TW201342640A - 分佈式ｐｎ接面金氧半（ｍｏｓ）結構矽太陽能電池 - Google Patents

分佈式ｐｎ接面金氧半（ｍｏｓ）結構矽太陽能電池 Download PDF

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Abstract

一種分佈式PN接面金氧半(MOS)結構矽太陽能電池，係包含一p-型矽基板、一分佈式n型摻雜區、一正面電極層、一氧化層、一透明閘電極層、一背面電極層、一偏壓用太陽光源。分佈式PN接面型太陽電池對短波長的太陽光吸收產生光電流會比傳統PN接面型太陽電池貢獻更多，因此增加對短波長反應，讓分佈式PN接面MOS結構矽太陽電池之轉換效率提高。本發明係提供一種分佈式PN接面金氧半(MOS)結構矽太陽能電池。

Description

分佈式PN接面金氧半(MOS)結構矽太陽能電池
本發明係關於一種分佈式PN接面金氧半(MOS)結構矽太陽能電池，且特別是關於一種於分佈式PN接面、金氧半(MOS)電晶體結構、自偏壓(Self-Biasing)透明閘電極(Transparent Electrode)所形成的矽太陽能電池及其製作方法。
目前全世界各國都意識到生態汙染的嚴重性，各國先進國家都開始積極開發再生能源，希望盡早將汙染比例較高的能源發電系統以再生能源取而代之。目前有太陽能、風力能、地熱能、水力能、潮汐能、海洋熱能轉換與生質能等等。其中，太陽能算是較容易被一般人所熟悉與理解的能源，也是目前全球各國再生能源的主要發展項目。太陽能技術提供明顯的環境優勢，相對於傳統能源來源，可持續發展的人類活動。
現今市面上商用太陽電池以矽材料(Si-based)為主，單晶矽及多晶矽太陽電池長在矽基板上是目前太陽光發電(Solar Power)主要太陽電池，因其轉換效率較高。目前單晶矽太陽電池之轉換效率在實驗室最高紀錄為24.7%，一般生產工廠可做到17-18%；多晶矽太陽電池之轉換效率在實驗室最高紀錄為19.8%，生產工廠則可做到14-16%；然而今日之非晶矽陽電池之轉換效率在實驗室最高紀錄為13%，生產工廠可做到5-9%。
國內在學術界最近幾年響應政府的節能、減碳政策，投入太陽電池領域研發更是一股風潮。學術界在太陽電池領域研發著重在第二代薄膜太陽能電池，及第三代新材料如奈米、染敏、有機等太陽能新材料與新結構等。雖然目前單晶矽太陽電池實驗室最高紀錄為24.7%，但一般生產工廠只能做到17%附近，其轉換效率應與理論值還有很大成長的空間。
MIS太陽電池的基本原理在於應用了量子力學裏的穿隧效應(Tunneling Effect)。經由入射光在半導體內產生的電子電洞對，受內建電場(Built-in Field)加速，藉穿隧效應而通過絕緣層並為外部電極所收集成為光電流。因絕緣層的厚度對於光電流的大小有很大的影響。當絕緣層的厚度大於30埃()時，載子進行穿隧的機率變得非常小而使光電流大幅下降。雖然絕緣層的厚度愈小光電流將愈大，但是太陽電池的開路電壓(Open Circuit Voltage)隨之下降，而使輸出功率下降進而降低了轉換效率。
MIS太陽電池大約是在1990年初期開始商業化的，由於此種的太陽電池無須使用高溫製程(諸如接面擴散、熱氧化層生長等)，因此頗受業界重視。此種太陽電池主要採用了磷聚苯(Phosphorus Polystyrene)、穿隧氧化層，正面電極鈍化及PECVD氮化矽(SiNx)正面鈍化等結構。而德國ISFH機構於1997年開發出MIS-IL(Metal-Insulator-Semiconductor Inversion-Layer)單晶矽太陽電池。第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池，其製程大致如下：先將0.1 Ω-cm之p-Si(100)基板進行化學清洗與蝕刻處理，其次背面蒸鍍鋁金屬電極，接著在正面熱氧化製作一很薄的穿隧氧化層(Tunnel Oxide)在其上面，然後利用金屬光罩(Metal Mask)蒸鍍鋁金屬電極，再將試片放到銫(Cs)的溶液中，使二氧化矽(SiO2)表面增加正電荷密度，最後利用電漿加強化學氣相沉積(PECVD)在250℃沉積一層氮化矽(SiNx)。利用上述第一代的製程完成面積為2 x 2 cm2 FZ-Si之MIS-IL單晶矽太陽電池轉換效率為15.7%。第二代的MIS-IL單晶矽太陽電池製程，利用0.5Ω-cm之p-Si(100)基板不一樣外，另將第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池製程進一步修正以氧化層窗孔(Oxide Window)來定義元件的主動區面積、並將銫(Cs)植入正電極之下、將背面鋁金屬電極改為點接觸及其餘部份以氧化物(Oxide)鈍化處理(Passivation)。德國ISFH機構所完成的第二代MIS-IL單晶矽太陽電池獲得優異轉換效率為18.5%，因此第二代的MIS-IL比第一代的MIS-IL單晶矽太陽電池轉換效率額外提高約3%。
德國ISFH機構所提之兩世代MIS-IL單晶矽太陽電池，其光電流都是經由閘極(Gate)及基板(Substrate)上之電極輸出。這些結構為了增加開路電壓(VOC)特別在閘極(Gate)與半導體(Semiconductor)間成長一高品質之SiO2薄膜(~10-20)，光電流以穿遂(Tunneling)方式由閘極(Gate)流出。因SiO2薄膜含正電荷也是一件不容易的製程，因為SiO2薄膜含正電荷在製程技術上較不易掌控。
傳統PN-Junction(PN接面)單晶矽太陽電池之Emitter層(射極層)之厚度(Thickness)與載子濃度(Carrier concentrations)有不同層面考量，一般而言，金屬電極與Emitter層要有好的毆姆接觸特性及退火處理時不要形成P-N接面的突刺(Spiking)，通常希望Emitter層濃度要夠高(>1020 cm-3)及夠厚(>0.5 um)；但濃度愈高歐傑複合(Auger Recombination)越嚴重會有復合損失，厚度愈厚則短波長的太陽光在Emitter層表面處吸收產生之光載子(因不在少數載子擴散長度(Lp)內)也會被複合，這兩項復合所造成的損失，會限制傳統太陽能電池之轉換效率。由於Emitter層太厚會有光載子復合損失及太薄時會有形成p-n接面Spiking製程問題，製程良率及生產成本是產業最在意的因素。其次，傳統PN-Junction單晶矽太陽電池之PN-Junction暴露在四周邊緣(Side-wall)是形成漏電流(Leakage current)來源之一，漏電流會讓太陽電池之開路電壓(VOC)下降，因而也使轉換效率變差。最後，為了要降低光遮蔽率，傳統PN-Junction單晶矽太陽電池之交指狀金屬電極(Finger)設計，在金屬電極間之吸收層(Base layer)產生之光載子(電子)會先垂直流向PN-Junction，再經Emitter層側向流到Finger電極，如為了降低光載子表面復合損失必需將Emitter層變薄，薄的Emitter層半導體片電阻會升高，造成太陽電池之總串聯電阻(RS)增加，同樣也會使轉換效率變差。因為有Emitter層光載子復合損失、四周邊緣漏電流、及串聯電阻增加等因素，所以大量生產之傳統PN-Junction單晶矽太陽電池之轉換效率能提升之空間越來越困難。
因此，如何能提供一種不會受限於傳統PN-Junction和氧化層厚度以及氧化層不需含正電荷和，又能對入射之太陽能光譜反應更寬及貢獻更多光電流的太陽電池，實為本案所欲解決之問題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之一目的係在於提供一種分佈式PN接面MOS矽太陽電池。
為達上述目的，本發明提供一種分佈式PN接面MOS太陽電池，其包含一p-型基板、一分佈式摻雜區、一正面電極層、一氧化層、一透明閘電極層、一背面電極層。基板具有一正面、一背面及鄰接正面之一分佈式摻雜區。分佈式PN摻雜區位於正面電極層之下方。正面電極層具有一正面、一背面及鄰接正面分佈式摻雜區。氧化層位於正面電極層之電極與電極之間，且正面電極層具有露出於氧化層。透明閘電極層位於氧化層之正面，且透明閘電極層為太陽能電池之偏壓端。
本發明亦提供一種分佈式PN接面MOS矽太陽電池之製造方式，包含以下步驟：提供一p-型基板，其具有一正面、一背面及一分佈式PN摻雜區，分佈式摻雜區位於基板之正面；於基板之背面形成一背面電極層；於一溫度下燒烤背面電極層使其形成歐姆接觸；於分佈式摻雜區之上方形成一正面電極層；於基板正面及正面電極層之電極與電極間形成一氧化層；於氧化層之正面形成一透明閘電極層，以使透明閘電極層為偏壓端；分佈式摻雜區光載子(電子)在縱向與橫向均有機會被正面電極有效收集到；同時，分佈式摻雜區域間無Emitter層在表面處，所以短波長(UV)的太陽光被吸收產生之光載子(電洞)不會有被Emitter層被複合的問題，因此短波長的太陽光被吸收產生光電流會比傳統PN接面貢獻更多，及增加對短波長反應讓太陽電池之轉換效率提高；而當偏壓用太陽光源增加偏壓在透明閘電極層時，基板與分佈式摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的內建電場，光吸收產生之電子(電洞)受電場作用下會快速朝向正面電極層(背面電極層)方向移動，正面電極層和背面電極層會因透明閘電極層加偏壓因而收集更多的電子電洞經由輸出線路流出。
因此，本發明之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽電池具有它可提昇太陽能光譜短波長(藍紫光)吸收效益、降低光載子(Photo-carriers)在表面被複合(Recombination)、及增加光載子收集效率；結合金氧半(MOS)電晶體結構，並以自偏壓(Self-Biasing)透明閘電極(Transparent electrode)來提升太陽能光子在吸收層(Base)可吸收範圍(縱向及橫向)、減少所產生之少數載子在Base層被複合、及以自偏壓方式可收集更多的光電流，以及不受限氧化層之厚度等優點，讓太陽能電池達到最高轉換效率，同時，分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽電池具製程容易與成本低之優點。
圖1顯示依據本發明較佳實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)矽太陽能電池50之剖面示意圖。如圖1所示，本實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池50包含一基板10、一分佈式n型摻雜區16、一正面電極層30、一背面電極層20、一氧化層32、一透明閘電極層34以及太陽光偏壓源36、偏壓線路41以及MOS太陽能電池輸出線路45。
於本實施例中，基板10係為一P型矽基板，但亦可以是其它半導體基板。基板10具有一正面12、一背面14以及鄰接正面12之一分佈式n型摻雜區16。
基板10之分佈式n型摻雜區16，以摻雜磷擴散源形成選擇性分佈之n+-Si條狀區域，此條狀區域寬度以10 um為原則，摻雜區域間的距離15，以兩個空乏區寬度(Depletion region,W)加上兩個少數載子(電子)擴散長度(Ln)為參考，經有高溫擴散形成一分佈式n型摻雜區16。
基板10之背面14，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，進行背面鋁電極層20的蒸鍍。背面電極層20厚度大於200奈米。蒸鍍完成後，使用快速熱退火系統(RTA)，進行退火以降低背面電極層20與基板10的接觸電阻。
正面電極層30位於基板10之分佈式n型摻雜區16上，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，進行正面鈦/鋁電極層30的蒸鍍。正面電極層30總厚度大於200奈米。
氧化層32位於正面電極層30之電極與電極間及基板10之分佈式n型摻雜區16上，使用高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)在真空度3x10-6 Torr時，蒸鍍一層氧化層。氧化層厚度為10-20奈米。
透明閘電極層34位於氧化層32之正面，使用多靶射頻濺鍍系統(Sputter)濺鍍上一層ITO透明導電薄膜，通入氬氣流量為40 sccm，濺鍍時間約15分鐘，使其形成透明閘電極層34。
太陽光偏壓源36係同一製程制作之小面積太陽能電池串聯而成，其輸出電壓由串聯個數決定。
當太陽光偏壓源36之輸出電壓經由偏壓線路41加於透明閘電極層34及背面電極20時，基板與分佈式n型摻雜區16間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的電場於透明閘電極底下之空乏區處，光吸收後產生之電子(電洞)受到太陽電池之內建電場作用而分別朝正面電極層(背面電極層)移動並收集後由輸出線路45流出。
當太陽光偏壓源36經由偏壓線路41將輸出電壓(1~2V)施加於透明閘電極層34時，電壓還無法有效的影響整個太陽能電池。
此時太陽光偏壓源36經由偏壓線路41繼續增加偏壓(3~5V)於透明閘電極層34時，可以明顯的發現光電流隨加在透明閘電極層34上的偏壓增加而增加，因為此時帶正電磷離子在分佈式n型摻雜區16會增加，同時在基板10靠近分佈式n型摻雜區16之帶負電硼離子也增加，產生更大的電場，對光吸收產生之電子及電洞的傳輸及收集更有效幫助，這些電子與電洞更容易往正面電極層30及背面電極層20流出電流。
圖2至圖6顯示依據本發明較佳實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽電池之製造方法之各步驟的結構剖面示意圖。如圖2至圖6所示，本發明之太陽電池之製造方法包含以下步驟。
首先，如圖2所示，提供一p型基板10。p型基板10具有一正面12、一背面14以及一分佈式n型摻雜區16，分佈式n型摻雜區16鄰接正面12；摻雜區域間的距離15，以兩個空乏區寬度(Depletion region,W)加上兩個少數載子(電子)擴散長度(Ln)為參考。
背面電極層20形成，如圖3所示，於基板10之背面14形成一背面電極層20，再進行熱退火處理，以降低背面電極層20與基板10間的接觸電阻。背面電極層20係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
正面電極層30形成，如圖4所示，於基板10之正面12形成一正面電極層30。正面電極層30係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
氧化層沉積，如圖5所示，於基板10之正面12及正面電極層30之間形成一氧化層32，氧化層32覆蓋於分佈式n型摻雜區16之上。氧化層32係藉由高真空電子槍蒸鍍系統(E-Beam)而形成。
透明閘電極層34形成，如圖6所示，於氧化層32之正面形成一透明閘電極層34。透明閘電極層34係藉由多靶射頻濺鍍系統(Sputter)濺鍍而形成。
由於分佈式摻雜區光載子(電子)在縱向與橫向均有機會被正面電極有效收集到；同時，分佈式摻雜區域間無Emitter層在表面處，所以短波長(UV)的太陽光被吸收產生之光載子(電洞)不會有被Emitter層被複合的問題，因此短波長的太陽光被吸收產生光電流會比傳統PN接面貢獻更多，及增加對短波長反應讓太陽電池之轉換效率提高；另外，分佈式n+-Si 16條狀區域之寬度10 um、深度則可有更大的厚度彈性，當分佈式n+-Si 16擴散比較深時，進行正面電極退火處理時，比較不會產生p-n接面Spiking問題及無傳統PN-Junction在Emitter層光載子被復合損失考量。
藉由本發明之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽電池，可以免除習知技術中所遇到的Emitter層光載子復合損失、四周邊緣漏電流、及串聯電阻增加、絕緣層厚度的問題，所造成轉換效率的降低。
在較佳實施例之詳說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化，皆屬於本發明之範圍。
10．．．基板
12．．．正面
14．．．背面
15．．．摻雜區域間的距離
16．．．分佈式n型摻雜區
20．．．背面電極層
30．．．正面電極層
32．．．氧化層
34．．．透明閘電極層
36．．．偏壓用太陽光源
41．．．偏壓線路端
45．．．MOS太陽能電池輸出線路端
50．．．偏壓式太陽能電池
圖1顯示依據本發明較佳實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池之剖面示意圖。
圖2顯示依據本發明較佳實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池之分佈式n型摻雜區及其摻雜區域間的距離之剖面示意圖。
圖3至6顯示依據本發明較佳實施例之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池之製作方法之各步驟的結構剖面示意圖。
10．．．基板
12．．．正面
14．．．背面
16．．．分佈式n型摻雜區
20．．．背面電極層
30．．．正面電極層
32．．．氧化層
34．．．透明閘電極層
36．．．偏壓用太陽光源
41．．．偏壓線路端
45．．．MOS太陽能電池輸出線路端
50．．．偏壓用太陽能電池

Claims (10)

  1. 一種分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，包含：一基板；一分佈式n型摻雜區；一背面電極層；一正面電極層；一氧化層；一透明閘電極層；一太陽光偏壓源；基板，其具有一正面、一背面及一分佈式n型摻雜區，分佈式n型摻雜區位於基板之正面；於基板之背面形成一背面電極層，於一最佳溫度下進行熱處理使其形成歐姆接觸；於基板之正面形成一正面電極層；於基板正面及正面電極層之電極與電極間形成一氧化層；於氧化層之正面形成一透明閘電極層，以使透明閘電極層為偏壓端；因分佈式n型摻雜區，光載子(電子)在縱向與橫向均有機會被正面電極有效收集到；同時，分佈式摻雜區域間無Emitter層在表面處，所以短波長(UV)的太陽光被吸收產生之光載子(電洞)不會有被Emitter層被複合的問題，因此短波長的太陽光被吸收產生光電流會比傳統PN接面貢獻更多，及增加對短波長反應讓太陽電池之轉換效率提高。當太陽光偏壓源之輸出電壓加在透明閘電極層時，基板與分佈式n型摻雜區間之空乏區會往基板深處延伸，建立更大的內建電場，光吸收產生之電子(電洞)受電場作用下會快速朝向正面電極層(背面電極層)方向移動，正面電極層和背面電極層會因透明閘電極層加上偏壓因而收集更多的電子與電洞經由輸出線路流出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該基板係為一矽基板，但亦可為其它基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該分佈式n型摻雜區，此條狀區域寬度以10 um為原則，摻雜區域間的距離，以兩個空乏區寬度(Depletion region,W)加上兩個少數載子(電子)擴散長度(Ln)為參考。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該背面電極層之材料為鋁，但亦可為其它金屬材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該正面電極層之材料為鈦/鋁，但亦可為其它金屬材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該氧化層之材料為二氧化矽(SiO2)，但亦可為其它介電材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該透明閘電極層之材料為氧化銦錫(ITO)，但亦可為其它透明導電薄膜材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該背面電極層與基板背面具有一歐姆接觸關系。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該電極層之厚度可大於200奈米
  10. 如申請專利範圍第1項所述之分佈式PN接面金氧半(MOS)太陽能電池，其中該氧化層之厚度為10-20奈米。
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