TW201001731A - Photovoltaic device and method of manufacturing a photovoltaic device - Google Patents
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Description
201001731 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 轉明係有_絲打I置及其製備之領域,且尤係 關於薄财基太陽能電池和具有所謂的串接接面(加如 靡chon)結構之分子以及㈣於太陽能電池整體製程之 改良。 [本專利申請案名詞定義] 矽(^c_Si LJUI^A^JL晶形 nc-si : in itftAA化非晶矽(a-Si : Η)材料 本發明說明及中請專利範圍中,氫化微晶%係理解為 具有至少5體積%之結晶性(截埋於氫化非晶石夕之大約多孔 基質中之微晶(crystallite))的材料。微晶粒具有長度範 圍5nm至l〇〇nm以及垂直於其長度之直徑。 具有v於所述5體積%結晶性之氫化石夕材料則視為氯 化非晶石夕。 二 〃涉及光伏打裝置中作為i層材料之氫化微晶石夕的特性 係在於在800nra波長之絕對外部量子效率及至少5%的零偏 壓。而涉及前述光伏打裝置中作為i層材料之氯化非㈣ 則顯示在800nm波長之絕對内部量子效率及低於⑽之零偏 壓。 本質(intrinsic): 若層或材料為半導體且費米能階(Fermi_level)至少 實質上位於其價帶與導電帶之中間部位,亦即中間隙 (midgap),則稱為本質的。並未主動或非主動進行摻雜。 94669 4 201001731 實質上本質的: 此外,如前述定義為“本質”的層或材料,“實質上 本質”的層或材料額外包含主動地及/或非主動地補償半 導體層或材料,亦即經主動及/或非主動摻雜之層和材料的 費米能階係至少大約在中間隙。 I層: 此術語係用以指稱貫質上本質的層。 【先前技術】 光伏打裝置亦稱為光電轉換裝置,或更具體而言,係 稱為太陽能電池(當源自於太陽的光被轉換時),光伏打裝 置係將光(尤其是太陽光)轉換成直流(DC)電力的裝置。 就低成本量產而言,係以薄膜太陽能電池為主流。 太陽能電池層堆疊(亦即用以轉換光伏打或可轉換光 伏打之層序列)係沉積為接續的薄膜層。通常,係以如PVD (物理氣相沉積)、CVD (化學氣相沉積)、PECVD (電衆增強化 學氣相沉積)、LPCVD(低壓 CVD)、熱線 CVDOJot-Wire CVD) 之真空沉積製程進行沉積,該真空沉積製程的全部或大部 分係用於半導體技術上。 薄膜太陽能電池一般包含第一電極(如接觸層)、一個 或多個半導體薄膜p-i-n或n-i-p堆疊以及第二電極(如另 一接觸層),該些層係連續地堆疊在基材上。每個p- i -η或 n- i -ρ堆疊包含夾置於ρ摻雜層及η摻雜層之間之i層。 該i層佔據薄膜p- i -η或n- i -p堆疊厚度之主要部份。光 伏打轉換主要發生在該i層。 5 94669 201001731 第1圖之先則技術顯示光伏打電池40包括透明美材 41’例如其上沉積有透明導電氧化物⑽)層之玻璃^層 亦稱為前接觸“F/C”且作為第一電極。接續的層堆疊4曰3 包括二層,p-i—n。鄰接於了⑶前接觸42之層44為正一p_ 摻雜,接續的層45為實質上本質(intrinic)的,而接 之層46為負-n—摻雜。 於另-具體實施例中,所述之層序心十n可被倒置 二:P。此係當光對堆疊之照射方向為相反時而達成。 t 為不透_且接觸層42則引起反射。 層:為η推雜的、層45為至少實 層46為ρ摻雜的。 儿 該電池包含第二接觸層47。於第】 · Μ Φ , a A7 τ a, ^ j 、第1圖所不之P-i ~n組 ,." 由乳辞(Zn〇)、氧化錫(SnOO、或IT0(氣 化銦錫)所製得,且接著為反射層48。 (氧 射層!δΓ1_ρ組構中’第二接觸層為透明的且未設置有反 就說明之目的而言’箭號係指 材背面照射之組構)之照射光。 η、,且構(亦即光自基 太陽能電池係視i層之材 電池曰# _ 4、、、°構而稱為非晶形氨化 电必:¾锨日日形虱化矽電池,而盥 7 料結構無關。 〃及11払雜層的材料和材 現今,所謂之串接接面太陽 接接面太陽能電池(亦稱為串接電2漸成為主流。串 膜單電池彼此堆疊之電池。據此,具二t有至少兩個薄 /、有光°普不同之轉換效 94669 6 201001731 率之電池可被結合,用以相較於每個單電池之光譜效率而 產生在較廣光譜頻帶中有效的整體光譜轉換效率。該單電 池之靈敏度光譜可能彼此不同或在某種程度上彼此重疊。 習知技術係將非晶形氮化紗電池與微晶形氮化秒電池結 合,在後者較前者對太陽光之較長波長敏感時。 第2圖顯示此種習知串接結構50。於類似於第1圖單 電池之p-i-n組構中,該串接結構50包括基材41、作為 第一電極之透明導電氧化物TCO層42、類似於第1圖電池 ^ 層堆疊之三層44、45、46的p-i-n堆疊43、作為第二電 極之背接觸層47以及反射層48。性質及條件大致上係如 上述之第1圖的電池:即i層係實質上本質的微晶形氫化 石夕。 串接電池50進一步包括p-i-n層52、53、54的第二 堆疊51,其分別為p摻雜、實質上本質的(i-形式)及η摻 雜。p-i-n堆疊51之i層為非晶形氫化矽。第2圖中,二 個堆疊51及43為用於將光照射在基材41背面上之p-i-n 組構。若照射光之方向相反,則以n- i -p組構實現堆疊, 且該堆疊51及43的順序係相對於目前之不透明基材而倒 置。 本發明之目的在於提供一種所述之串接電池、提供一 種增加光伏打轉換效率之個別轉換器面板以及提供一種製 造此種電池及面板之方法。 【發明内容】 本發明之目的係如申請專利範圍之裝置及方法達成。 7 94669 201001731 光伏打裝置包括基材;沉積於該基材上之第一接觸 層;沉積於該基材上之第二接觸層;該第一接觸層及第二 接觸層之間的第一層堆疊,該第一層堆疊包括第一 p摻雜 層、第一至少實質上本質的非晶形氫化矽層、以及第一 η 摻雜層;該第一接觸層及第二接觸層之間的第二層堆疊, 該第二層堆疊包括包括第二ρ推雜層、第二至少實質上本 質的微晶形氫化矽層、以及第二η摻雜層;其中,該第一 至少實質上本質的非晶形氫化矽層的厚度介於160nm至 400nm,且該第二至少實質上本質的微晶形氫化矽層的厚度 介於1 // m至2 /z m。 已發現此種方式達成特別高的初始效率及特別高的穩 定化效率。 於一具體實施例中,該第一接觸層實質上是由TC0製 得。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中,該第一至少實質上本質層係氫化矽之本質非晶層。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中,該第二至少實質上本質層係氫化矽之本質微晶層。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中,沿著入射光之方向,層的順序為第一接觸層、第一 ρ 摻雜層、第一至少實質上本質的非晶形氫化矽層、第一 η 摻雜層、第二Ρ摻雜層、第二至少實質上本質的微晶形氫 化矽層、第二η摻雜層、第二接觸層。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 8 94669 201001731 中,該第一至少實質上本質層及第二至少實質上本質層的 厚度總合係小於2 /z m。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中,該第二接觸層包括尤其實質上由TC0所組成者。尤其, 此TC0係ZnO,其亦可有效地供該TC0作為第一接觸層。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例中, 該第一至少實質上本質層的厚度為250nm或230nm。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 一 中,該第二至少實質上本質層的厚度為1. 28/zm。 於一個具體實施例中,該基材為市售可得之可能T⑶ 預塗佈之玻璃,且該第一至少實質上本質層的厚度為210 nm,該第二至少實質上本質層的厚度為1.41#m。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中’該基材為透明基材’尤其是玻璃基材。 於可與前述一個或多個具體實施例結合之具體實施例 中,該第一及第二層堆疊係以PECVD的手段沉積。 光伏打轉換器面板包括至少一個如本發明之光伏打電 池,尤其是有許多個本發明之光伏打電池。 於一個具體實施例中,光伏打轉換器面板具有至少 2500cm2之表面積,尤其是至少1.4m2之表面積。 製造光伏打裝置的方法包括下列步驟: 提供基材,在該基材上沉積有第一接觸層; 以預定之順序進行沉積: 藉由沉積第一 P摻雜層、第一至少實質上本質的非晶 9 94669 201001731 形氫化石夕層及第一 η摻雜層之第一層堆疊; 藉由沉積第二Ρ摻雜層、第二至少實質上本質的微晶 形氫化矽層及第二η摻雜層之第二層堆疊; 沉積第二接觸層; 其中,實施沉積使第一至少實質上本質層的厚度介於 160 nm至400nm之間,而第二至少實質上本質層的厚度介 於l//m至2;am之間。 於該方法之一具體實施例中,該方法包括例如藉由沉 積或設置ZnO層而沉積或設置TC0層於該基材上之步驟。 於一具體實施例中,實施沉積使第一至少實質上本質 層的厚度為250nm,而第二至少實質上本質層的厚度為 1. 28 m。 再者,由附屬請求項及後述的實例說明,本發明之進 一步具體實施例及優點對於熟悉該項技術者已變為相當明 顯。 【實施方式】 本發明係有關於薄膜光伏打裝置,尤其是太陽能電池 面板,以及關於其製造方法。雖然能應用至其他光伏打裝 置,但我們現在將稱為太陽能電池。太陽能電池面板可被 用於,例如,建築應用上。本文以透過第2圖說明太陽能 電池之串接結構。此種結構一般結合a-Si : Η及//c-Si : Η太陽能電池,即分別地,包含非晶形氫化石夕之i層的p- i -η 或n-i-p堆疊,及包含微晶形氫化石夕之i層的p-i-n或 n-i-p堆疊〇 20 94669 .201001731 ㈣技術領域中具有通常知識者㈣ 電池溥膜半導體電池中 在太%月匕 層之間。 1層係文置於P摻雜層摻雜 用於太陽能電池面板之基材可為任何適 接收電性導電接觸及後娣厚 於 後、,層堆s。錄材-般為平坦的且 、、玻璃-陶究、料、或其他玻璃類的材料Γ如聚 ::::塑私、如鋁’、鈦、鉻、鐵等薄膜之金屬膜: 25有效生產太陽能電池面板的目#,故期望能作到標 皁。目則市場上較常見之一種尺寸係以具有範圍為】 χ1·3ιπ之的破璃基材為主。然而,本發明不受限於此 種尺寸,而且可成功地應用至其他尺寸及形狀,例 形或正方形。 乃 本文所述之製造製程會產生高轉換效率()之串接電 池結構。如第2圖所示之結構’玻璃基材41上已沉積: 所製得之⑽層42。隨後,則沉積帶有本質的非晶形 氫化石夕層之p-i-n堆疊51,接著,則是沉積帶有本質的微 晶形氫化矽層之p-i-n堆疊43。之後,敷設另一 TC〇層作 為背接觸47。非晶形氫化石夕本質層具有25〇nm的厚度,微 晶形氫化矽本質層則具有L28yara的厚度。串接電池的初 始效率77i = 11.16%以及穩定效率”#9.⑽。 當使用市售可得之TC0預塗佈玻璃時,可達成 11. 16%之初始效率。在此例中,非晶形氫化矽本質層的厚 度為210nm而微晶形氫化矽本質層的厚度為 層堆疊51及43的沉積製程則是使用και PECVD沉積 94669 11 201001731 系統來執行,如市面上可從〇er丨i k〇n s〇 Ur取得。Zn〇(丁⑶) 層係沉積在系統TC〇 1200上,該系統TCO 1200也是來自 Oerlikon Solar ° 再者’帶有非晶及微晶單元之串接式太陽能電池(稱為 非晶/微晶堆疊式矽薄膜太陽能電池(micr〇m〇rph tandems))係於KAI-M反應器中製備,該電池顯示12. 1%的 初始效率。將此種非晶/微晶堆疊式矽太陽能電池的尺寸向 上縮放(叩-scaling)至微型模組(mini-module)及1如2 面積的模組已獲致顯著的高效率。 表1簡述分別具有作為前TC0(如第2圖元件符號42) 之 Asahi Sn〇2 及 LPCVD 沉積之 ZnO 之 lm2 面積 a、si : H/ //c-Si:H串接電池的AMI. 5電流-電壓結果。在具有Asahi Sn〇2的結果中,達成顯著的12. 1%的初始電池效率,而在具 有ZnO之例子中則達到11. 8%。 表1 電池類型 Voc(V) Jsc(mA/cm2) -----------— V Asahi Sn〇2 : # 2065 1. 363 12. 13 12. 13 # 2072 1. 345 12. 27 12. 11 LPCVD ZnO : # 2024 1. 332 12. 21 Π. 81 #2149 1. 389 11.42 11. 84 表1 :分別以LPcvd沉積之ZnO及Asahi Sn〇2達成之非晶/ 微晶堆疊式矽電池的AM1.5電流-電壓太陽能電池初始特 性。(Voc ··開路電壓;Jsc :短路電流密度。) 94669 12 201001731 一個1.4m2之模組達成125.8 W的初始電力(參見第3 圖)。因為此模組可由相當薄之厚度230nm的微晶形氫化矽 本質層獲得,故預期會有約110 W之穩定模組電力。本質 層的整體厚度係低於2//m。 【圖式簡單說明】 以下,透過實施例及圖式更詳細地敘述本發明,圖式 顯示: 第1圖係現有技術之單接面光伏打裝置或太陽能電池 之剖面示意圖; 第2圖係本發明之串接接面光伏打裝置或串接太陽能 電池之剖面示意圖; 第3圖係本發明之a-Si : H/ // c-Si : Η串接太陽能電 池之電壓-電流圖。 所述之具體實施例意指實例且不應限制本發明。 【主要元件符號說明】
40 41 42 43 44 、 45 、 46 、 52 、 53 、 47 48 50 光伏打電池 基材 前接觸、接觸層 堆疊 層 第二接觸層、背接觸層 反射層 串接結構、串接電池 堆疊 13 94669 51
Claims (1)
- 201001731 七、申請專利範圍: 1. 一種光伏打裝置,包括: 基材; "匕積於该基材上之第一接觸層; ’ 儿積於該基材上之第二接觸層; 亥第一接觸層及第二接觸層之間具有: 一第層堆登,該第一層堆疊包括第一p接雜居 一至少實質上本質的非晶形氫化矽 θ 層; τ η摻雜 一至!堆疊,該第二層堆疊包括第二ρ摻雜層、第 ;至)貫質上本質的微晶形氫切層以及第二η = π, 160 王4uunm之間,而該第二 度介於1«至2_之間。負本質的層之厚 2.,申μ專利範㈣〗項之光伏打裝置,其中,节第— >、實質上本質的層及該第二至少 至 度的總和料於2_。 、質本貝的層之厚 3·如申請專利範圍第】或2項之光伏打 一至少實質上本質的犀之严声丸刊、/、中,該第 4如由咬“,外 尽度為230_或25—。 申明專利範圍第】至3項中 ψ , ^ ^ < 一項之光伏打裝置,Α 铲,该弟二至少實質上本 r亙其 5.如申音主糞剎> 、、_之谷度為J. 28# m。 材2項之光伏打裳置,盆中,” 才為市。可得之T⑶預塗佈麵,且其中,該第―至^ 94669 14 201001731 貫貝上本質的層之厚度為21〇nm,以及該第二至少實質 上本質的層之厚度為1.41# m。 ,6.如申請專利範圍第1至4項中任一項之光伏打裝置,其 中’該基材為玻璃基材。 7.如申凊專利範圍第1至6項中任一項之光伏打裝置,其 中’该第一及第二層堆疊係以pECVD沉積。 -8.:種光伏打轉換器面板,包括至少—個如中請專利範圍 , 第1至7項中任一項之光伏打電池。 9·如令請專利範圍第8項之光伏打轉換器面板,係 少250〇cm2之表面積。 、另 種^光伏打裝置之方法,該方法包括下列步驟: 提供沉積有第—接觸層於其上之基材; 以預定的順序沉積於其上: 曰开摻雜層、第—至少實質上本質的非 ㈤1切層及第1摻雜層之第—層雄疊; 藉由沉積第二Ρ摻雜層、第_ 晶形斜作切既 禾—至)貫夤上本質的微 心風切層及第二η摻雜層之第二層堆疊; 沉積第二接觸層; 其中,沉積經實施使該第 厚声έ士里或人 ν只貝上本質的層之 与度結果為介於16〇11111至4〇〇 至少眚晳 之間,以及使該第二 ν貝貝上本質的層之厚度結果 之間。 ~ ;丨於1 A m至2 //m U·:’請專利範圍第1〇項之方法 使該第一至少眚新μ + 中,该》儿積經貫施 〇貝上本質的層之厚度結果為25〇襲,以 94669 15 201001731 及使該第二至少實質上本質的層之厚度結果為1.28 Am。 16 94669
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