TW202240926A - 太陽能電池 - Google Patents

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中屋敷憲太
舒韻 張
雅婷 蔡
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新加坡商Ｒｅｃ太陽能公司
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Abstract

一種太陽能電池，包含：結晶矽基板；半導體層，配置在基板之建構成當太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上；以及透明導電區域，配置在半導體層的表面上。其中透明導電區域包含；第一層，具有第一工作函數；以及第二層，具有第二工作函數且插置在第一層和半導體層之間；其中第二層的第二工作函數大於第一層的第一工作函數。

Description

太陽能電池
本揭示關於太陽能電池及其形成方法。
從陽光提供電能的太陽能模組包含太陽能∕光伏電池的陣列，每個電池包含配置在一或更多個正面和背面電極之間的多層半導體結構。
基板典型與配置在基板之表面上的發射層形成p-n接面(亦即基板和發射層中的一者是n型材料，而另一者是p型材料)。p-n接面回應於入射在太陽能電池上的光而利於產生電流。
表面場層(譬如正面或背面場層)配置在基板之相反於發射層的表面上。表面場層被摻雜(亦即具有與發射層相反的電荷類型)且建構成從基板汲取電荷載子。
發射層和表面場層典型是由非晶形矽(a-Si)所形成，而基板是由結晶矽(c-Si)所形成，如此以達成異質接面科技(heterojunction technology，HJT)型太陽能電池。
以此種HJT太陽能電池而言，透明導電氧化物(transparent conducting oxide，TCO)層插置在表面場層和某一電極之間，並且進一步的TCO層插置在發射層和另一電極之間。TCO層配置成從太陽能電池的作用層(譬如表面場層和發射層)汲取電荷載子且將它們傳輸至個別電極。
為了使太陽能電池的效率最大化，重要的是使TCO層的光電子性質最大化。然而，由於透明材料一般是絕緣體，並且導電材料傾向於具有金屬性質，故在此種材料的光學和電性質之間有基本的取捨。
據此，仍需要增加此種太陽能電池之TCO層的光學性質，而也需改善它們的電荷載子傳輸性質。
根據第一方面提供的是太陽能電池，包含：基板(譬如結晶矽基板)；半導體層，配置在基板之建構成當太陽能電池在使用時不面對輻射源(或建構成背對輻射源)的背面上；以及透明導電區域，配置在半導體層的表面上。透明導電區域包含：第一層，具有第一工作函數；以及第二層，具有第二工作函數且插置在第一層和半導體層之間。第二層的第二工作函數大於第一層的第一工作函數。於具體態樣，半導體層插置在基板和透明導電區域之間。
在已知的太陽能電池之運作期間，光生載子是由TCO所收集且傳輸至電極。此種TCO層可能建構有低工作函數而增加其導電率，如此以增加光生載子對電極的傳輸。然而，TCO層的低工作函數可以導致與太陽能電池之上面配置了TCO層的半導體層(譬如非晶形矽[a-Si])的接觸電阻有所增加。
接觸電阻增加源自於在TCO和半導體層之間的介面形成了電位阻障(譬如寄生性蕭特基阻障)。此電位阻障產生擴散電位，而抑制TCO層收集光生載子，並且藉此減少太陽能電池的效率。
本發明的透明導電區域設有第二層，配置在第一層和半導體層之間。第二層建構有大於第一層之工作函數的工作函數。如此，則第二層的第二工作函數更適合匹配於半導體層的價帶或傳導帶，如此以減少寄生性電位阻障。如此，則透明導電區域能夠從半導體層汲取更多的光生載子，藉此增加太陽能電池的填充因素(fill factor，FF)和效率。
再者，透明導電區域的第一層建構有較小的工作函數，這導致有較低的透明度(相較於第二層)。此導致未吸收的光子反射回去朝向太陽能電池的光作用層(譬如半導體層)有所增加。
第一層之相對低的工作函數也導致導電率增加(相較於第二層)，藉此促進光生電荷載子轉移至電極中，電極則可能配置在透明導電區域的外部(譬如最外)表面。
將體會「工作函數」(work function)一詞是指固態材料的費米能階和固態材料外面之自由空間的能量(亦即真空能階)之間的能階差異。如此，則此詞界定使電子從絕對零度之固態材料解放所需的最小能量。
當材料的對應能量值(測量為電子伏特[eV])大於另一材料時，該材料的工作函數則視為大於另一材料。
半導體層配置在基板之建構成當太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上。以此方式，則透明導電區域配置在半導體層的背面上。透明導電區域的第一層(其界定最外層)具有較小的工作函數，因而有較低的透明度(亦即高反射度)。據此，第一層可能建構成將可能已通過透明導電區域的光子反射回去朝向太陽能電池的光作用層。再者，第一層的導電率增加將減少與可能配置在其外表面上之背面電極的接觸電阻。
將了解當例如層、膜、區域或基板的元件被稱為「在…上」(on)、「相鄰於」(adjacent)或「相反於」(opposite)另一元件時，它可以「直接在…上」(directly on)、「直接相鄰於」(directly adjacent)或「直接相反於」(directly opposite)該進一步元件；替代選擇而言，可能存在一或更多個中介元件。相對來看，當元件被稱為「直接在…上」、「直接相鄰於」或「直接相反於」另一元件時，沒有存在中介元件。
現在將列出可選擇的特徵。這些特徵可單獨地或與任何方面做任何組合地來應用。
半導體層可能建構有正導電率類型(亦即p型)。在此情形，透明導電區域之具有較大工作函數的第二層提供更緊密匹配於p型半導體層的價帶，而有助於正電荷載子(亦即電洞)傳輸跨越透明導電區域和半導體層之間的介面。尤其，第二層的較大工作函數避免能帶在對p型半導體的介面彎曲，否則就會對當太陽能電池在使用時被驅動朝向電極的電洞呈現電位阻障(譬如蕭特基阻障)。以此方式，則透明導電區域的第二層增加從太陽能電池汲取電洞，儘管第二層具有小於第一層的導電率。
第二層的第二工作函數可能建構成小於半導體層的工作函數。「小於」(less than)一詞可能將第二工作函數界定為「僅稍微小於」(only slightly less than)半導體層的工作函數。如此，則第二工作函數可能建構成小於但實質靠近(亦即如此以匹配於)半導體層工作函數以利於電荷載子跨越這二層之間的介面做有效率的轉移。於範例性配置，第二工作函數可能小於半導體層工作函數的5%，選擇而言小於2%，或選擇而言小於1%。
半導體層的工作函數和透明導電區域之第二層的工作函數之間的差異可能小於半導體層的工作函數和透明導電區域之第一層的工作函數之間的差異。
有利而言，第二層的工作函數更緊密匹配於半導體層的工作函數。以此方式，則第二層相較於第一層而能夠改善半導體層和透明導電區域之間的能帶對齊，藉此減少在透明導電區域和半導體層之間介面的接觸電阻。
透明導電區域可能界定成縮退的半導體(亦即重度摻雜的半導體)，其中費米能階位在傳導帶中而使材料行為像金屬。透明導電區域之諸層的載子摻雜濃度改變可以使工作函數偏移(費米能階也是)，藉此影響在透明導電區域和半導體層之間介面的能帶對齊。
透明導電區域的工作函數取決於透明導電區域材料的材料性質，這可以藉由控制透明導電區域製程(譬如沉積)的參數而決定。尤其，透明導電區域的工作函數可能在透明導電區域層的製作期間藉由控制氧濃度而修改。
透明導電區域的至少一層或每一層可能建構有在3.5電子伏特和6.0電子伏特之間的工作函數，選擇而言在4.0至5.5電子伏特之間。
第三層可能直接配置在半導體層上。舉例而言，第三層可能配置成直接接觸(例如沉積在)半導體層的表面(例如接收表面)。以此方式，則第三層有利地建構成直接從半導體層汲取電荷載子。
第一層可能直接配置在第二層上。舉例而言，第一層可能配置成直接接觸(例如沉積在)第二層的表面(例如接收表面)。再者，第二層可能直接配置在第三層上。以此方式，則在透明導電區域的這些個別層之間介面可能有界定之工作函數的階段改變。
第三層的第三工作函數可能建構成比第二層的第二工作函數大高達10%(譬如高達第二工作函數的110%)。替代選擇而言，第三層的第三工作函數可能建構成比第二層的第二工作函數大高達15%(譬如高達第二工作函數的115%)。替代選擇而言，第三層的第三工作函數可能建構成比第二層的第二工作函數大至少10%且高達15%(譬如第二工作函數的至少110%且高達115%)。
當第三層直接配置成相鄰於半導體層時，第三層的第三工作函數可能建構成大於5.0電子伏特且小於6.0電子伏特，選擇而言為5.5電子伏特。在此情形，第二層的工作函數可能小於第三層的工作函數(譬如小於5.0電子伏特和6.0電子伏特之間)且大於第一層的工作函數(譬如大於3.5電子伏特和4.5電子伏特之間)。
透明導電區域的至少一層可能是由金屬氧化物材料所形成。透明導電區域的至少一層可能是由氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)所形成。替代選擇而言，透明導電區域的至少一層可能是由以下一或更多者所形成：氧化鋅(ZnO)、摻雜銦的氧化錫(ITO)、氧化錫(SnO 2)、氧化銦(In 2O 3)、摻雜氟化物的氧化錫(fluoride doped tin oxide，FTO)。半導體層可能是由非晶形矽(a-Si)所形成。
基板上面配置了半導體層的表面可能是基板的第一表面，並且太陽能電池可能包含第二半導體層，配置在基板之相反於第一表面的第二表面。太陽能電池可能進一步包含第二透明導電區域，配置在第二半導體層的表面上。
第二透明導電區域可能包含：第一層，具有第一工作函數；以及第二層，具有第二工作函數且插置在第一層和第二半導體層之間。第二層的第二工作函數可能建構成大於第一層的第一工作函數。
第二半導體層可能建構有負導電率類型(亦即n型)。
第二透明導電區域可能包含第三層，插置在第二層和第二半導體層之間。第三層可能直接配置在第二半導體層上。舉例而言，第二透明導電區域的第三層可能配置成直接接觸(例如沉積在)第二半導體層的表面(例如接收表面)。據此，第三層有利地建構成直接從第二半導體層汲取電荷載子。第三層可能建構有第三工作函數，可能大於第二層的第二工作函數。
第二半導體層可能界定發射層。當太陽能電池在使用時，發射層可能配置在基板之可能建構成面對輻射源的正面上。
第二透明導電區域的至少一層可能是由金屬氧化物材料所形成，並且第二半導體層可能是由非晶形矽(a-Si)所組成。
第二透明導電區域之第一和第二層的工作函數可能以類似於第一透明導電區域之對應層的方式來建構。然而，在此情形，透明導電層的工作函數之間的差異將為較小以反映正面電極和正面累積層之間工作函數的較小差異。
基板可能是由結晶矽(c-Si)所組成，例如矽晶圓。結晶矽基板可能包含連續的晶體結構，譬如單晶矽。替代選擇而言，基板可能包含一或更多個連續晶體結構的顆粒，譬如多晶(或多結晶)矽。
透明導電區域之第一和第二層的每一者可能建構有寬度、長度、深度。每個此種層可能建構成使得其寬度和長度都實質大於其深度。諸層的寬度和長度可能是在對齊於基板之表面平面的垂直方向上測量，並且深度可能是在垂直於基板之表面平面的方向上測量。
透明導電區域可能具有小於500奈米的厚度，選擇而言小於200奈米，選擇而言小於100奈米。透明導電區域的每一層可能具有至少20奈米且不大於50奈米的厚度。
正面透明導電區域可能進一步建構成界定太陽能電池的抗反射層或披覆。如此，則透明導電區域的諸層可能被刻紋以提供抗反射表面。抗反射層有利地減少入射在太陽能電池上光的反射度且增加預先決定之波長能帶的選擇性，藉此增加太陽能電池的效率。
根據範例性配置，太陽能電池可能包含電極，配置在透明導電區域相反於與半導體層形成介面之表面的表面上(譬如使得透明導電區域可能插置在基板和電極之間)。
太陽能電池可能進一步包含鈍化層，可能配置在基板和第一和第二半導體層中的至少一或每一者之間。(多個)鈍化層可能是由非晶形材料所形成，可能建構成鈍化上面配置了個別半導體層的(多個)基板表面。(多個)鈍化層可能是由非晶形矽(a-Si)所組成。(多個)鈍化層可能是非摻雜的(例如由本質性半導體材料所形成)。
半導體層和∕或(多個)鈍化層中的至少一或每一者可能是由具有規定化學組成的材料所組成。每一層可能以依序的過程而沉積(或譬如擴散或植入)至基板上。
從前面將了解基板和半導體層都可能是由一或更多種半導體材料所形成。每種半導體材料可能建構有由含括之摻雜原子所決定的導電率類型。以此方式，則每種個別的半導體材料可能摻雜了具有已決定之電荷的原子，以增加摻雜之整體材料裡的多餘電荷載子。
將了解摻雜原子的離子化狀態可能決定摻雜之半導體材料的導電率類型。舉例而言，半導體材料可能被正或負摻雜，如此以分別展現正導電率類型(p型)或負導電率(n型)。具有決定之導電率類型(譬如p型或n型)的任一層可能建構成生成靜電驅動力，其將光生電荷載子(譬如電子和電洞)驅動朝向該層。舉例而言，p型材料將吸引電子且排斥電洞，並且n型材料將吸引電洞且排斥電子。在某些情形，半導體材料可能不摻雜(例如具有本質的鈍化層)。
基板可能建構有第一導電率類型(舉例而言為n型)，並且半導體層可能建構有相反於第一導電率類型的第二導電率類型(舉例而言為p型)，因此連同基板而形成p-n接面。
在p-n接面的p型和n型材料之間所形成的介面分別使多餘的電子和電洞擴散至n型和p型材料。此電荷載子的相對移動導致在p-n接面形成空乏區域(譬如空間電荷區域)。一旦達到熱平衡條件，則跨越空乏區域而形成內建的電位差。
在太陽能電池的運作期間，光入射在基板上所產生的複數個電子電洞對被源自p-n接面之內建電位差所生成的電場分開成電子和電洞。然後，分開的電子移動(譬如穿隧)至n型半導體，並且分開的電洞移動至p型半導體。因此，當基板是n型且發射器是p型時，分開的電洞和電子分別移動至發射器和基板。尤其，電洞和電子移動至配置在p-n接面之發射器和基板側上的個別電極。據此，電子變成基板中的主要載子，並且電洞變成發射器中的主要載子。
根據範例性配置，基板可能是由n型單晶矽晶圓所形成。至少一半導體層(譬如第一半導體層)可能包含至少部分摻雜的非晶形材料，如此以為p型。此種配置可能有助於形成異質接面科技(HJT)型太陽能電池，它這樣定義是因為它組合了二種不同的材料以在p-n接面生成電荷分離場。替代選擇而言，將體會太陽能電池可能建構成界定任何類型的太陽能電池結構。舉例而言，基板和發射器可能界定串接接面太陽能電池。
當半導體材料是n型時，它可能建構成含有V族元素的雜質，例如磷(P)、砷(As)、銻(Sb)。當半導體材料是p型時，它可能含有III族元素的雜質，例如硼(B)、鎵(Ga)、銦(In)。鈍化層可能建構成無導電率類型，使得它形成發射器和基板之間的本質層。
根據替代選擇性配置，發射器可能是n型且基板可能是p型，如此以在其間形成p-n接面。在此例子，分開的電洞和電子分別移動朝向基板和發射器。尤其，電洞和電子移動至配置在p-n接面之基板和發射器側上的個別電極。
至少一半導體層的另一者(譬如第二半導體層)可能建構有相同於基板的第一導電率類型(譬如n型)。此半導體層可能界定太陽能電池的累積器，而建構成有選擇地從基板篩選或汲取電荷載子。
於具體態樣，基板可能是由p型單晶矽晶圓所形成，並且半導體層可能包含至少部分摻雜的非晶形材料，如此以為p型。
如同建構有決定的導電率類型，每一半導體層還可能建構有不同的摻雜物濃度。每個摻雜層可能建構成生成靜電驅動力以驅動光生電荷載子(譬如電子和電洞)朝向個別層。至少一摻雜層的摻雜濃度可能有所增加，如此以生成較強的靜電力，導致電荷傳輸移動離開基板有所增加。
根據範例性配置，太陽能電池可能包含：結晶矽基板；背面半導體層，配置在基板之建構成當太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上；正面半導體層，配置在基板之建構成當太陽能電池在使用時面對輻射源的正面上；背面透明導電區域，配置在背面半導體層的表面上；以及正面透明導電區域，配置在正面半導體層的表面上。其中背面透明導電區域包含；第一層，具有第一工作函數；以及第二層，具有第二工作函數且插置在第一層和背面半導體層之間，其中第二層的第二工作函數大於第一層的第一工作函數。其中正面透明導電區域包含；第一層，具有第一工作函數；以及第二層，具有第二工作函數且插置在第一層和正面半導體層之間，其中第二層的第二工作函數大於第一層的第一工作函數。其中背面和正面透明導電區域中的至少一者包含第三層，具有第三工作函數且插置在基板和至少一背面和正面透明導電區域的個別第二層之間，其中第三層的第三工作函數大於至少一背面和正面透明導電區域之個別第二層的第二工作函數。根據有利的配置，正面和背面透明導電區域的每一者都具有至少二層，建構成致使個別區域的工作函數朝向基板而增加。而且，正面和背面透明導電區域中的至少一者包括第三層，建構成致使工作函數朝向基板(例如跨越所有三層)而逐漸(例如遞增地)增加。藉由建構正面和背面透明導電區域中的至少一者而有朝向基板(例如跨越三區分層)所逐漸增加的工作函數，則這使在正面和背面電極的電荷汲取最佳化而同時增加光子對基板裡的傳輸。
正面透明導電區域可能建構成僅有二層(例如第一和第二層)，而背面透明導電區域可能建構有三層(例如第一、第二、第三層)。替代選擇而言，背面透明導電區域可能建構成僅有二層，並且正面透明導電區域可能建構有三層。
正面和背面透明導電區域的每一者可能都包含第三層，具有第三工作函數且插置在基板和正面和背面透明導電區域的個別第二層之間(例如正面透明導電區域可能包含配置在基板和第二正面層之間的第三正面層，並且背面透明導電區域可能包含層配置在基板和第二背面層之間的第三背面層)。每個第三層的第三工作函數可能大於正面和背面透明導電區域之個別第二層的第二工作函數(例如第三正面層的工作函數可能大於第二正面層的工作函數，並且第三背面層的工作函數可能大於第二背面層的工作函數)。
如上所述，太陽能電池可能包含電極，配置成相反於透明導電區域且建構成從太陽能電池汲取光生電荷載子。電極可能配置成使得透明導電區域插置在電極和基板之間。
當透明導電區域配置在基板的背面(譬如最後面)上時，電極可能配置在透明導電區域的背面上以界定太陽能電池的背面電極。
當透明導電區域配置在基板的正面(譬如最前面)上時，電極可能配置在透明導電區域的正面上以界定太陽能電池的正面電極。
當太陽能電池包含分別配置在基板之正面和背面上的正面透明導電區域和背面透明導電區域時，太陽能電池可能包含配置在正面透明導電區域之正面上的正面電極和配置在背面透明導電區域之背面上的背面電極。每個電極可能建構成與正面和背面透明導電區域的個別表面形成歐姆接觸。
正面和背面電極可能各包含複數個指狀電極，配置在透明導電區域的個別表面上。每個指狀電極可能建構有實質大於其寬度的軸向長度。指狀電極的寬度和軸向長度可能都是在透明導電區域之個別表面平面的垂直方向上來測量。指狀電極可能在平行於透明導電區域之寬度方向的橫向上延伸。
複數個正面和∕或背面指狀電極中之每一者的指狀電極可能跨越個別表面而隔開以在指狀電極之間界定橫向延伸的空間。指狀電極可能在實質平行於透明導電區域之長度方向的縱向上隔開。複數個指狀電極中的每一者可能實質彼此平行。據此，複數個背面指狀電極可能形成平行、縱向隔開(譬如均等隔開)之指狀電極的陣列。
將了解如在此所用之「導電的」(conductive )和「絕緣的」(insulating)等詞明確打算分別意謂電傳導的和電絕緣的。鑒於本揭示的技術背景(光伏太陽能電池裝置)，這些詞的意義將特別明顯。也將了解「歐姆接觸」(ohmic contact)一詞打算意謂非整流電接面(亦即二導體之間的接面展現實質線性的電流-電壓[I-V]特徵)。
根據範例性配置，太陽能電池可能包含基板(例如矽基板)、配置在基板之正面上的正面半導體層、配置在正面半導體層之正面上的正面透明導電區域、配置在基板之背面上的背面半導體層、配置在背面半導體層之背面上的背面透明導電區域。
背面半導體層可能界定太陽能電池的發射器，定位成相反於基板以形成p-n接面。發射器可能電連接至背面電極，並且配置成使得發射器配置在背面電極和基板之間。背面透明導電區域可能建構成在太陽能電池的運作期間從發射器汲取電荷載子且將它們轉移至背面電極。
正面半導體層可能界定累積器，定位朝向基板的正面，亦即在基板層和正面電極之間。正面透明導電區域可能建構成在太陽能電池的運作期間從累積器汲取電荷載子且將它們轉移至正面電極。
根據範例性配置，太陽能電池可能包括n型矽基板、p型後發射器、具有不同工作函數的至少二透明導電層，其中配置成最靠近發射層的透明導電層具有大於二透明導電層中之另一者的工作函數。
將體會上面透明導電層的配置也可適用於配置在n型矽基板之正面上的p型發射層。
替代選擇而言，上面透明導電層的配置可進一步適用於具有p型矽基板和配置在基板正面上之p型累積層的太陽能電池。然而，在此配置，由於正面電極和p型累積層之間的工作函數差異較小，故透明導電層的工作函數之間的差異可能較小。
根據第二方面提供的是包含根據第一方面之複數個太陽能電池的太陽能模組。複數個太陽能電池可能電耦合在一起。
根據第三方面提供的是製造太陽能電池的方法，包含以下步驟：提供基板(譬如結晶矽基板)；配置半導體層在基板的表面上；以及配置透明導電區域在半導體層上，透明導電區域包含第一層和第二層。配置透明導電區域的步驟包含配置第二層在半導體層上且配置第一層在第二層上，使得第二層插置在第一層和半導體層之間。方法包含：建構第一層而有第一工作函數；以及建構第二層而有大於第一層之第一工作函數的第二工作函數。
配置半導體層在基板之表面上的方法可能包含建構半導體層而有正導電率類型(亦即p型)。
透明導電區域可能包含第三層，插置在第二層和半導體層之間。在此情形，配置透明導電區域的方法可能包含在沉積第二層前先配置第三層在半導體層上。此方法可能包含建構第三層而有大於第二層之第二工作函數的第三工作函數。配置第三層的步驟可能包含直接配置第三層在半導體層上(例如直接沉積第三層至半導體層的表面[例如接收表面]上)。
配置透明導電區域的步驟可能包含使用濺鍍過程或任何其他適合的沉積方法而依序沉積透明導電區域的諸層至半導體上。濺鍍過程可能包含直流(direct current，DC)磁控濺鍍。
方法可能包含控制濺鍍過程的至少一參數以決定第一和第二層中的工作函數。至少一參數可能包含氣體組成和氣體流率中的至少一者。
替代選擇而言，方法可能包含更改TCO沉積方法以沉積不同的材料給第一和第二層。第一和第二層之不同的TCO材料可能包含氧化鋅(ZnO)、摻雜銦的氧化錫(ITO)、氧化錫(SnO 2)、氧化銦(In 2O 3)、摻雜氟化物的氧化錫(FTO)中的至少一者。
方法可能包含建構第一層的濺鍍過程而有第一氧流率，以及建構第二層的濺鍍過程而有大於第一氧流率的第二氧流率。方法可能包含建構第三層的濺鍍過程而有大於第二層之第二氧流率的第三氧流率。有利而言，增加氧流率導致對應層之透明導電材料有較大的工作函數。
方法可能包含配置半導體層和透明導電區域在基板之建構成當太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上。
基板上面配置了半導體層的表面可能是基板的第一表面，並且方法可能包含配置第二半導體層在基板的第二表面上(第二表面相反於第一表面)，以及配置第二透明導電區域在第二半導體層的表面上，第二透明導電區域包含第一層和第二層。配置第二透明導電區域的步驟可能包含配置第二層在第二半導體層尚且配置第一層在第二層上，使得第二層插置在第一層和第二半導體層之間。方法可能包含：建構第一層而有第一工作函數；以及建構第二層而有大於第一層之第一工作函數的第二工作函數。
第二透明導電區域可能包含第三層，插置在第二層和第二半導體層之間。在此情形，配置第二透明導電區域的方法可能包含在沉積第二層前先配置第三層在第二半導體層上。此方法可能包含建構第三層而有大於第二層之第二工作函數的第三工作函數。配置第二透明導電區域之第三層的步驟可能包含直接配置第三層在第二半導體層上(例如直接沉積第三層至第二半導體層的表面[例如接收表面]上)。
方法可能包含配置第二半導體層和第二透明導電區域在基板之建構成當太陽能電池在使用時面對輻射源的正面上。
配置透明導電區域的方法可能包含建構透明導電區域的至少一或每一層，使得它們形成太陽能電池的抗反射層或披覆。
配置第二半導體層在基板之第二表面上的方法可能包含建構第二半導體層而有負導電率類型(亦即n型)。
在配置第一和第二半導體層中的至少一或每一者之前，方法可能包含配置鈍化層在基板的表面上，使得它插置在個別半導體層和基板之間。(多個)鈍化層可能是由非晶形材料所形成。方法可能包含建構(多個)鈍化層，使得它實質未摻雜(亦即呈本質性)。
配置第一和第二半導體層和∕或鈍化層中之至少一或每一者的步驟可能包含使用氣相沉積過程來沉積諸層至基板上。氣相沉積過程可能是電漿增強的化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapour deposition，PECVD)過程。
方法可能包含控制氣相沉積過程的至少一參數以決定第一和第二半導體層和∕或鈍化層中之至少一者的結構、化學、摻雜物組成。氣相沉積過程參數可能包含氣體組成和∕或氣體流率。氣相沉積過程參數可能界定沉積腔室的溫度。氣體組成可能包含二氧化碳(CO 2)、矽烷(SiH 4)、氫(H 2)中的至少一者。
方法可能進一步包含配置電極在第一和第二透明導電區域中的至少一或每一者上。
每個透明導電區域可能包含背面(譬如最後面)和相反於背面的正面(譬如最前面)。據此，當透明導電區域配置在基板的背面上時，方法可能包含配置電極至透明導電區域的背面上以界定背面電極。當透明導電區域配置在基板的正面上時，方法可能包含配置電極至透明導電區域的正面上以界定正面電極。
電極可能包含複數個指狀電極，如此則方法可能包含沉積複數個指狀電極至第一層上。方法可能包含沉積導電材料至透明導電區域的正面或背面上。
導電材料可能以多樣的方法來沉積，包括蒸鍍、鍍覆、印刷…等。舉例而言，導電材料可能包含印刷材料。沉積導電材料的方法可能包含把印刷材料之可印刷的前驅物印刷至透明導電區域的表面上。方法可能進一步包含根據燒製過程來熟化可印刷的前驅物以形成指狀電極。
熟練人士將體會：互相排斥的情形除外，相關於上面任一方面所述的特徵或參數可能適用於任何其他方面。再者，互相排斥的情形除外，在此所述的任何特徵或參數可能適用於任何方面以及∕或者與在此所述的任何其他特徵或參數組合。
現在將參考伴隨圖式來討論本揭示的各方面和具體態樣。熟於此技術者將明白進一步的方面和具體態樣。
圖1示意地示範太陽能電池10，其尤其包含半導體基板12，它包含：第一表面(亦即正面)14，在正常使用期間來自輻射源(譬如太陽)的光入射在上面；以及第二表面(亦即背面)16，其相反於正面14。也就是說，正面14可能建構成在使用時面對太陽，而背面16可能建構成在使用時背對太陽。
基板12把太陽能電池10分成往基板12前面(亦即在前方)的正面部分18和往基板12後面的背面部分20。入射在太陽能電池10上的光穿過正面部分18、基板12、然後是背面部分20。
正面和背面部分18、20中的每一者包含複數層，配置成界定分開的層狀結構。正面部分18(在此也稱為正面層狀結構18)配置成相反於基板12的正面14，並且背面部分20 (在此也稱為背面層狀結構20)配置成相反於基板12的背面16。正面和背面層狀結構18、20的組成層依序沉積(或譬如擴散或植入)至基板12之個別的正面和背面14、16上。
正面和背面部分18、20中的每一者建構有寬度、長度、深度。每一層的寬度和長度是在對齊於基板12之正面和背面14、16的垂直方向上來測量。對於每一層，其寬度和長度實質大於其深度，深度是在垂直於基板12之正面和背面14、16的方向上來測量。
太陽能電池10是背面發射器太陽能電池(尤其是背面發射器異質接面太陽能電池10)。如此，則太陽能電池10設有發射器50和配置在基板12之任一側的累積器52。據此，發射器50形成部分的背面部分20，並且累積器52形成部分的正面部分18。
根據示範的具體態樣，基板12是n型單晶矽晶圓，而與p型發射層50形成p-n接面。累積層52建構成具有n型，使得它可以從基板12汲取電子。發射層和累積層50、52各是由摻雜的非晶形矽(a-Si)材料所形成，它摻雜了對應元素以達成規定的導電率類型，如熟練人士所會理解。
正面部分18包含正面鈍化層28，插置在基板12的正面14和累積器52之間。背面部分20的背面鈍化層30插置在發射器50和基板12的背面16之間。鈍化層28、30中的每一者是由本質性非晶形矽材料所形成，如熟練人士所會理解。
發射層和累積層50、52各具有12奈米的深度，並且鈍化層28、30各具有3奈米的深度(如在圖1所示的垂直方向來測量)。
太陽能電池10進一步設有透明導電(transparent conductive，TC)區域46(在此也稱為正面TC區域46)，配置在累積器52的正面54。進一步的TC區域48(在此也稱為背面TC區域48)配置在發射器50的背面44。
TC區域46、48各被刻紋以提供太陽能電池10的抗反射表面，如圖1到3所示。正面電極40設在正面TC區域46的刻紋正面56，並且背面電極42設在背面TC區域48的刻紋背面58。正面和背面電極40、42是由銀所形成。
正面和背面TCO區域46、48各具有小於100奈米的厚度(如在圖1所示的垂直方向來測量)，並且它們各是由氧化銦錫(ITO)所形成。然而，TC區域46、48中之每一者的組成跨越其深度而有所變化，如下將更詳細描述。
現在將分別參考圖2和3來更詳細描述正面和背面TC區域46、48。
正面TC區域46包含第一、第二、第三正面層22、24、26，都具有不同的組成。第三正面層26插置在累積器52和第二正面層24之間，並且第二正面層24插置在第三正面層26和第一正面層22之間，如圖2所示。
第一、第二、第三正面層22、24、26中的每一者建構有不同的工作函數。尤其，第一正面層22建構有小於第二正面層24之第二工作函數的第一工作函數，第二正面層24的第二工作函數則小於第三正面層26的第三工作函數。
TC區域46、48之每一層的工作函數是指該層之組成材料的費米能階和材料外面自由空間的能量之間的能量差異。當特殊層的工作函數能量值(測量成電子伏特[eV])大於它所比較之某層的工作函數能量值時，該層的工作函數描述成大於另一層。再者，由於材料的工作函數是以負尺度來測量，故該詞較大是指工作函數值比比較值更負。
第一正面層22的第一工作函數是近似4.0電子伏特，第二正面層24的第二工作函數是近似4.1電子伏特，並且第三正面層26的第三工作函數是近似4.2電子伏特。累積層52的工作函數是近似4.2電子伏特，並且正面電極40的工作函數是近似4.0電子伏特。
正面TC區域46是由透明導電層的堆疊所形成，而當移動朝向太陽能電池10的作用層時(如圖2所示之垂直往下的方向)工作函數呈階段式增加。以此方式，則第三正面層26建構有最高(譬如最大)的工作函數(亦即在三層之中)，使得它具有低於第一和第二層22、24的導電率。然而，此意謂第三正面層26提供有利的透明窗口來通入緊接著配置在正面TC區域46下的累積層52。
再者，第一正面層22建構有最低(譬如最小)的工作函數，使得它具有大於第二和第三層24、26的導電率。此意謂第一正面層22提供對正面電極40的良好電接觸。較低工作函數也減少在太陽能電池10的最上表面之正面TC區域46的透明度。為了容許透明度有所降低，第一正面層22的厚度做得盡可能的薄以增加通入光作用層之入射光子的數目。
最後，第二正面層24建構有中間的工作函數，選擇成以致在其間插置了第二層之第一和第三層的導電率和透明度之間提供平衡。如此，則第二正面層24在第一和第三正面層22、26之間提供光電性質的橋接。
類似於正面TC區域46，背面TC區域48也包括三個背面層32、34、36的堆疊，如圖3所示。如同正面層，第一、第二、第三背面層32、34、36的每一者是由氧化銦錫所形成。然而，與正面層形成對照，三個背面層32、34、36是由不同的材料組成所形成，使得它們的工作函數當移動朝向太陽能電池10的作用層時(如圖3所示之垂直往上的方向)展現階段式增加。
尤其，第一背面層32所具有的第一工作函數小於第二和第三層34、36。第二背面層34所具有的第二工作函數小於第三層36但大於第一背面層32。第三背面層32所具有的第三工作函數大於第一和第二背面層32、34二者。
第一背面層32的第一工作函數是近似4.0電子伏特，第二背面層34的第二工作函數是近似4.75電子伏特，並且第三背面層36的第三工作函數是近似5.5電子伏特。發射層50的工作函數是近似5.5電子伏特，並且背面電極42的工作函數是近似4.0電子伏特。
根據示範的具體態樣，第三層36的工作函數是更適合匹配於發射器50的價帶，這減少了寄生性電位阻障形成在TC區域48和發射器50之間的可能性。
附帶而言，第一背面層32建構有相對低的工作函數，使得它具有較低透明度，這增加在太陽能電池10的最後表面之TC區域48的反射度。結果，當在使用時，更多未吸收的光子可能被背面TC區域48的第一背面層32反射回來朝向太陽能電池10的光作用層。
將體會第一背面層32配置成相鄰於太陽能電池10的背面電極42，並且由於第一背面層32具有相對低的工作函數，故它也展現增加的導電率(相較於第二和第三背面層34、36)。第一背面層32之相對為高的導電率造成光生電荷載子(亦即電洞)轉移至背面電極42中有所增加。據此，背面TC區域48能夠從發射器50汲取更多的光生載子，藉此增加太陽能電池10的填充因素(FF)。
第一、第二、第三正面層22、24、26和第一、第二、第三背面層32、34、36各具有近似30奈米的深度(如在圖2和3所示的垂直方向來測量)。如上所述，每一層22、24、26、32、34、36都是由氧化銦錫所形成。這些氧化銦錫材料的工作函數是在對應層的製作期間來調整氧流率而建構，如下所更詳細解釋。
圖4顯示形成例如上述之太陽能電池的方法100。方法包含第一步驟102：提供結晶矽晶圓以界定太陽能電池10的基板12。
於第二方法步驟104，方法包含分別沉積正面和背面鈍化層28、30至基板12的正面和背面14、16上。
第三方法步驟106包含分別沉積累積器52和發射器50至正面和背面鈍化層28、30上。據此，累積器和發射器52、50分別界定正面和背面半導體層。
第二和第三方法步驟104、106涉及配置(或形成)半導體層在矽晶圓基板12的正面和背面14、16上。這可能包含沉積、擴散、摻雜和∕或植入步驟。所稱的層形成上述太陽能電池10之至少部分的正面和後面部分18、20 (譬如發射層、累積層、鈍化層…等)。這些步驟的每一者涉及使用氣相沉積過程(譬如PECVD)來沉積對應的半導體材料。一般而言，氣相沉積過程的參數建構成決定每一層的組成(譬如結構的和∕或化學的)且也決定摻雜物濃度。
於第四方法步驟108，方法包含分別沉積正面和背面第三層26、36至累積器和發射器52、50。於第五步驟110，方法包含沉積正面和背面第二層24、34至個別的正面和背面第三層26、36上。於第六步驟112，方法包含沉積正面和背面第一層22、32至個別的正面和背面第二層24、34上。
第四、第五、第六方法步驟108、110、112各涉及沉積正面和背面TCO層至太陽能電池10的正面和背面上。這些步驟的每一者涉及使用DC磁控濺鍍過程來沉積對應的透明導電氧化物材料。一般而言，濺鍍過程的參數建構成決定每一層的組成(譬如結構的和∕或化學的)且也決定電和光學性質。舉例而言，TC區域46、48之正面和背面層中的每一者之組成材料的工作函數藉由調整濺鍍過程的參數而決定。尤其，正面和背面TC區域46、48的每一層使用不同的氧氣流率來沉積。
沉積第一正面層22的方法涉及使用第一氧流率以獲得第一工作函數。沉積第二正面層24的方法包括使用第二氧流率以獲得第二工作函數。沉積第三正面層26的方法包含第三氧流率以建構第三工作函數。第一正面層22的第一氧流率大於用來形成第二正面層24的第二氧流率。第二正面層24的第二氧流率大於用來形成第三正面層26的第三氧流率。
沉積第一背面層32的方法涉及使用第一氧流率以獲得第一工作函數。沉積第二背面層34的方法包括使用第二氧流率以獲得第二工作函數。沉積第三背面層36的方法包含第三氧流率以建構第三工作函數。第一背面層32的第一氧流率小於用來形成第二背面層34的第二氧流率。第二背面層34的第二氧流率小於用來形成第三背面層36的第三氧流率。
根據本發明的範例性配置，正面和背面TC區域46、48可能分開沉積。舉例而言，方法步驟108、110、112可能依序進行在太陽能電池10的正面上，然後再進行對應的步驟108、110、112在太陽能電池10的背面上。替代選擇而言，可能首先沉積背面層32、34、36，然後再沉積正面層22、24、26。
最後，第七方法步驟114包含配置正面和背面電極40、42在太陽能電池10之正面和背面部分18、20的最外表面上。
將了解本發明不限於上述的具體態樣，並且可以做出多樣的修飾和改善而不偏離在此所述的概念。除了互相排斥的情形以外，任何特徵都可能分開地採用或與任何其他特徵組合地採用，並且本揭示延伸至且包括在此所述之一或更多個特徵的所有組合和次組合。
10:太陽能電池 12:半導體基板 14:正面 16:背面 18:正面部分、正面層狀結構 20:背面部分、背面層狀結構 22:第一正面層 24:第二正面層 26:第三正面層 28:正面鈍化層 30:背面鈍化層 32:第一背面層 34:第二背面層 36:第三背面層 40:正面電極 42:背面電極 44:背面 46:正面透明導電區域 48:背面透明導電區域 50:發射器 52:累積器 54:正面 56:刻紋正面 58:刻紋背面 100:形成太陽能電池的方法 102~114:形成太陽能電池的方法步驟
現在將參考圖式而僅以舉例方式來描述具體態樣，其中： [圖1]是示範太陽能電池之諸層的示意圖； [圖2]是圖1太陽能電池之正面透明導電區域的近看圖； [圖3]是圖1太陽能電池之背面透明導電區域的近看圖；以及 [圖4]是示範形成圖1太陽能電池之方法的流程圖。
10:太陽能電池
12:半導體基板
14:正面
16:背面
18:正面部分、正面層狀結構
20:背面部分、背面層狀結構
28:正面鈍化層
30:背面鈍化層
40:正面電極
42:背面電極
44:背面
46:正面透明導電區域
48:背面透明導電區域
50:發射器
52:累積器
54:正面
56:刻紋正面
58:刻紋背面

Claims (26)

  1. 一種太陽能電池，包含：結晶矽基板；半導體層，配置在該基板之建構成當該太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上；以及透明導電區域，配置在該半導體層的表面上，其中該透明導電區域包含； 第一層，具有第一工作函數；以及 第二層，具有第二工作函數且插置在該第一層和該半導體層之間； 其中該第二層的該第二工作函數大於該第一層的該第一工作函數。
  2. 根據請求項1的太陽能電池，其中該半導體層建構有正導電率類型。
  3. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該第二層的該第二工作函數建構成小於該半導體層的工作函數。
  4. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該半導體層的該工作函數和該第二層的該工作函數之間的差異小於該半導體層的該工作函數和該第一層的該工作函數之間的差異。
  5. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該第二層的該第二工作函數建構成比該第一層的該第一工作函數大高達10%，選擇而言高達15%；選擇而言其中該第二層的該第二工作函數建構成比該第一層的該第一工作函數大至少10%且高達15%。
  6. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中透明導電區域包含第三層，插置在該第二層和該半導體層之間；其中該第三層建構有第三工作函數，大於該第二層的該第二工作函數。
  7. 根據請求項6的太陽能電池，其中該第三層直接配置在該半導體層上。
  8. 根據請求項7的太陽能電池，其中該第三層的該第三工作函數建構成比該第二層的該第二工作函數大高達10%，選擇而言高達15%。
  9. 根據請求項7的太陽能電池，其中該第三層的該第三工作函數建構成小於該半導體層的該工作函數。
  10. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中最遠離該基板之該層的該工作函數建構成大於3.5電子伏特且小於4.5電子伏特，以及∕或者最靠近該基板之該層的該工作函數建構成大於5.0電子伏特且小於6.0電子伏特。
  11. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該半導體層的該工作函數大於5.0電子伏特且小於6.0電子伏特。
  12. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該透明導電區域具有小於500奈米的厚度，以及其中該透明導電區域的每一層具有至少20奈米且不大於50奈米的厚度。
  13. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該透明導電區域的至少一層是由金屬氧化物材料所形成，並且該半導體層是由非晶形矽(a-Si)所組成。
  14. 根據請求項1或2的太陽能電池，其中該太陽能電池包含：第二半導體層，配置在該基板之建構成當該太陽能電池在使用時面對輻射源的正面上；以及第二透明導電區域，配置在該第二半導體層的表面上，其中該第二透明導電區域包含； 第一層，具有第一工作函數；以及 第二層，具有第二工作函數且插置在該第一層和該第二半導體層之間； 其中該第二層的該第二工作函數大於該第一層的該第一工作函數。
  15. 根據請求項14的太陽能電池，其中該第二半導體層建構有負導電率類型。
  16. 根據請求項14的太陽能電池，其中該第二透明導電區域包含第三層，插置在該第二層和該第二半導體層之間，其中該第三層建構有第三工作函數，大於該第二層的該第二工作函數。
  17. 根據請求項16的太陽能電池，其中該第二透明導電區域的該第三層直接配置在該第二半導體層上。
  18. 根據請求項14的太陽能電池，其中該第二半導體層界定累積層。
  19. 根據請求項14的太陽能電池，其中該第二透明導電區域的至少一層是由金屬氧化物材料所形成，並且該第二半導體層是由非晶形矽(a-Si)所組成。
  20. 一種太陽能模組，包含複數個根據請求項1至19中任一項的太陽能電池，其中該複數個太陽能電池電耦合在一起。
  21. 一種製造太陽能電池的方法，包含：提供結晶矽基板；配置半導體層在該基板之建構成當該太陽能電池在使用時不面對輻射源的背面上；以及配置透明導電區域在該半導體層的表面上，該透明導電區域包含第一層和第二層，而配置該透明導電區域的步驟包含； 配置該第二層在該半導體層上；以及 配置該第一層在該第二層上，使得該第二層插置在該第一層和該半導體層之間； 其中該方法包含：建構該第一層而有第一工作函數；以及建構該第二層而有大於該第一層之該第一工作函數的第二工作函數。
  22. 根據請求項21的方法，其中配置該半導體層在該基板之該表面上的方法包含建構該半導體層而有正導電率類型。
  23. 根據請求項21或22的方法，其中該透明導電區域包含第三層，插置在該第二層和該半導體層之間，而配置該透明導電區域的方法包含在沉積該第二層前配置該第三層在該半導體層上； 其中該方法包含建構該第三層而有大於該第二層之該第二工作函數的第三工作函數。
  24. 根據請求項23的方法，其中該第三層直接配置在該半導體層上。
  25. 根據請求項21或22的方法，其中配置該透明導電區域的步驟包含使用濺鍍過程而依序沉積該透明導電區域的諸層至該半導體上。
  26. 根據請求項25的方法，其中該方法包含控制該濺鍍過程的至少一參數以決定該透明導電區域的諸層中之至少一層或每層的該工作函數，其中該至少一參數包含氣體組成、氣體流率、透明導電材料中的至少一者。
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