具有网状形式。该第二电极190的电极图案亦可以具有网状结构形式，但并不限定。
金属网格(Metal Mesh)是一种形状看起来像极细金属线组成的网状金属，其材料可以是各种纳米级金属材料，其可通过网格的间隙与格线的面积比来调控其光穿透度，并将格线线度降至微米，甚至次微米的尺度，以改善视觉的效果。并且，金属网格在固定透光度下，其可借由调控金属线的厚度来改变片电阻率，其范围约可为0.01~3000Ω/□，其中片电阻率最低可达0.01Ω/□的特点，使其成为目前导电度最佳的透明导电膜。
在一实施例中，本发明以具有网状形式的金属做为异质接面太阳能电池的电极层，其具有高透光性与导电性，并且具有网状形式的金属本身即具凹凸不平的粗糙纹理结构，不需要再经过蚀刻程序即可为太阳能电池所使用，借此达成太阳能电池的量产。
需注意的是，过去具有网状形式的金属做为透明导电膜时，制作于玻璃或软性基板之上，因此，其制程要求并不同于制作于半导体性的薄膜或基板上。以下说明其技术特征。
在本发明的实施例中，该第一电极180具有网状形式，且该第一电极180的材料为可选用纯金属、金属化合物、金属氧化物。金属可包含金、银、铜、镍、铝及其合金。金属氧化物可以是氧化铟、氧化锌、氧化锡及其组合。
其中，第一电极180为金属氧化物，制程方式可选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、电弧电浆沉积法、湿式化学法、化学气相沉积法以及印刷法中的任何一种制程。
现请参照图3，其显示为根据本发明的第一实施例中，所揭示的第一电极180的网状形式结构的上视示意图，其中较佳，第一电极180为具有网状形式的金属，较佳为银或铜。需注意的是，当第一电极180为银时，其制程选自于印刷法；当第一电极180为铜时，其制程选自于电镀法。
该第一电极180的电极图案的网状线宽介于1微米至8微米之间，且两条近似平行的网状线与网状线的距离介于20微米至200微米之间。借此，未被该第一电极180遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有95%以上，且该第一电极180本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。较佳地，该第一电极180的电极图案的网状线宽介于1微米至3微米之间，且两条近似平行的网状线与网状线的距离介于20微米至40微米之间。借此，未被该第一电极180遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有97%以上，且该第一电极180本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。
该第一电极180的表面粗糙度介于3纳米至10纳米之间。该第一电极180的厚度为500纳米以下。该第一电极180的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。较佳地，该第一电极180的片电阻率介于1Ω/□至8Ω/□之间。
在本发明的实施例中，该第二电极190可以具有网状形式，亦可以不具有网状形式，亦即是该第二电极190整面涂布整个该PN接面结构的一表面。
该第二电极190的材料为可选用纯金属、金属化合物、金属氧化物。金属可包含金、银、铜、镍、铝及其合金。金属氧化物可以是氧化铟、氧化锌、氧化锡及其组合。
其中，第二电极190为金属氧化物，制程方式可选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、电弧电浆沉积法、湿式化学法、化学气相沉积法以及印刷法中的任何一种制程。
其中较佳，第二电极190为具有网状形式之金属，较佳为银或铜。需注意的是，当第一电极180为银时，其制程选自于印刷法；当第一电极180为铜时，其制程选自于电镀法。
该第二电极190的电极图案的网状线宽介于1微米至8微米之间，且两条近似平行的网状线与网状线的距离介于20微米至200微米之间。借此，未被该第二电极190遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有95%以上，且该第二电极190本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。较佳地，该第二电极190的电极图案的网状线宽介于1微米至3微米之间，且两条近似平行的网状线与网状线的距离介于20微米至40微米之间。借此，未被该第二电极190遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有97%以上，且该第二电极190本身的平均光可穿透率至少具有95%以上。
该第二电极190的表面粗糙度介于3纳米至10纳米之间。该第二电极190的厚度为500纳米以下。该第二电极190的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。较佳地，该第二电极190的片电阻率介于1Ω/□至8Ω/□之间。
由于该第一电极180与该第二电极190在该异质接面太阳能电池100的表面分布的区域平均。在此设计下，可以不需要有额外的取出电极，封装的串并联的引线可以直接接触到该第一电极180与该第二电极190，可以将该异质接面太阳能电池100所产生的光电流取出。因此，本发明的技术特征具有降低制程步骤与成本的功效。
另外，该第一电极180与该第二电极190设置于该异质接面太阳能电池100的表面时，需注意到该第一电极180与该第二电极190对于该异质接面太阳能电池100的表面的接触电阻必须尽可能降低，以避免整流接面特性，亦即是该基板 110与该半导体层 130的电阻系数需控制在10欧姆·公分以下。
在该第一实施例中，该异质接面太阳能电池100更包含：一第一取出电极 160以及一第二取出电极 170。该第一取出电极 160与该第二取出电极 170为了更方便封装时，强化封装的串并联的引线与该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的接触强度。
第一取出电极 160设置于该第一电极180之上，且与该第二取出电极 170设置于该第二电极190之上。该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的电极线宽介于100微米至2000微米之间。图中，虽然仅显示两条第一取出电极 160，与两条该第二取出电极170，但实施时，并不限于两条，较佳地，该第一取出电极 160与该第二取出电极 170具有至少两条以上的电极线，电极线的数量介于2条至20条以间。该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的电极线宽越小时，电极线的数量越多；反之，当该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的电极线宽越大时，电极线的数量越少。借此，未被该第一取出电极 160与该第二取出电极 170遮蔽的光可穿透的开放面积至少具有95%以上。
该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的材料为可选用纯金属与金属化合物。金属可包含金、银、铜、镍、铝及其合金，制程方式可选自于蒸镀法、溅镀法、电镀法、电弧电浆沉积法、湿式化学法以及印刷法中的任何一种制程。该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的电阻介于0.1Ω至5Ω之间。
现请参照图4，其显示为根据本发明的第二实施例中，所揭示的一种异质接面太阳能电池100，其包含：一基板 110；一第一本质非晶硅层120；一第一半导体层 130；一第一电极180；一第二本质非晶硅层140；一第二半导体层150；以及一第二电极190。
该第二实施例大致相似于第一实施例，其主要差异在于，该异质接面太阳能电池100更包含：一第一本质非晶硅层120；一第二本质非晶硅层140以及一第二半导体层150。亦即是，在该基板 110与该第一半导体层 130之间，更包含一第一本质非晶硅层120。该基板 110与该第二电极190之间，更依序包含一第二本质非晶硅层140；一第二半导体层150。亦即是，该基板 110与该第二半导体层150之间，包含该第二本质非晶硅层140。
该第二实施例的该基板 110、该第一电极180与该第二电极190相同于该第一实施例的该基板 110、该第一电极180与该第二电极190，且该第二实施例的该第一半导体层 130相同于该第一实施例的该半导体层 130。亦即特征相同于上揭第一实施例所述，因此在此不再赘述。
第一本质非晶硅层120配置于该基板 110的第一糙化表面111上，特别是设置于该基板 110与该第一半导体层 130之间，其氢含量介于3%至10%之间。
第二本质非晶硅层140配置于该基板 110的第二糙化表面112上，是相对于在该基板 110上相对该第一本质非晶硅层120的另一面。特别是设置于该基板 110与该第二半导体层 150之间，其氢含量介于3%至10%之间。
其中，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140的制作材料可选用非晶硅、非晶硅锗、纳米晶硅、微晶硅、微晶硅锗、多晶硅与多晶硅锗之一。此外，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140可用以形成量子局限效应，借以改良电特性，以增加可吸收的入射光能谱范围。
第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140可选用电浆增强型化学式气相沉积制程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition,
PECVD)、热丝化学气相沉积法(Hot-wire chemical vapor deposition, HW-CVD)或特高频电浆增强型化学式气相沉积（Very high frequency-plasma enhance chemical
vapor deposition, VHF-PECVD）制程作为主要制程方式，并通入硅化合物（Silicide）气体如硅烷（silane, SH4）并混和氢气（Hydrogen,
H）、氩气（Argon, Ar）等气体作为制程气体。于本发明的较佳实施例中，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140的厚度介于5纳米至20纳米之间，且氢含量皆介于3%至7%之间。需注意，氢含量的不同将影响光电转换特性。此外，第一本质非晶硅层120与第二本质非晶硅层140亦可用以填补P型半导体层 130与基板 110接面处或N型半导体层 150与基板 110接面处发生的缺陷，以增加转换效率。
在该第二实施例中，该第一半导体层 130的导电性则为P型非晶硅半导体层，配置于具有N型半导性单晶硅的该基板 110上，以形成一PN接面结构。
因此，该第二半导体层 150为N型半导体层，配置于该第二本质非晶硅层140上，且其氧含量介于5×1018至1×1017原子/立方公分之间。其中，该第二半导体层 150指在本质材料中加入的杂质可产生多余的电子，以电子构成多数载子的半导体。例如，就硅和锗半导体而言，若在其本质半导体中掺入5价原子的杂质时，即形成多余的电子。其中，电子流以电子为主来运作。
该第二半导体层 150的掺杂方式可选用于气体掺杂热、准分子激光退火、固相结晶化、扩散法或离子布植法作为主要制程方式。在一实施例中，该第二半导体层 150选自非晶硅、非晶硅锗、非晶碳化硅以及纳米晶硅之一。
与该第一实施例相似，在该第二实施例中，该异质接面太阳能电池100更包含：一第一取出电极 160以及一第二取出电极 170。该第一取出电极 160与该第二取出电极 170为了更方便封装时，强化封装的串并联的引线与该第一取出电极 160与该第二取出电极 170的接触强度。在此不再赘述。
本发明的基板 110所具有的粗糙化表面用以增加入射光的散射率，借由增加入射光的散射率，可增加光补限 (light-traping) 的效率，改良电特性。第一本质非晶硅层120、P型半导体层 130、一第二本质非晶硅层140、一N型半导体层150亦具有粗糙化表面，其功能与基板 110所具有的粗糙化表面功能相同。
需注意，当基板为N型硅基板时，则照光面为P型半导体层，且N型半导体层与第二本质非晶硅层则可形成背向表面电场(Back Surface
Field，BSF)的效果。反之，当基板为P型硅基板时，则照光面为N型半导体层 ，且P型半导体层与第一本质非晶硅层则可形成背向表面电场的效果。
本发明的一较佳实施例中至少有一制程气体经过纯化步骤，以减少该制程气体中氧气含量。制程气体中氧气含量过多将会在沉积的薄膜结构中产生过多氧空缺，造成太阳能电池中的载子移动率降低，进而使发电效率降低。借由进行纯化气体的步骤，该较佳实施例中成长的薄膜的氧气浓度低于5×1018原子/立方公分。需注意的是，本发明所揭示的异质接面太阳能电池 100，不仅适用于单一单元电池，更可实施于模块化的太阳能电池制程。
综上所述，根据本发明之异质接面太阳能电池 100，本发明以金属网状形式的电极层作为电流分散层与电流取出结构，使所制备的太阳能电池具有下列优点：
1.由于减少遮蔽面积，可有效增加入射光，以提升光电效能。
2.由于降低片电阻，有效提升其电流特性，提升光电转换效率。
3.由于不需额外的电极，因此减少了制程步骤，降低制造成本。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种异质接面太阳能电池，其特征在于，包含：
一PN接面结构，具有两个相对表面，其中该PN接面结构由一P型半导体层与一N型半导体层所组成，且该P型半导体层的能隙不同于该N型半导体层的能隙；
一第一电极，设置位于该PN接面结构的一表面；以及
一第二电极，设置位于该PN接面结构且相对于该第一电极的另一表面；
其中该第一电极的电极图案具有网状形式，该第一电极与第二电极的片电阻率介于0.1Ω/□至50Ω/□之间。
2.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第二电极的电极图案具有网状形式。
3.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极与该第二电极的材料为银。
4.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极与该第二电极的材料为铜。
5.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该第一电极的电极图案的网状线宽介于1微米至3微米之间。
6.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，第一电极与第二电极的可见光可穿透的开放面积具有98%以上。
7.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，第一电极与第二电极的片电阻率介于1Ω/□至8Ω/□之间。
8.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，该PN接面结构由硅材料组成。
9.如权利要求1所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，更包含：一第一取出电极以及一第二取出电极，该第一取出电极设置于该第一电极之上，且该第二取出电极设置于该第二电极之上。
10.如权利要求9所述的异质接面太阳能电池，其特征在于，更包含：该第一取出电极与该第二取出电极的电极线宽介于100微米至2000微米之间。
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|---|---|---|---|---|
| CN107658348A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-02-02 | 贵州大学 | 硅基微纳光伏结构及其光子制备方法 |
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2015
- 2015-12-18 CN CN201510949605.XA patent/CN106910793A/zh active Pending
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