TW201322465A - 全背電極異質接面太陽能電池 - Google Patents

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Jui-Chung Shiao
Chien-Hsun Chen
Ching-Hsi Lin
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Abstract

一種全背電極異質接面太陽能電池，包括一第一導電型矽基板、一第一非晶半導體層、一第二非晶半導體層、一第一導電型半導體層、一第二導電型半導體層以及一第二導電型摻雜區。第一非晶半導體層位在矽基板的受光面上，其為本質半導體層或第一導電型層。第二非晶半導體層位在矽基板的非受光面上，其中第二非晶半導體層為本質半導體層。第一與第二導電型半導體層分別位在第二非晶半導體層上。至於第二導電型摻雜區則位在第二導電型半導體層下方的矽基板內並與第二非晶半導體層接觸。

Description

全背電極異質接面太陽能電池
本發明是有關於一種異質接面太陽能電池，且特別是有關於一種全背電極異質接面太陽能電池(back-contact heterojunction solar cell)。
目前高效率太陽能電池是未來產業的趨勢，因為高效率太陽能電池不僅僅是提升單位面積的發電瓦數，還可降低成本，更深一層的含意是可以提升模組發電的附加價值。
目前世界上效率最高的太陽能電池模組是SunPower的內交指背接觸式(Interdigitated Back-Contact，IBC)的全背接面模組，其電池效率可以超過24%以上，就市場上而言，因為上述高效率太陽能電池製造流程太繁瑣，製程所花的成本很高，所以模組的製造成本高出傳統矽晶模組5成以上。
另一種高效率太陽能電池是使用異質接面的太陽能電池。異質接面太陽能電池一般是在矽晶片上成長非晶矽(a-Si)的鈍化層與非晶矽電極，其具有極低的表面複合速率，因此擁有很高的開路電壓。結合上述兩項電池的優點，把電池電極製作到背面，並使用鈍化能力很好的非晶矽層，將可以使電池轉換效率更往上提升，例如美國專利US 7,199,395所提出的全背電極異質接面太陽能電池。
然而，這種全背電極結構卻存在元件接面能帶差過大，導致造成的電阻過高的問題，電池轉換使效率始終都是不如預期。
本發明提供一種全背電極異質接面太陽能電池，能改善異質接面全背電極結構效率受限的因素。
本發明提出一種全背電極異質接面太陽能電池，包括一第一導電型矽基板、一第一非晶半導體層、一第二非晶半導體層、一第一導電型半導體層、一第二導電型半導體層以及一第二導電型摻雜區。第一非晶半導體層位在第一導電型矽基板的受光面上，其中第一非晶半導體層為本質半導體層或第一導電型半導體層。第二非晶半導體層位在第一導電型矽基板的非受光面上，其中第二非晶半導體層為本質半導體層。第一導電型半導體層與第二導電型半導體層分別位在第一導電型矽基板的第二非晶半導體層上。至於第二導電型摻雜區則位在第二導電型半導體層下方的第一導電型矽基板內並與第二非晶半導體層接觸。
在本發明之一實施例中，上述第二導電型摻雜區例如p型摻雜區。
在本發明之一實施例中，上述第二導電型摻雜區的摻雜濃度在1e18cm-3~1e21cm-3之間。
在本發明之一實施例中，上述第二導電型摻雜區的接面深度在0.001μm~10μm之間。
在本發明之一實施例中，上述第一導電型半導體層與第二導電型半導體層互相隔離或者部分重疊。
在本發明之一實施例中，上述第一與第二非晶半導體層的材料包括非晶矽(amorphous silicon)、非晶碳化矽(amorphous Silicon carbide)、非晶矽鍺(amorphous silicon Germanium)等半導體材料。
在本發明之一實施例中，上述第一導電型半導體層與第二導電型半導體層的材料包括非晶矽(amorphous silicon)、非晶碳化矽(amorphous Silicon carbide)、非晶矽鍺(amorphous silicon Germanium)、微晶矽(micro-crystal silicon)、微晶碳化矽(micro-crystal Silicon carbide)、微晶矽鍺(micro-crystal silicon Germanium)等半導體材料。
在本發明之一實施例中，上述太陽能電池還可包括一抗反射層，位在第一非晶半導體層上。
在本發明之一實施例中，上述太陽能電池還可包括第一與第二電極，分別與第一和第二導電型半導體層接觸。
在本發明之一實施例中，上述第一電極完全覆蓋或部分覆蓋第一導電型半導體層。
在本發明之一實施例中，上述第二電極完全覆蓋或部分覆蓋第二導電型半導體層。
在本發明之一實施例中，上述第一與第二電極至少包括一透明導電氧化物(TCO)層與一金屬層。
在本發明之一實施例中，上述太陽能電池還可包括一絕緣層，位在第一導電型半導體層與第二導電型半導體層之間的第二非晶半導體層上。上述絕緣層的材料包括高分子材料、二氧化矽、氮化矽或其他不導電之介電材料。
基於上述，本發明之太陽能電池可以同時提升開路電壓、短路電流與降低模組封裝後的輸出損失，還能藉由降低接面電阻，使太陽能電池轉換效率更往上躍升。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文請參照圖式來瞭解本發明，然而本發明可用多種不同形式來實現，並不侷限於實施例的描述。而在圖式中，為明確起見可能未按比例繪製各層以及區域的尺寸以及相對尺寸。
當文中以一構件或層是“位於另一構件或層上”時，如無特別說明，則表示其可直接位於另一構件或層上，或兩者之間可存在中間構件或層。另外，文中使用如“於……上”、“於……下方”及其類似之空間相對用語，來描述圖式中的構件與另一(或多個)構件的關係。然此空間相對用語除圖式顯示的狀態外，還可包括使用中或操作中之構件的方向。舉例而言，若將圖中的構件翻轉，則被描述為位於其他構件或特徵“下方”或“之下”的構件接著將定向成位於其他構件或特徵“上方”。
此外，本文雖使用“第一”、“第二”等來描述各種構件、區域或層，但是此用語用以將一構件、區域或層與另一構件、區域或層作區別。因此，在不背離本發明的情況下，下文所述之第一構件、區域或層亦可視為第二構件、區域或層。
圖1是依照本發明之第一實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
在圖1中，全背電極異質接面太陽能電池100包括一第一導電型矽基板102、一第一非晶半導體層104、一第二非晶半導體層106、一第一導電型半導體層108、一第二導電型半導體層110以及一第二導電型摻雜區112。其中，第一非晶半導體層104是位在第一導電型矽基板102的受光面102a上。在本實施例中，第一非晶半導體層104為本質半導體層(intrinsic semiconductor layer)，此外第一非晶半導體層104也可以是與第一導電型矽基板102相同導電型的一第一導電型層。第二非晶半導體層106則位在第一導電型矽基板102的非受光面102b上，其中第二非晶半導體層106為本質半導體層。上述第一與第二非晶半導體層104、106的材料例如非晶矽、非晶碳化矽、非晶矽鍺等半導體材料。上述第一導電型矽基板102例如n型矽基板。
請再次參照圖1，本實施例的第一導電型半導體層108與第二導電型半導體層110分別位在第二非晶半導體層106上，且兩者互相隔離。第一導電型半導體層108與第二導電型半導體層110的材料例如非晶矽、非晶碳化矽、非晶矽鍺、微晶矽、微晶碳化矽、微晶矽鍺等半導體材料。至於第二導電型摻雜區112是位在第二導電型半導體層110下方的第一導電型矽基板102內並與第二非晶半導體層106接觸。在本實施例中，第二導電型摻雜區112例如p型摻雜區，且其摻雜濃度例如在1e18cm-3~1e21cm-3之間；接面深度(junction depth)例如在0.001μm~10μm之間。由於非受光面102b具有第二導電型摻雜區112，所以成長異質接面後能增加鈍化效果，進而增加電池效率。此外，如有需要的話，可選擇在第一導電型半導體層108下方的第一導電型矽基板102內設置與第二非晶半導體層106接觸的一第一導電型摻雜區(未繪示)。
請繼續參照圖1，本實施例的太陽能電池100還可包括第一與第二電極114與116，分別與第一和第二導電型半導體層108與110接觸。在圖1中，第一電極114部分覆蓋第一導電型半導體層108、第二電極116部分覆蓋第二導電型半導體層110，且第一電極114至少包括一透明導電氧化物(TCO)層118與一金屬層120；第二電極116至少包括一透明導電氧化物層122與一金屬層124。舉例來說，TCO層118、122可為銦錫氧化物(ITO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)等；金屬層120、124可為銀或其他金屬。本實施例的太陽能電池100還可包括一抗反射層126，位在第一非晶半導體層104上，用以防止入射光在受光面102a反射，其中抗反射層126的材料包括氮化矽、或氧化矽、或氧化鋁、或氟化鎂、或氧化鋅、以及其他適用的介電物質。
圖2是依照本發明之第二實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖2，全背電極異質接面太陽能電池200與上一實施例的差別在於，第一電極114中的TCO層202完全覆蓋第一導電型半導體層108、第二電極116中的TCO層204完全覆蓋第二導電型半導體層110。
圖3是依照本發明之第三實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖，其中使用與第二實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖3，全背電極異質接面太陽能電池300與上一實施例的差別在於，其包括一層位在第一導電型半導體層108與第二導電型半導體層110之間的絕緣層302，且絕緣層302是覆蓋在第二非晶半導體層106上。這層保護層302的材料包括高分子材料、二氧化矽、氮化矽、或其他不導電之介電材料。這層保護層302能用來保護第二非晶半導體層106並隔開第一導電型半導體層108與第二導電型半導體層110。
圖4是依照本發明之第四實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖4，全背電極異質接面太陽能電池400與第實施例的差別在於，第一電極114的金屬層120完全覆蓋TCO層118、第二電極116的金屬層124完全覆蓋TCO層122。另外，第四實施例是先形成第二非晶半導體層402和第二導電型半導體層110，再利用遮罩(mask)蓋住第二導電型半導體層110，以便進行的第二非晶半導體層404和第一導電型半導體層108的製作。因此，全背電極異質接面太陽能電池400的第二導電型半導體層110會與第二非晶半導體層404相接。
圖5是依照本發明之第五實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖5，全背電極異質接面太陽能電池500與第一實施例的差別在於，第一導電型半導體層108與第二導電型半導體層110部分重疊。另外，第二電極116因為製程順序的關係，會覆蓋到部分第一導電型半導體層108。
圖6是依照本發明之第六實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來代表相同的構件。
請參照圖6，全背電極異質接面太陽能電池600與第一實施例的差別在於，第二非晶半導體層602a、602b不是同一步驟形成的。詳細地說，第二非晶半導體層602b、第二導電型半導體層110與第二電極116先形成在第二導電型摻雜區112上，然後再形成第二非晶半導體層602a與第一導電型半導體層108，之後才形成第一電極114。因此，後形成的第二非晶半導體層602a與第一導電型半導體層108會部份覆蓋第二電極116。
以下列舉幾個實驗結果來驗證上述實施例的效果。
模擬實驗一
使用商用半導體元件數值模擬軟體進行模擬，且模擬的結構如圖1。模擬的比較點是n型矽基板內是否有p型摻雜區(圖1的112)以及p型摻雜區的接面深度(doping density)與電池效率的關係，模擬結果如下表一所示。
由表一可知，傳統中異質接面製作於全背接面的太陽能電池，其效率受限於接面的電阻，所以F.F.(填充因子，Filling Factor)始終限制在73.53，為限制效率的主要因素，然而當接面有p型摻雜區，可觀察到F.F會大幅上升到80以上，整體元件的效率隨著摻雜的深度，會有不同的變化，最高可達24.14%，這樣的摻雜區可大幅增加效率達到23.38%，增加的比例大概是11%，因此本發明能解決傳統中異質接面效率不高的問題。模擬出來的IV數據圖，如圖7。
模擬實驗二
使用商用半導體元件數值模擬軟體進行模擬，且模擬的結構如圖1。模擬的比較點是以不同硼摻雜濃度(boron doping density)形成不同的接面深度之p型摻雜區，模擬結果如圖8。由圖8可知，不同硼摻雜濃度形成之p型摻雜區都能改善電池的效率。
綜上所述，本發明之結構在非受光面的射極提供與矽基板不同導電型的摻雜區之後，再成長異質接面，即可增加鈍化效果。因此，本發明的太陽能電池不但具有提升開路電壓、短路電流與降低模組封裝後的輸出損失等效果，還能藉由降低接面電阻，改善異質接面全背電極結構效率受限的因素。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500、600．．．全背電極異質接面太陽能電池
102．．．第一導電型矽基板
102a．．．受光面
102b．．．非受光面
104．．．第一非晶半導體層
106、402、404、602a、602b．．．第二非晶半導體層
108．．．第一導電型半導體層
110．．．第二導電型半導體層
112．．．第二導電型摻雜區
114、116．．．電極
118、122、202、204．．．TCO層
120、124．．．金屬層
126．．．抗反射層
302．．．絕緣層
圖1是依照本發明之第一實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖2是依照本發明之第二實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖3是依照本發明之第三實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖4是依照本發明之第四實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖5是依照本發明之第五實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖6是依照本發明之第六實施例的一種全背電極異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖7是模擬實驗一的IV數據圖。
圖8是模擬實驗二的接面深度與效率之曲線圖。
100．．．全背電極異質接面太陽能電池
102．．．第一導電型矽基板
102a．．．受光面
102b．．．非受光面
104．．．第一非晶半導體層
106．．．第二非晶半導體層
108．．．第一導電型半導體層
110．．．第二導電型半導體層
112．．．第二導電型摻雜區
114、116．．．電極
118、122．．．TCO
120、124．．．金屬層
126．．．抗反射層

Claims (18)

  1. 一種全背電極異質接面太陽能電池，包括：一第一導電型矽基板，具有一受光面與一非受光面；一第一非晶半導體層，位在該第一導電型矽基板的該受光面上，其中該第一非晶半導體層為本質半導體層或第一導電型層；一第二非晶半導體層，位在該第一導電型矽基板的該非受光面上，其中該第二非晶半導體層為本質半導體層；一第一導電型半導體層，位在該第二非晶半導體層上；一第二導電型半導體層，位在該第二非晶半導體層上；以及一第二導電型摻雜區，位在該第二導電型半導體層下方的該第一導電型矽基板內並與該第二非晶半導體層接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二導電型摻雜區為p型摻雜區。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二導電型摻雜區的摻雜濃度在1e18cm-3~1e21cm-3之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二導電型摻雜區的接面深度在0.001μm~10μm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一導電型半導體層與該第二導電型半導體層互相隔離。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一導電型半導體層與該第二導電型半導體層部分重疊。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一導電型半導體層的材料包括非晶矽、非晶碳化矽、非晶矽鍺、微晶矽、微晶碳化矽或微晶矽鍺。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二導電型半導體層的材料包括非晶矽、非晶碳化矽、非晶矽鍺、微晶矽、微晶碳化矽或微晶矽鍺。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一非晶半導體層的材料包括非晶矽、非晶碳化矽或非晶矽鍺。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二非晶半導體層的材料包括非晶矽、非晶碳化矽或非晶矽鍺。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，更包括一抗反射層，位在該第一非晶半導體層上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，更包括：一第一電極，與該第一導電型半導體層接觸；以及一第二電極，與該第二導電型半導體層接觸。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一電極完全覆蓋或部分覆蓋該第一導電型半導體層。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二電極完全覆蓋或部分覆蓋該第二導電型半導體層。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第一電極至少包括一透明導電氧化物(TCO)層與一金屬層。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該第二電極至少包括一透明導電氧化物層與一金屬層。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，更包括一絕緣層，位在該第一導電型半導體層與該第二導電型半導體層之間的該第二非晶半導體層上。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之全背電極異質接面太陽能電池，其中該絕緣層的材料包括高分子材料、二氧化矽或氮化矽。
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