TW201742259A - 氫化太陽能電池之方法及其裝置 - Google Patents

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劉忠奇
邱彥凱
林綱正
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Abstract

本發明提供一種氫化太陽能電池的方法及其裝置，此裝置包含腔體、移動裝置及光束產生器。由此光束產生器所產生之光束的功率介於20W/cm2至200W/cm2之間，其寬幅介於1mm至156mm之間。此光束以介於50mm/sec至200mm/sec之間的掃描速率，掃描太陽能電池而達到氫化太陽能電池的效果。此外，氫化太陽能電池的裝置更包含加熱裝置，用以加熱該太陽能電池。

Description

氫化太陽能電池之方法及其裝置
本發明係關於氫化太陽能電池的方法及其裝置。
太陽能電池是一種環保能源，可直接將太陽能轉換為電能。現有的太陽能電池依據主體材料的不同可分為矽基半導體太陽能電池、染料敏化太陽能電池及有機材料太陽能電池等，其中，以矽基半導體太陽能電池的光電轉換效率為最佳，且具有低成本的優勢。
然而，矽基半導體太陽能電池中的矽基板，常具有較高的晶格缺陷密度與雜質。這些雜質(如：氧)可能進一步與製程中摻雜至矽基板中的摻雜質(如：硼)結合形成帶正電複合物(如：硼氧複合物)。於太陽能電池發電的過程中，這些晶格缺陷或帶正電複合物會捕捉光照後所產生的電子，即所謂的光致衰減現象。此現象將大幅降低太陽能電池的光電轉換效率，且隨使用時間增加，此現象會有加劇之趨勢。因此，需要一種改良太陽能電池的方法，以期能改善上述問題。
為了解決上述之問題，本發明提供一種氫化太陽能電池的方法及裝置。
本發明之一態樣係提供一種氫化太陽能電池的方法，包含提供太陽能電池以及以光束掃描太陽能電池。其中，此光束的功率介於20W/cm2至200W/cm2之間，且具有寬幅介於1mm至156mm之間。此外，此光束掃過太陽能電池的掃描速率介於50mm/sec至200mm/sec之間。
根據本發明之一些實施方式，光束的波長介於450nm至1100nm之間。
根據本發明之一些實施方式，氫化太陽能電池的方法更包含加熱太陽能電池至一溫度介於室溫至400℃之間。
本發明之一態樣係提供一種氫化太陽能電池的裝置。此裝置包含腔體、移動裝置及光束產生器。其中，移動裝置穿過腔體且用以承載太陽能電池，而光束產生器則設置於腔體之上部，且位於該移動裝置之上方。
根據本發明之一些實施方式，氫化太陽能電池的裝置係藉由移動裝置，連結至快速燒結爐與檢測設備。
根據本發明之一些實施方式，氫化太陽能電池的裝置更包含加熱裝置，位於移動裝置之下方。
根據本發明之一些實施方式，氫化太陽能電池的裝置更包含氣體噴管，位於光束產生器旁，且其開口對準光束產生器下方的太陽能電池。
根據本發明之一些實施方式，光束產生器所產生的光束，其功率介於20W/cm2至200W/cm2之間。
根據本發明之一些實施方式，光束產生器所產生的光束，其寬幅介於1mm至156mm之間。
根據本發明之一些實施方式，移動裝置的移動速率介於50mm/sec至200mm/sec之間。
10‧‧‧太陽能電池
12‧‧‧P型矽基板
14‧‧‧N型半導體層
16‧‧‧抗反射層
18‧‧‧絕緣層
20‧‧‧導電層
110‧‧‧快速燒結爐
120‧‧‧移動裝置
130‧‧‧效率檢測系統
200‧‧‧氫化太陽能電池的裝置
210‧‧‧腔體
220‧‧‧光束產生器
230‧‧‧導線
240‧‧‧光束控制裝置
260‧‧‧光束
300‧‧‧氫化太陽能電池的裝置
320‧‧‧氣體噴管
330‧‧‧氣體導管
340‧‧‧氫氣瓶
350‧‧‧氣體流量控制閥
360‧‧‧氫氣
400‧‧‧氫化太陽能電池的裝置
420‧‧‧加熱裝置
430‧‧‧導線
440‧‧‧溫度控制器
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示根據本發明之一些實施例，一種太陽能電池的剖面圖；第2圖繪示根據本發明之一些實施例，一種氫化太陽能電池之裝置的上視圖；第3圖繪示根據本發明之一些實施例，一種氫化太陽能電池之裝置的側視圖；第4圖繪示根據本發明之一些實施例，一種氫化太陽能電池之裝置的側視圖；以及第5圖繪示根據本發明之一些實施例，一種氫化太陽能電池之裝置的側視圖。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或實例，以實現本發明的不同特徵。特定實例的組成及佈局敘述如下，以簡化本發明。當然這些僅是實例，並非用以限制。舉例而言，在敘述中，第一特徵形成於第二特徵上方或之上時，隨之而來可包含實施例，其中第一及第二特徵形成以直接接觸；且亦可包含實施例，其中額外的特徵可形成於第一及第二特徵之間，因此第一及第二特徵可不直接接觸。此外，本發明可在各實例中重複元件編號及/或文字。重複的目的在於簡化且明確，但不在其中決定介於所討論的多種實施例及/或組態之間的相對關係。此外，本發明所稱之「一」，除特別說明(例如：「單一」)外，非用以限制技術特徵或結構之數量，而是指稱一種技術特徵或結構。
此外，空間上的相對用語，例如「在..之下」、「以下」、「下」、「上方」、「上」及其類，在此為了易於敘述可用以描述如圖所示的元件或特徵對於其他元件或特徵的相對關係。除了圖示所描繪的面向之外，空間上的相對用語意旨於圍繞所使用或操作的裝置的不同面向。要不然就是，設備可被導向(旋轉90度或於其他面向)，且在此所用的空間上的相對描述符號可據此同樣的被解讀。此外，「由…所製成」其意思表示「包含…」或「由…所構成」。
矽基板常應用於太陽能電池之中，然而矽基板本身具有高濃度的缺陷或雜質。或者，當摻雜P型雜質(如：硼)於矽基板中時，硼離子與矽基板中的氧離子會結合，形成帶正電的硼氧複合物(BO+)。於太陽能電池的光電轉換過程中，此 些缺陷、雜質或帶正電的硼氧複合物會困住移動的電子，使得光電轉換效率下降，此現象稱為光致衰減(light-introduced degradation，LID)。
本發明提供一種氫化太陽能電池的方法與一種氫化太陽能電池的裝置，以改善太陽能電池的光致衰減程度，進而提高其使用效能。此方法係以光束激發位於太陽能電池中的氫離子至較高的能帶，使氫離子能擴散移動至上述缺陷、雜質或帶正電的硼氧複合物，以中和電性或鈍化缺陷，使得電子於光轉換過程中不為此些帶正電的複合物或缺陷所困住，故能提升光電轉換效率並降低光致衰減程度。
第1圖係繪示根據本發明之一些實施例，一種太陽能電池的剖面圖。如第1圖所示，在本實施例中，太陽能電池10可為但不侷限於P型矽基板太陽能電池，其包含摻雜P型雜質(如：硼、鎵或銦)的P型矽基板12、N型半導體層14、抗反射層16、絕緣層18及導電層20。在一些實施例中，太陽能電池10更包含氫離子來源層，其可藉由各種摻雜方式(如：離子植入法、電漿摻雜法)，摻雜氫離子至位於P型矽基板12上的絕緣層18之中，以形成氫離子來源層。值得注意的是，太陽能電池10可為包含各種結構之各態樣的太陽能電池，而不侷限於第1圖所示者。
接著，請參照第2圖及第3圖，其分別繪示根據本發明之一些實施例，一種態樣之氫化太陽能電池的裝置200的上視圖及側視圖。如第2圖所示，氫化太陽能電池的裝置200係設置，但不侷限於快速燒結爐(fast firing furnace，FFF)110 與效率檢測系統(CTS)130之間。此外，透過移動裝置120，可將剛燒結完成後的太陽能電池10，接續進行氫化製程，再移動至效率檢測系統130，以進行效率測試。在一些實施例中，移動裝置120可為輸送帶等工業上常用之移動載具，但不以此為限。
接著，請參照第3圖，在一些實施例中，氫化太陽能電池的裝置200包含腔體210、光束產生器220、導線230及光束控制裝置240。光束控制裝置240透過導線230可控制光束產生器220所產生之光束260的功率、波長與寬幅。值得注意的是，此處所稱之寬幅，係指光束260於平行移動裝置120之寬度。此外，移動裝置120具有一固定速率，可使光束產生器220所產生之光束260相對於位於移動裝置120上的太陽能電池10，具有一掃描速率。有關上述光束260的功率、波長、寬幅與掃描速率將於後詳述。在其他實施例中，氫化太陽能電池的裝置不具有腔體210，僅為一光束產生器，且可設置於其他太陽能電池之製程設備之中，而不受到腔體的空間障礙限制。
請參照第4圖，其繪示根據本發明之一些實施例，另一種態樣之氫化太陽能電池的裝置300的側視圖。如第4圖所示，氫化太陽能電池的裝置300包含腔體210、光束產生器220、導線230、光束控制裝置240、氣體噴管320、氣體流量控制閥350、氣體導管330及氫氣瓶340。不同於氫化太陽能電池的裝置200，氫化太陽能電池的裝置300更包含氫氣供應裝置，於氫化太陽能電池的過程中，提供太陽能電池10表面高 濃度的氫氣，以達到鈍化太陽能電池矽基板的功能。更詳細地說，可藉由氣體噴管320將高濃度氫氣360噴向太陽能電池10表面，使氫氣360於光束照射下，擴散並補充太陽能電池內部之氫離子的濃度，並與缺陷或帶正電複合物結合而達到鈍化的效果。在本實施例中，氫氣係透過氣體導管330、氣體流量控制閥350及氣體噴管320，以斜角方式噴向位於光束產生器220下方的太陽能電池10的上表面。在其他實施例中，氣體噴管可設置於氫化太陽能電池的裝置300內的任一位置，且以任意的角度噴向位於光束產生器下方的太陽能電池10。在其他實施例中，氫化太陽能電池的裝置300的腔體210可為氣密式，而氣體噴管用以導入高濃度氫氣於腔體內。在其他實施例中，氣體噴管可為電漿噴管以形成氫離子電漿源，而氫化太陽能電池的裝置可能更包含脈衝產生器連結至太陽能電池或位於其下方，便可以電漿摻雜的方式，將氫離子摻雜至太陽能電池10之中。
請參照第5圖，其繪示根據本發明之一些實施例，另一種態樣之氫化太陽能電池的裝置400的側視圖。如第5圖所示，氫化太陽能電池的裝置400包含腔體210、光束產生器220、導線230、光束控制裝置240、氣體噴管320、氣體流量控制閥350、氣體導管330、氫氣瓶340、加熱裝置420、導線430及溫度控制器440。不同於氫化太陽能電池的裝置300，氫化太陽能電池的裝置400更包含加熱系統，於氫化太陽能電池的過程中，對太陽能電池10進行加熱，以進一步提升氫化太陽能電池的效果。在本實施例中，加熱裝置420係設置於移動 裝置120下方，且透過導線430連結至溫度控制器440，以精確控制加熱的溫度。在其他實施例中，氫化太陽能電池的裝置的腔體可為氣密式，而加熱裝置可設置於氫化太陽能電池的裝置內任意之位置，使得氫化太陽能電池的裝置內各處均勻地達到預設之溫度。
上述之光束260可為，但不侷限於雷射光或可見光。在一些實施例中，上述光束260的功率介於0.01W/cm2至10000W/cm2之間，例如：0.05W/cm2、0.1W/cm2、0.5W/cm2、1W/cm2、5W/cm2、10W/cm2、20W/cm2、30W/cm2、40W/cm2、50W/cm2、60W/cm2、70W/cm2、80W/cm2、90W/cm2、100W/cm2、125W/cm2、150W/cm2、175W/cm2、200W/cm2、300W/cm2、400W/cm2、500W/cm2、750W/cm2、1000W/cm2、2000W/cm2、3000W/cm2、4000W/cm2、5000W/cm2、6000W/cm2、7000W/cm2、8000W/cm2、9000W/cm2。在較佳實施例中，其功率介於20W/cm2至200W/cm2之間。
在一些實施例中，上述光束260的波長介於100nm至2000nm之間，例如：200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm。在較佳實施例中，其波長介於450nm至1100nm之間。
在一些實施例中，上述光束260的寬幅介於0.1mm至300mm之間，例如：0.2mm、0.5mm、0.1mm、 0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm、20mm、30mm、50mm、75mm、100mm、125mm、150mm、200mm、250mm。在較佳實施例中，其寬幅介於1mm至156mm之間。
在一些實施例中，上述光束260的掃描速率介於10mm/sec至500mm/sec之間，例如：25mm/sec、50mm/sec、75mm/sec、100mm/sec、125mm/sec、150mm/sec、175mm/sec、200mm/sec、250mm/sec、300mm/sec、350mm/sec、400mm/sec、450mm/sec。在較佳實施例中，其掃描速率介於50mm/sec至200mm/sec之間。值得注意的是，藉由適當調整光束260的寬幅與掃描速率(即移動裝置之移動速率)，可準確控制照射光束260於太陽能電池10上的時間，以獲得最佳之氫化效果。舉例來說，太陽能電池10接受光束260掃描的時間可介於0.005秒至3秒之間。
在一些實施例中，上述加熱裝置420的加熱溫度介於室溫至800℃之間，例如：50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃。在較佳實施例中，其加熱溫度介於室溫至400℃之間。
在一特定實施例中，太陽能電池10係經由氫化太陽能電池的裝置200進行氫化製程，以測量太陽能電池經氫化製程後，其光致衰減(LID)的改善程度。於此特定實施例中，光束260的功率為0.1W/cm2、波長介於400nm至700nm之間、寬幅介於1mm至156mm之間，且掃描速率介於100mm/sec至150mm/sec之間。
接著，將經氫化處理後的太陽能電池(實驗組)與未經氫化處理的太陽能電池(對照組)，同時曝曬並經累計光照能量達60KWh/m2後，所測得的太陽能電池之光電轉換效率如下列表一所示。
由表一可見，未經氫化處理的太陽能電池(對照組)經過曝曬並經累計光照能量達60KWh/m2後，其光電轉換效率由測試前的20.58%降至19.96%，代表其光致衰減(LID)量為3.0%。而經氫化處理的太陽能電池(實驗組)，測試後的光電轉換效率由測試前的20.50%降至20.25%，代表其光致衰減(LID)量為1.2%。由此可知，本發明所提供之氫化太陽能電池的方法，能有效改善太陽能電池的光致衰減(LID)程度。
由上述本發明實施例可知，本發明具有下列優點。本發明的氫化太陽能電池的裝置能對太陽能電池進行氫化製程，以改善太陽能電池的光致衰減程度。更具體而言，藉由本發明之氫化太陽能電池的裝置氫化太陽能電池，能使得太陽能電池經過曝曬並經累計光照能量達60KWh/m2後，其光致衰減(LID)程度小於2%。據此，本發明可使用簡單的製程，改善太陽能電池於後續使用中，光電轉換效率下降的程度。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。
10‧‧‧太陽能電池
110‧‧‧快速燒結爐
120‧‧‧移動裝置
130‧‧‧效率檢測系統
200‧‧‧氫化太陽能電池的裝置
210‧‧‧腔體
220‧‧‧光束產生器
230‧‧‧導線
240‧‧‧光束控制裝置
260‧‧‧光束

Claims (10)

  1. 一種氫化太陽能電池的方法，包含：提供一太陽能電池；以及以一光束掃過該太陽能電池，其中該光束具有一功率介於20W/cm2至200W/cm2之間；一寬幅介於1mm至156mm之間；以及一掃描速率介於50mm/sec至200mm/sec之間。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該光束具有一波長介於450nm至1100nm之間。
  3. 如請求項1所述之方法，更包含加熱該太陽能電池至一溫度介於室溫至400℃之間。
  4. 一種氫化太陽能電池的裝置，包含：一腔體；一移動裝置，穿過該腔體，且用以承載一太陽能電池；以及一光束產生器，設置於該腔體之上部，且位於該移動裝置之上方。
  5. 如請求項4所述之裝置，其中該氫化太陽能電池的裝置係藉由該移動裝置，連結至一快速燒結爐與一檢測設備。
  6. 如請求項4所述之裝置，更包含一加熱裝置，位於該移動裝置之下。
  7. 如請求項4所述之裝置，更包含一氣體噴管位於該光束產生器旁，且其開口對準該光束產生器下方的該太陽能電池。
  8. 如請求項4所述之裝置，其中該光束產生器所產生之光束，具有一功率介於20W/cm2至200W/cm2之間。
  9. 如請求項4所述之裝置，其中該光束產生器所產生之光束，具有一寬幅介於1mm至156mm之間。
  10. 如請求項4所述之裝置，其中該移動裝置具有一移動速率介於50mm/sec至200mm/sec之間。
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