CN107994083B - 太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池，其包括硅基板、射极、第一电极、掺杂区、钝化层、经掺杂的多晶硅层、半导体层以及第二电极。硅基板具有彼此相对的第一表面与第二表面。射极配置于第一表面上。第一电极配置于射极上。掺杂区配置于第二表面中。钝化层配置于第二表面上。经掺杂的多晶硅层配置于钝化层上，其中经掺杂的多晶硅层与钝化层中具有孔洞，且孔洞暴露出部分第二表面。半导体层配置于经掺杂的多晶硅层上以及孔洞中，其中半导体层的能隙大于硅基板的能隙。第二电极配置于半导体层上。

Description

太阳能电池
技术领域
本发明是有关于一种太阳能电池。
背景技术
对于一般常见的穿隧型太阳能电池来说，在制造过程中，通常会在硅芯片的一侧成长氧化硅层来作为穿隧层。然而，此氧化硅层并无法具有良好的钝化特性，因此需进行高温退火工艺来提高钝化质量。
上述的高温退火工艺通常在炉管中进行。在高温的状态下，上述的氧化硅层会增生而导致其厚度超过2nm。如此一来，硅芯片内的载流子便无法经由穿隧机制而自由传输。因此，在进行退火工艺前，可于氧化硅层上形成一层经掺杂的非晶硅层来避免氧化硅层增生。然而，在退火工艺中，经掺杂的非晶硅层会转变成经掺杂的多晶硅层，且同时产生穿透经掺杂的多晶硅层与氧化硅层的孔洞。这些孔洞的产生会使得氧化硅层的钝化能力大幅下降。此外，由于多晶硅的能隙与单晶硅的能隙都接近1.1eV，因此并不利于钝化硅芯片的表面缺陷，因而无法有效地提升太阳能电池的开路电压(Voc)。
发明内容
本发明提供一种太阳能电池，其具有较高的开路电压。
本发明的太阳能电池包括硅基板、射极、第一电极、掺杂区、钝化层、经掺杂的多晶硅层、半导体层以及第二电极。硅基板具有彼此相对的第一表面与第二表面。射极配置于所述第一表面上。第一电极配置于所述射极上。掺杂区配置于所述第二表面中。钝化层配置于所述第二表面上。经掺杂的多晶硅层配置于所述钝化层上，其中所述经掺杂的多晶硅层与钝化层中具有孔洞，且所述孔洞暴露出部分所述第二表面。半导体层配置于所述经掺杂的多晶硅层上以及所述孔洞中，其中所述半导体层的能隙大于所述硅基板的能隙。第二电极配置于所述半导体层上。
本发明的太阳能电池包括第一导电类型的硅基板、第一导电类型的第一掺杂区、第一钝化层、第一导电类型的第一经掺杂的多晶硅层、第一透明导电层、第一电极、第二导电类型的第二掺杂区、第二钝化层、第二导电类型的第二经掺杂的多晶硅层、半导体层以及第二电极。第一导电类型的硅基板具有彼此相对的第一表面与第二表面。第一导电类型的第一掺杂区配置于所述第一表面中。第一钝化层配置于所述第一表面上。第一导电类型的第一经掺杂的多晶硅层配置于所述第一钝化层上，其中所述第一经掺杂的多晶硅层与第一钝化层中具有第一孔洞，且所述第一孔洞暴露出部分所述第一表面。第一透明导电层配置于所述第一经掺杂的多晶硅层上以及所述第一孔洞中。第一电极配置于所述第一透明导电层上。第二导电类型的第二掺杂区配置于所述第二表面中。第二钝化层配置于所述第二表面上。第二导电类型的第二经掺杂的多晶硅层配置于所述第二钝化层上，其中所述第二经掺杂的多晶硅层与第二钝化层中具有第二孔洞，且所述第二孔洞暴露出部分所述第二表面。半导体层配置于所述第二经掺杂的多晶硅层上以及所述第二孔洞中，其中所述半导体层的能隙大于所述硅基板的能隙。第二电极配置于所述半导体层上。
基于上述，在本发明中，由于经掺杂的多晶硅层上以及孔洞中具有能隙大于硅基板的能隙的半导体层，因此能够有效地建立位能障碍来阻止载流子的复合，且可以有效地钝化经掺杂的多晶硅层的表面以及孔洞所暴露的硅基板的表面。如此一来，可以有效地提高太阳能电池的开路电压，以提升太阳能电池的效能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1D为依据本发明实施例的太阳能电池的制造流程剖面示意图。
图2为依据本发明实施例的太阳能电池的剖面示意图。
图3为依据本发明实施例的太阳能电池的剖面示意图。
【符号说明】
10、20、30：太阳能电池
100：硅基板
100a：第一表面
100b：第二表面
102、302：钝化层
104：经掺杂的非晶硅层
106、306：经掺杂的多晶硅层
108、308：掺杂区
110、310：孔洞
112：半导体层
114：射极
116、118、318：透明导电层
120、122：电极
具体实施方式
图1A至图1D为依据本发明实施例的太阳能电池的制造流程剖面示意图。首先，请参照图1A，提供硅基板100。硅基板100例如是硅芯片。硅基板100具有彼此相对的第一表面100a与第二表面100b。在本实施例中，在进行后续工艺之前，可先对硅基板100进行清洗处理。上述的清洗处理例如是使用盐酸及双氧水混合液(HPM)来进行。
然后，于第二表面100b上形成钝化层102。钝化层102例如是氧化硅层，其形成方法例如是对第二表面100b进行氧化处理。钝化层102的厚度例如是介于1nm至3nm之间。钝化层102用以钝化第二表面100b的缺陷，以降低载流子复合的机会。接着，于钝化层102上形成经掺杂的非晶硅层104。经掺杂的非晶硅层104的形成方法例如是进行化学气相沉积工艺。经掺杂的非晶硅层104的厚度例如是介于15nm至300nm之间。经掺杂的非晶硅层104可用以避免钝化层102在后续的退火处理中增生而导致厚度过厚，因而影响载流子的传输。
然后，请参照图1B，进行退火处理，使经掺杂的非晶硅层104转变为经掺杂的多晶硅层106。经掺杂的多晶硅层106在太阳能电池的运作过程中可产生背电场，以降低少数载流子位于硅芯片100的表面处的数量。此外，由于钝化层102上预先形成有经掺杂的非晶硅层104，因此在退火的过程中可有效地避免钝化层102增生，进而避免载流子因钝化层102的厚度过厚而无法传输的问题。在进行退火处理之后，除了使经掺杂的非晶硅层104转变为经掺杂的多晶硅层106之外，经掺杂的非晶硅层104中的掺质也会扩散穿过经掺杂的非晶硅层104与钝化层102而进入硅基板100的第二表面100b中，形成掺杂区108。此时，经掺杂的多晶硅层106与钝化层102中会形成有因退火而造成的孔洞110，且孔洞110所暴露的第二表面100b处会形成有因退火而造成的表面缺陷。孔洞110的孔径例如不超过200μm。在图1B中，孔洞110的数量仅为示意之用，并不用以限定本发明。
接着，请参照图1C，于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中形成半导体层112。半导体层112的形成方法例如是进行化学气相沉积工艺。重要的是，半导体层112的能隙必须大于硅基板100的能隙。详细地说，半导体层112可以是经掺杂的非晶硅、经掺杂的碳化硅、氮化硅或氧化硅，或者半导体层112可以是未经掺杂的非晶硅层。在半导体层112为经掺杂的非晶硅、经掺杂的碳化硅、氮化硅或氧化硅的情况下，半导体层112例如介于5nm至50nm之间。在半导体层112为未经掺杂的非晶硅层的情况下，由于未经掺杂的非晶硅层的阻值较经掺杂的非晶硅层的阻值高，因此未经掺杂的非晶硅层的厚度需较薄，例如小于10nm。一般来说，硅基板100的能隙约为1.1eV，因此半导体层112的能隙较佳为大于1.1eV。
由于半导体层112的能隙大于硅基板100的能隙，因此能够有效地建立位能障碍来阻止载流子的复合。此外，由于半导体层112形成于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中，因此可以有效地钝化经掺杂的多晶硅层106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b，以降低经掺杂的多晶硅层106与及孔洞110所暴露的第二表面100b的表面缺陷所带来的问题。如此一来，可以有效地提高所形成的太阳能电池的开路电压，以提升太阳能电池的效能。
之后，请参照图1D，于硅基板100的第一表面100a上形成射极114。射极114的材料例如为非晶硅，其形成方法例如是进行化学气相沉积工艺。在一实施例中，射极114可以是由未经掺杂的非晶硅层与经掺杂的非晶硅层所构成。特别一提的是，在上述经掺杂的各膜层中，硅芯片100、掺杂区108、经掺杂的多晶硅层106以及半导体层112(在经掺杂的情况下)均为第一导电类型，而射极114则为与上述膜层相反的第二导电类型。举例来说，第一导电类型可为n型，而第二导电类型则为p型。反之，第一导电类型可为p型，而第二导电类型则为n型。
接着，选择性地于半导体层112与射极114上分别形成透明导电层116、118。透明导电层116、118的材料例如是氧化铟锡(indium tin oxide)，其形成方法例如是进行物理气相沉积工艺。透明导电层116、118的厚度例如是介于50nm至150nm之间。之后，于透明导电层116上形成电极120，以及于透明导电层118上形成电极122，以完成本实施例的太阳能电池10的制造。
依据本发明一实施例之太阳能电池如图2所示。在本实施例中，与图1D中相同的组件将采用相同的组件符号。请参照图2，太阳能电池20包括硅基板100、钝化层102、经掺杂的多晶硅层106、掺杂区108、半导体层112、射极114、电极120以及电极122。射极114配置于硅基板100的第一表面100a上。电极122配置于射极114上。掺杂区108配置于硅基板100的第二表面100b中。钝化层102配置于第二表面100b上。经掺杂的多晶硅层106配置于钝化层102上。经掺杂的多晶硅层106与钝化层102中具有孔洞110。孔洞110暴露出部分第二表面100b。半导体层112配置于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中。电极120配置于半导体层112上。上述各组件的材料与尺寸已于前文所描述，于此不再另行说明。
在太阳能电池20中，半导体层112的能隙大于硅基板100的能隙，因此可以有效地建立位能障碍来阻止载流子的复合。此外，由于半导体层112配置于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中，因此可以有效地钝化经掺杂的多晶硅层106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b。如此一来，可以有效地提高所形成的太阳能电池20的开路电压，以提升太阳能电池20的效能。
此外，在另一实施例中，电极122与射极114之间可配置有透明导电层(未绘示)，而电极120与半导体层112之间可配置有透明导电层(未绘示)，以进一步太阳能电池的降低电阻值。上述太阳能电池例如为图1D中的太阳能电池10。
以下将以实验例来说明本发明的太阳能电池所带来的效果。在实验例中，将以太阳能电池10的结构为例进行说明。
太阳能电池的制造
使用HPM(H2O∶HCl∶H2O2＝5∶1∶1)清洗n型硅芯片15分钟；
使用紫外光照射n型硅芯片5分钟，以于n型硅芯片的一个表面上成长二氧化硅钝化层；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，于钝化层上形成厚度为15nm至30nm的n型非晶硅层；
进行炉管退火(850℃)30分钟，以将n型非晶硅层转变为n型多晶硅层，且使n型掺质扩散进入n型硅芯片中而形成n型掺杂区，并同时于n型多晶硅层与钝化层中形成孔洞；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，以于n型多晶硅层上以及孔洞中形成n型非晶硅层；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，以于n型硅芯片的另一个表面上形成未经掺杂的非晶硅层与p型非晶硅层而形成射极；
进行物理气相沉积工艺，以于n型非晶硅层与射极上形成透明导电层；
于n型硅芯片的二侧处的透明导电层上分别形成电极。
将以上述制造流程所形成的本发明的太阳能电池(透明导电层与n型多晶硅层之间具有n型非晶硅层)与一般太阳能电池(透明导电层与n型多晶硅层之间不具有n型非晶硅层)进行开路电压的测试，本发明的太阳能电池的开路电压为693mV，其明显高于一般太阳能电池的开路电压(675mV)。由此可推知，在本发明的太阳能电池中，由于透明导电层与n型多晶硅层之间具有n型非晶硅层(其能隙大于n型硅芯片的能隙)，因此可以提高钝化效果，进而提高了太阳能电池的开路电压。
在以上实施例中，硅基板的一侧具有钝化层与经掺杂的多晶硅层，而硅基板的另一侧具有射极，但本发明不限于此。在其他实施例中，也可以是硅基板的二侧均具有钝化层与经掺杂的多晶硅层。
图3为依据本发明实施例的太阳能电池的剖面示意图。在本实施例中，于图2相同的组件将以相同的组件符号表示，且这些组件的材料与尺寸已于前文所描述，于此不再另行说明。
请参照图3，太阳能电池30包括硅基板100、钝化层102、经掺杂的多晶硅层106、掺杂区108、半导体层112、电极120、电极122、钝化层302、经掺杂的多晶硅层306、掺杂区308以及透明导电层318。在本实施例中，硅基板100、经掺杂的多晶硅层306、掺杂区308为第一导电类型，而经掺杂的多晶硅层106、掺杂区108以及半导体层112(在经掺杂的情况下)为第二导电类型。
掺杂区108配置于硅基板100的第二表面100b中。钝化层102配置于第二表面100b上。经掺杂的多晶硅层106配置于钝化层102上。经掺杂的多晶硅层106与钝化层102中具有孔洞110。孔洞110暴露出部分第二表面100b。半导体层112配置于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中。电极120配置于半导体层112上。
掺杂区308配置于第一表面100a中。钝化层302配置于第一表面100a上。钝化层302与钝化层102具有相同或相似的材料与厚度。经掺杂的多晶硅层306配置于钝化层302上。经掺杂的多晶硅层306的厚度例如是介于15nm至300nm之间。经掺杂的多晶硅层306与钝化层302中具有孔洞310，且孔洞310暴露出部分第一表面100a。孔洞310的孔径例如不超过200μm。透明导电层318配置于经掺杂的多晶硅层306上以及孔洞310中。透明导电层318的厚度例如是介于50nm至150nm之间。电极122配置于透明导电层318上。
在太阳能电池30中，半导体层112的能隙大于硅基板100的能隙，因此可以有效地建立位能障碍来阻止载流子的复合。此外，由于半导体层112配置于经掺杂的多晶硅层106上以及孔洞110中，因此可以有效地钝化经掺杂的多晶硅层106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b。如此一来，可以有效地提高所形成的太阳能电池30的开路电压，以提升太阳能电池30的效能。
此外，在另一实施例中，与太阳能电池10相似，电极120与半导体层112之间可配置有透明导电层，以进一步太阳能电池的降低电阻值。
以下将以实验例来说明本发明的太阳能电池所带来的效果。在实验例中，将以类似于太阳能电池30的结构(电极120与半导体层112之间配置有透明导电层)为例进行说明。
太阳能电池的制造
使用HPM(H2O∶HCl∶H2O2＝5∶1∶1)清洗n型硅芯片15分钟；
使用紫外光照射n型硅芯片5分钟，以于n型硅芯片的一个表面上成长二氧化硅钝化层；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，于钝化层上形成厚度为15nm至30nm的n型非晶硅层；
将所得的结构浸泡于1％的HF溶液中1分钟；
使用紫外光照射n型硅芯片5分钟，以于n型硅芯片的另一个表面上成长二氧化硅钝化层；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，于上述钝化层上形成厚度为15nm至30nm的p型非晶硅层；
进行炉管退火(850℃)30分钟，以将p型非晶硅层与n型非晶硅层分别转变为p型多晶硅层与n型多晶硅层，且使p型掺质扩散与n型掺质分别扩散进入n型硅芯片中而形成p型掺杂区与n型掺杂区，并同时于为p型多晶硅层、n型多晶硅层与二个钝化层中形成孔洞；
将所得的结构浸泡于1％的HF溶液中1分钟；
进行电浆辅助化学气相沉积工艺，以于p型多晶硅层上以及孔洞中形成p型非晶硅层；
进行物理气相沉积工艺，以于p型非晶硅层与n型多晶硅层上形成透明导电层；
于n型硅芯片的两侧处的透明导电层上分别形成电极。
将以上述制造流程所形成的本发明的太阳能电池(透明导电层与p型多晶硅层之间具有p型非晶硅层)与一般太阳能电池(透明导电层与p型多晶硅层之间不具有p型非晶硅层)进行开路电压的测试，本发明的太阳能电池的开路电压为673mV，其明显高于一般太阳能电池的开路电压(650mV)。由此可推知，在本发明的太阳能电池中，由于透明导电层与p型多晶硅层之间具有p型非晶硅层(其能隙大于n型硅芯片的能隙)，因此可以提高钝化效果，进而提高了太阳能电池的开路电压。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
硅基板，具有彼此相对的第一表面与第二表面；
射极，配置于所述第一表面上；
第一电极，配置于所述射极上；
掺杂区，配置于所述第二表面中；
钝化层，配置于所述第二表面上；
经掺杂的多晶硅层，配置于所述钝化层上，其中所述经掺杂的多晶硅层与钝化层中具有孔洞，且所述孔洞暴露出部分所述第二表面；
半导体层，配置于所述经掺杂的多晶硅层上以及所述孔洞中，其中所述半导体层的能隙大于所述硅基板的能隙，所述半导体层的材料为经掺杂的碳化硅；以及
第二电极，配置于所述半导体层上。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述半导体层的厚度介于5nm至50nm之间。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括透明导电层，配置于所述第一电极与所述射极之间。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，还包括透明导电层，配置于所述第二电极与所述半导体层之间。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述孔洞的孔径不超过200μm。
6.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
第一导电类型的硅基板，具有彼此相对的第一表面与第二表面；
第一导电类型的第一掺杂区，配置于所述第一表面中；
第一钝化层，配置于所述第一表面上；
第一导电类型的第一经掺杂的多晶硅层，配置于所述第一钝化层上，其中所述第一经掺杂的多晶硅层与第一钝化层中具有第一孔洞，且所述第一孔洞暴露出部分所述第一表面；
第一透明导电层，配置于所述第一经掺杂的多晶硅层上以及所述第一孔洞中；
第一电极，配置于所述第一透明导电层上；
第二导电类型的第二掺杂区，配置于所述第二表面中；
第二钝化层，配置于所述第二表面上；
第二导电类型的第二经掺杂的多晶硅层，配置于所述第二钝化层上，其中所述第二经掺杂的多晶硅层与第二钝化层中具有第二孔洞，且所述第二孔洞暴露出部分所述第二表面；
半导体层，配置于所述第二经掺杂的多晶硅层上以及所述第二孔洞中，其中所述半导体层的能隙大于所述硅基板的能隙，所述半导体层的材料为经掺杂的碳化硅；以及
第二电极，配置于所述半导体层上。
7.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述的第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。
8.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述半导体层的厚度介于5nm至50nm之间。
9.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，还包括第二透明导电层，配置于所述第二电极与所述半导体层之间。
10.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述第一孔洞的孔径不超过200μm。
11.如权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，其中所述第二孔洞的孔径不超过200μm。
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