TW201125137A - Polarization resistant solar cell with oxygen rich interface - Google Patents
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201125137 六、發明說明： 【發明戶斤屬之技術領域3 本發明一般係關於太陽能電池，且特別關於一抗極化 太陽能電池設計。 c先前技術3 光伏電池，通常稱為太陽能電池，為習知之半導體裝 置，其可將光子轉換成電能。第1圖提供一傳統太陽能電池 100之橫截面圖，其包括一第一傳導性類型之基材101，該 基材通常包含矽，以及一形成於該基材上之第二傳導性類 型層103，藉此在界面處形成p-n接合。太陽能電池100亦包 括一背側表面電極105，其係與至少一部分之基材101接 觸，以及一前側表面電極107，其係與至少一部分之層103 接觸。當光照在太陽能電池100上時，電子-電動對係被創 造，且係藉由太陽能電池轉換成電能。 爲增強傳統太陽能電池的效能，典型地一介電層109係 沉積在太陽能電池的前側表面。介電層109做為雙重目的。 首先，其做為一抗反射（AR)塗層，藉此增加進入電池100 的入射光百分比，造成改良的轉換效率。第二，其形成一 層103表面上之保護層。於某些太陽能電池中，介電層109 包令—對層；一内部保護層及一外部AR層。 肇因於能源成本的增加以及逐漸增長之與傳統能源來 源有關的環境關注，太陽能電池在廣泛範圍的應用中係逐 漸成為平凡事務。轉變至太陽能已藉由太陽能電池逐漸改 良之效能以及電池成本之穩定降低而得到幫助。於一典型 201125137 的應用中，例如—用於居家或㈣屋頂上或在太陽能電廠 中的太陽能陣列，大量之太陽能板係電性連接在一起，各 太陽能板包含一大型之太陽能電池陣列。 當一太陽能板或一太陽能板陣列進行運作時，超過 ιοον之同電壓可存在於板框或外接地與—或多個個別裝置 終端之間。結果，產生—電場，其可在介電層上或製造、該 電池中所使用的層上，例如保護層與第i圖之AR層剛，創 ^電4。隨著時間過去，介電層上電荷之累積導致表面 極化，其進而在電池的p n接合上引發__電場。結果，分路 電阻與p-n接合特徵被顯著地退降，導致電池轉換效率重大 的降低以及潛在之電池電力輸出完全巾斷。據此，需要的 是太陽此電池设计，其係抗表面極化但不會顯著地影響 製造流程、整體電池製造成本或電池效能。本發明提· 此之設計。 【發明内容】 發明概要 本發明提供一抗極化效應之太陽能電池，該太陽能電 池使用一富含氧界面層。 於至少一實施例中，富含氧界面層係一，其 具有梯度複合輪廓，其自近太陽能電池基材之富含氧變化 至遠太陽能電池基材之富含氮。SiQxNy層可使轉性梯度 輪廓；或者’ SiOxNy層可使用非線性梯度輪廓；或者，Si〇xNy 層可使用階梯式梯度輪廓。太陽能電池可進一步包含一役 置於太陽能電池與SiOxNy梯度層之間的石夕氧化物（^丨〇 )保 4 201125137 護層。 於至少一實施例中，設置於前側太陽能電池表面上的 係一界面層之介電堆疊，該介電堆疊包含一&〇、層（内部 層）' —Si〇xNy層（中間堆疊層）及一 SiN層（外部層）。 本發明之本質與優點的進一步瞭解可藉由參考其餘部 分之說明書與圖式而實現。 圖式簡要說明 第1圖係傳統矽太陽能電池的橫戴面圖。 第2圖提供依據本發明利用Si〇xNy梯度介電之實施例 的例示性裝置結構之橫截面圖。 第3圖說明用於第2圖中所圖解的裝置之線性複合輪 廓。 第4圖§兒明用於第2圖中所圖解的裝置之非線性複合輪 廓。 第5圖說明用於第2圖中所圖解的裝置之階梯式複合輪 廓。 第6圖說明第2圖所示的裝置之修飾，其中矽氧化物層 係設置於基材與梯度矽氮氧化物層之間。
第7圖說明第6圖所示的裝置之修飾，其中梯度矽氮氧 化物層係以非梯度矽氮氧化物層及額外的AR塗層替代。 ί實施方式J 發明之詳細說明 在下述本發明詳細說明中，可參照構成本文之一部分 的隨附圖式，且其中，藉由圖解之方式，係顯示有於其中 201125137 本發明可被實施之特定實施例。這些實施例係被描述於足 夠的細節中使得熟習此藝者能夠實施本發明。其他實施例 可被利用且結構上、邏輯上及電學上的改變可被實行。 發明人發現在太陽能電池設計中併入富含氧界面層可 大大地降低，即便沒有一起消除，典型上會發生在處於橫 跨該等介電層之大型電場的傳統太陽能電池中之裝置退 降。第2圖提供一依據本發明較佳實施例之太陽能電池襄置 結構200的橫截面圖。矽基材2〇1可為^或…型。如同傳統太 陽能電池’第二傳導性類型之矽層2〇3係形成於基材2〇1 上’藉此形成電池之p_n接合。背側表面電極2〇5 ,例如含 有鋁，係與至少一部分之基材2〇1接觸，或如所示者，係與 基材之整個背部表面接觸。爲與該裝置之前側表面，更特 定地係層203接觸，較佳地多個前側表面電極2〇7，較佳包 含銀，係施用至該裝置之前側表面，例如使用如熟習此藝 者所熟知之指狀電極/匯流電極構形。 依據本發明，一梯度介電層209係施用至電池2〇〇之前 側表面。介電層209包含SiOxNy且係梯度化，使得電化學電 位在靠近電池200的表面為最大，且隨著距基材的距離增加 而下降。據此，層209在靠近基材的表面係富含氧，且在靠 近該層的外部表面係富含氮。第3-5圖圖解說明三種用於層 209之複合輪廓，各以靠近基材之高氣分率起始，該高氧分 率隨著距基材的距離增加而減少義解說明複合物中 之線性變化；第4圖圖解說明非線性複合變化，例如拋物線 式降低；及第5圖圖解說明階梯式輪廓。 6 201125137 層209中氧及氮的量係由該層中氧的分率，如氧與氧與 氮的總合（如0/(0+N))之間的比例所界定。如上所註明，層 209靠近基材201/層203之氧分率係較高以達成所欲的電化 學電位位準。據此，在層209靠近基材201/層203的區域中， 氧分率係在0.5至0.99之範圍，且較佳係在0·6至0.99之範 圍。隨著遠離基材201/層203，氧分率如前所述降低直到氧 分率在層209的最外部區域係在0.01至0.5之範圍，且較佳地 係在0.01至0.4之範圍。典型地，層209具有在30至200奈米 範圍之厚度，且較佳地在50至140奈米之範圍。層209之折 射率係在1.5至2.4之範圍，因此減少表面折射性及增加太陽 能電池之轉換效率。 於一如上所述的實施例之改型中，設置於梯度Si〇xNy 層209與基材201/層203之間者係矽氧化物（Si〇x)保護層 601(第6圖）。一般而言，此實施例係與先前所揭示的實施例 相同，除了梯度層係以氧分率為1，即氮含量落至零，起始。 在零氮含量的初始區域之後，氮含量增加而氧含量如前所 述減少且符合一標準輪廓，如線性、非線性或階梯式。於 此構形中’層209與601的厚度，組合而言，係在3〇至2〇〇奈 米之範圍’且較佳地在50至140奈米之範圍。組合之層6〇1 與209之折射率係在1.5至2.4之範圍。 於一裝置600之改型中，梯度SiOxNy層209係以單一複 合物SiOxNy層701(第7圖）替代。接著，AR塗層703，較佳地 包含SiN，係施用至層701。該介電堆疊具有在3至260奈米 範圍之組合厚度及在1.5至2.4範圍之折射率。 201125137
Si〇x層601具有在1至60奈米範圍之厚度，較佳地在1至 30奈米之範圍，且更佳地在5至20奈米之範圍。Si〇xNy層7〇1 具有在1至100奈米範圍之厚度，較佳地在丨至3〇奈米之範 圍，且更佳地在1至20奈米之範圍。Si〇xNy層7〇1之氧分率 係在0.01至0.99之範圍’且較佳地在〇1至〇 9之範圍。咖 層703具有在1至100奈米範圍之厚度，且較佳地在1〇至9〇奈 米之範圍，且更佳地在40至90奈米之範圍。 可領會的是許多科技的任一者皆可用於形成層2〇3，從 該等介電層（如層209、601、701及7〇3)，及施加接點2〇5與 207，且可領會本設計係不限於特定製造方法學。於一例示 性方法中，SiOxNy層係使用原位(in_situ)矽氮氧化物沉積方 法（如SiOxNy之CVD沉積）而沉積。於另一方法中，Si〇xN 層係使用熱氧化、化學氧化或CVD氧化物沉積而藉由首先 製造氧化物層，較佳地大於4奈米之厚度而形成。接著，氣 化物層係以使某些或所有經製造的矽氧化物轉變成所欲厚 度與梯度複合物之矽氮氧化物如此的方式而沉積。或者， 先前製造的氧化物層可於富含氮環境中退火，藉此將石夕氧 化物轉變成所欲的矽氮氧化物。 太陽能電池的一些實施例包括： A. —種太陽能電池，其包含： 一基材，其包含一第一傳導性類型之矽； 一第二傳導性類型之矽層，其設置於該基材上；及 一梯度層，其設置於該矽層上，其中該梯度層包含 SiOxNy，其中該梯度層自近該矽層之富含氧變化至遠該石夕 8 201125137 層之富含氮。 B. 如前述實施例任一實施例之太陽能電池，其中該具 SiOxNy之梯度層中的氧對該具si〇xNy之梯度層中的氧與氮 總合之比例係在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯 度層之第二區域的第二範圍之間變化，其中該梯度層之該 第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係遠該矽 層’且其中該第一範圍係〇·5至0.99且該第二範圍係〇〇1至 0.5。 C. 如實施例A-B任一實施例之太陽能電池，其中該具
SiOxNy2梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮 總合之比例係在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯 度層之第二區域的第二範圍之間變化，其中該梯度層之該 第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係遠該矽 層，且其中該第一範圍係〇·6至〇.99且該第二範圍係〇〇1至 0.4。 D. 如實施例A-C任一實施例之太陽能電池，其中該具 Si〇xNy之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮 總合之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 層之第一區域的第一範圍之間符合線性輪廟，其中該梯度 層之該第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係遠 該矽層。 E. 如實施例A-D任一實施例之太陽能電池，其中該具 SiOxNy之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮 總合之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 201125137 層之第二區域的第二範圍之間符合非線性輪廓，其中該梯 度層之該第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係 遠該矽層。 F. 如實施例A-E任一實施例之太陽能電池，其中該具 SiOxNy之梯度層中的氧對該具SiOxNy之梯度層中的氧與氮 總合之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 層之第二區域的第二範圍之間符合階梯式輪廓，其中該梯 度層之該第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係 遠該矽層。 G. 如實施例A-F任一實施例之太陽能電池，其中該梯度層 具有30至200奈米之間之厚度。 H. 如實施例A-G任一實施例之太陽能電池，其中該梯度層 具有50至140奈米之間之厚度。 I. 如實施例A-Η任一實施例之太陽能電池，其中該梯度層 具有1.5至2.4範圍之折射率。 J. 如實施例A-Ι任一實施例之太陽能電池，進一步包含設 置於該矽層與該梯度層之間的矽氧化物（SiOx)保護層。 K. 如實施例A-J任一實施例之太陽能電池，其中對應於該 梯度層與該保護層組合之厚度係在30及200奈米之間。 L. 如實施例A-K任一實施例之太陽能電池，其中對應於該 梯度層與該保護層組合之厚度係在5 0及14 0奈米之間。 M. 如實施例A-L任一實施例之太陽能電池，其中對應於該 梯度層與該保護層之折射率係在1·5至2.4之範圍。 Ν. —種太陽能電池，其包含： 10 201125137 -基材，其包含—第_傳導性類型之石夕； 一第二傳導性類型之石夕層，其設置於該基材上；及 -介電堆疊’其設置於該⑦層上’其中該介電堆疊包 含： 包3Sl〇x之第一介電層，其中該第-介電層設置 於該矽層上； I 3 SiOxNy之第二介電層，其令該第二介電層設 置於該第一介電層上；及 -包含SiN之第三介電層’其中該第三介電層設置於 該第二介電層上。 〇.如貫施例N之太陽能電池，其中該介電堆疊具有1_5至 2.4範圍之折射率。 P_如實施例N-0任一實施例之太陽能電池，其中該介電堆 疊具有3至260奈米之間之厚度。 Q. 如實施例N-P任一實施例之太陽能電池，其中該第一介 電層具有1至60奈米之間之厚度，該第二介電層具有丨至1〇〇 奈米之間之厚度，且該第三介電層具有1至丨〇〇奈米之間之 厚度。 R. 如實施例N-Q任一實施例之太陽能電池，其中該第—介 電層具有1至30奈米之間之厚度，該第二介電層具有1至3〇 奈米之間之厚度，且該第三介電層具有1〇至9〇奈米之間之 厚度。 S. 如實施例N-R任一實施例之太陽能電池，其中該第一介 電層具有5至20奈米之間之厚度，該第二介電層具有1至2〇 201125137 奈米之間之厚度，且該第三介電層具有40至90奈米之間之 厚度。 T. 如實施例N-S任一實施例之太陽能電池，其中該第二介 電層中的氧對該第二介電層中的氧與氮總合之比例係在 0.01至0_99之範圍。 U. 如實施例N-T任一實施例之太陽能電池，其中該第二介 電層中的氧對該第二介電層中的氧與氮總合之比例係在 0_1至0.9之範圍。 應瞭解的是使用於許多圖式中的相同元件符號代表相 同的結構或相同功能性的結構。此外，隨附圖式係僅意欲 用於圖解，而非侷限本發明之範圍，且不應被認為要符合 比{列。 儘管許多本發明之實施例係被描述，上述所列並不意 欲要是徹底的。雖然特定實施例已於本文中被圖解及說 明，熟習此藝者可領會的是，對於所示的特定實施例，任 何打算要達成相同目的的配置可被替換。本案意欲涵蓋本 發明之任何調整或變異。應瞭解的是上述說明係意欲為例 證性的且不是限制性的。上述實施例之組合及其他實施 例，在熟習此藝者研讀上述說明後將會是顯而易見的。 C圖式簡單說明3 第1圖係傳統矽太陽能電池的橫截面圖。 第2圖提供依據本發明利用SiOxNy梯度介電之實施例 的例示性裝置結構之橫截面圖。 第3圖說明用於第2圖中所圖解的裝置之線性複合輪 12 201125137 廓。 第4圖說明用於第2圖中所圖解的裝置之非線性複合輪 廓。 第5圖說明用於第2圖中所圖解的裝置之階梯式複合輪 廓。 第6圖說明第2圖所示的裝置之修飾，其中矽氧化物層 係設置於基材與梯度矽氮氧化物層之間。 第7圖說明第6圖所示的裝置之修飾，其中梯度矽氮氧 化物層係以非梯度矽氮氧化物層及額外的AR塗層替代。 【主要元件符號說明】 100…太陽能電池 203…層 10l···基材 205…背側表面電極 103…層 207…前側表面電極 105…背側表面電極 209…介電層 107…前側表面電極 600…裝置 109…介電層 601…保護層 200…太陽能電池 701 …SiOxNy 層 20l··.基材 703-..AR 塗層 13
Claims (1)
- 201125137 七、申請專利範圍： 1. 一種太陽能電池，其包含： 一基材，其包含一第一傳導性類型之矽； -第二傳導性類型之石夕層，其設置於該基材上；及 一梯度層’其設置於該碎層上，其中該梯度層包含 Sl〇xNy，其巾該梯度層自近財層之富含氧變化至遠該 矽層之富含氮。 2. 如申請專利範圍第丨項之太陽能電池，其中該具⑽為 之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮總合 之比例係在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯 度層之第二區域中的第二範圍之間變化，其中該梯度層 之該第-區域係近該石夕層且該梯度層之該第二區域係 遠該石夕層，且其中言亥第一範圍係05至0 99且該第二範圍 係 0.01 至 0.5。 3. 如申明專利範圍第〗項之太陽能電池，其中該具 之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮總合 之比例係在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯 度層之第二區域中的第二範圍之間變化，其中該梯度層 之該第一區域係近該矽層且該梯度層之該第二區域係 遠該矽層’且其中該第一範圍係0.6至〇99且該第二範圍 係 0.01 至 0.4。 4. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該具Si〇xNy 之梯度層中的氧對該具SiOxNy之梯度層中的氧與氮總合 之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 201125137 層之第二區域中的第二範圍之間符合線性輪廓，其中該 梯度層之該第-區域係近該石夕層且該梯度層之該第二 區域係遠該矽層。 5.如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該具Sio為 之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氣總合 之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 層之第二區域中的第二範圍之間符合非線性輪靡，其中 該梯度層之該第一區域係近該矽層且該梯度層之該第 ^— £域係遠該層。 6·如申請專利範圍第㈣之太陽能電池，其中該具⑽為 之梯度層中的氧對該具Si〇xNy之梯度層中的氧與氮總合 之比例在該梯度層之第一區域中的第一範圍至該梯度 層之第二區域中的第二範圍之間符合階梯式輪廓，其中 "玄梯度層之該第一區域係近該石夕層且該梯度層之該第 二區域係遠該石夕層。 士申"月專利範圍第1項之太陽能電池，其中該梯度層呈 有30至200奈米之間之厚度。 8.如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該梯度層具 有50至140奈米之間之厚度。 9·如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該梯度層具 有1.5至2.4範圍之折射率。 1〇·如申請專利範圍第1項之太陽能電池，進一步包含設置 於該碎層與該梯度層之間的矽氧化物（S i 〇 x)保護層。 U•如申請專利範圍第10項之太陽能電池，其中對應於該梯 15 201125137 度層與該保護層組合之厚度係在30及200奈米之間。 12. 如申請專利範圍第1〇項之太陽能電池，其中對應於該梯 度層與該保護層組合之厚度係在5〇及14〇奈米之間。 13. 如申請專利朗第1()項之太陽能電池，其中對應於該梯 度層與該保護層之折射率係在丨5至2 4之範圍。 14. 一種太陽能電池，其包含： 一基材，其包含一第一傳導性類型之矽； 一第二傳導性類型之矽層，其設置於該基材上，·及 "電堆疊，其設置於該矽層上，其中該介電堆疊包 含： 一包含SiOx之第一介電層，其中該第一介電層設置 於該矽層上； 包含Si〇xNy之第二介電層，其中該第二介電層設 置於該第一介電層上；及 一包含SiN之第三介電層’其中該第三介電層設置於 該第二介電層上。 15.如申請專鄕圍第_之太陽能電池，其巾該介電堆疊 具有1.5至2.4範圍之折射率。 16·如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其中該介電堆墨 具有3至260奈米之間之厚度。 Π·如申請專利範圍第_之太陽能電池，其中該第一介電 層Ί1至60奈米之間之厚度’該第二介電層具有丄至 100奈米之間之厚度，且該第三介電層具有m〇〇奈来 之間之厚度。 16 201125137 18. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其令該第一介電 層具有1至30奈米之間之厚度，該第二介電層具有1至30 奈米之間之厚度，且該第三介電層具有〗〇至90奈米之間 之厚度。 19. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其中該第一介電 層具有5至20奈米之間之厚度，該第二介電層具有1至2〇 奈米之間之厚度，且該第三介電層具有4〇至9〇奈米之間 之厚度。 20. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其中該第二介電 層令的氧對該第二介電層中的氧與氮總合之比例係在 0.01至0.99之範圍。 21. 如申請專利範圍第14項之太陽能電池，其中該第二介電 層中的氧對該第二介電層中的氧與氮總合之比例係在 0.1至0·9之範圍。 17
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