TWI398008B - Solar cell and its production method - Google Patents

Description

太陽能電池及其製作方法

本發明是有關於一種電池及其製作方法，特別是指一種太陽能電池及其製作方法。

參閱圖1，太陽能電池的結構是包含：一可導電的底座11、一形成於底座11上的作動膜12，及一頂電極13，當太陽光進入作動膜12被作動膜12吸收，並經由光伏特效應將光轉換成電能後，再經由底座11與頂電極13相互配合將電能輸出。

目前太陽能電池工作時，因光線被反射而沒有進入作動膜12，或是進入作動膜12後的光未被作動膜12吸收，而在作動膜12內部因多重的折射、反射後變成內能而消失，所造成的收光效率損失約有30%，是影響太陽能電池光電轉換輸出的一大因素。

現階段用來改善太陽能電池收光效率損失的方法，大都是在作動膜12表面進行粗糙化，或塗上一層降低反射的抗反射膜，藉由抗反射膜，或粗糙化的表面增加進入作動膜12的光，以提昇太陽能電池的收光效率。

而用來改善進入作動膜12中，但未能被吸收轉換成電能的光的再利用率，則是在底座11上形成一反射膜，或是形成幾何圖案設計之不規則表面，用以再次將光折射、反射至作動膜12內而被吸收轉換，以提昇光的利用率，進而提昇太陽能電池的光電轉換效率。

經由上述說明可知，如何提昇太陽能電池光電轉換效率，是本技術領域者持續所待突破的課題，而收光效率的提昇，又是對太陽能電池的光電轉換效率而言，為一重要的因子，因此如何提昇太陽能電池的收光效率、增加光利用率，是從事太陽能電池的研究人員持續改善開發的重要目標之一。

因此，本發明之目的，即在提供一種高光利用率之太陽能電池。

另外，本發明之另一目的，即在提供一種高光利用率之太陽能電池的製作方法。

於是，本發明一種太陽能電池是包含：一具有一底電極的底座、一設置在該底電極上的第一型半導體層、一形成在該第一型半導體層上的多孔層、一形成在該多孔層的本質半導體層，具有一形成於該多孔層與第一型半導體層間的界面及該多孔層表面，並呈微晶結構的半導體微晶薄膜，及一形成於該半導體微晶薄膜上，並呈非晶結構之半導體非晶薄膜、一形成在該本質半導體層上的第二型半導體層，及一形成在第二型半導體層上的頂電極。

其特色在於：該多孔層具有複數孔洞，且該等孔洞是藉由多數晶粒經過回火後，晶粒的局部表面經再結晶後彼此融合，其餘未融合晶粒的部分表面則共同界定出該等孔洞，當光線由外界入射至太陽能電池時，部分的光被本質半導體層吸收，以光伏特效應將光能轉換成電能向外輸 出，部份未被吸收並朝向底座方向行進的光，在進入該多孔層時，則可藉由該等孔洞將光經過多重折射、反射後改變光的行進方向，讓光反向於底座方向行進，再次導引進入本質半導體層中，而可再被本質半導體層吸收後轉換成電能向外輸出，而可有效提昇光利用率。

另外，本發明一種太陽能電池的製作方法，包含下列六個步驟。

首先，在一具有一底電極的底座上，形成一連接在底電極上並呈歐姆接觸的第一型半導體層。

接著，在該第一型半導體層上形成一由預定半導體材料構成的第一層體，製得一半成品。

然後，將該半成品進行回火，使該第一層體的部分表面再結晶後彼此融合，其餘未融合的部分表面界定出多數孔洞，而使該第一層體轉變成一具有該等孔洞的多孔層。

再接著，以化學氣相沉積方式於該多孔層與第一型半導體層間的界面及該多孔層表面，形成呈微晶結構的半導體微晶薄膜，接著再於該半導體微晶薄膜上沉積形成呈非晶結構之半導體非晶薄膜，形成一本質半導體層。

然後，在該本質半導體層上形成於一電性與該第一型半導體層相反的第二型半導體層。

最後，在該第二型半導體層上形成一頂電極。

本發明之功效在於：利用具有複數孔洞的多孔層，將未被本質半導體層第一次吸收轉換成電能的光，再多重折射、散射或反射後改變行進方向，讓光線反向於該底座方向行進，而將光再次導引進入該本質半導體層，供其吸收轉換，以提昇光利用率，進而提升太陽能電池的轉換效率。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2、圖3，本發明太陽能電池的製作方法的一較佳實施例，是製作如圖3所示之太陽能電池。

參閱圖3，該太陽能電池包含一底座2、一第一型半導體層3、一多孔層4、一本質半導體層5(intrinsic semiconductor layer 5)、一第二型半導體層6，及一頂電極7。

底座2具有一基板22，及一形成在基板22表面的底電極21，基板22可選自透光材料所構成，例如玻璃、石英等材料，以使本發明較佳實施例所製得之太陽能電池可雙面吸光，於本較佳實施例中基板22是選自玻璃，且底電極21是選自氧化銦錫為材料所構成。

第一型半導體層3形成在底電極21上，是選自n型摻雜或p型摻雜的半導體材料所構成，在此要說明的是，n型摻雜或p型摻雜的選擇是與第二型半導體層6相對應的，也就是說，當第一型半導體層3是選自n型摻雜的半導體材料構成時，第二型半導體層6則是由p型半導體材料構成，反之亦然；於本實施例中，第一型半導體層3是選自p型摻雜之非晶矽所構成。

配合參閱圖4，多孔層4具有複數孔洞41，形成在第一型半導體層3上，並由半導體材料所構成，較佳地，是選自矽、碳化矽、鍺化矽，或此等之一組合，適用於本發明較佳實施例的半導體材料是選自單晶矽，多孔層4的詳細製程方法容後再述。

參閱圖3，本質半導體層5形成在多孔層4上，具有一由半導體材料構成並具有微晶結構(micro-crystalline structure)的半導體微晶薄膜51，及一由半導體材料構成並具有非晶結構(amorphous structure)的半導體非晶薄膜52，可在接受光後，以光伏特效應將光能轉換成電能。

第二型半導體層6是形成在本質半導體層5上，選自電性與第一型半導體層3相反的n型非晶矽所構成，可與第一型半導體層3相互配合，提昇載子於本質半導體層5的產生效率。

頂電極7具有依序由第二型半導體層6表面形成的一透明導電膜71，與一電極片72，可與底電極21相互配合將本質半導體層5轉換後之電流向外輸出。

當太陽光由外界入射至太陽能電池時，部分光被本質半導體層吸收，經光伏特效應將光能轉換成電能後再藉由頂、底電極的配合將電流向外輸出，部份未被本質半導體層吸收朝向多孔層方向行進的光，被多孔層的孔洞多重折射、散射或反射後，改變光線的行進方向，讓光線朝向本質半導體層方向行進，再度進入本質半導體層，得以再被吸收轉換成電能向外輸出，而可提昇光利用率，並進而提昇太陽能電池的光電轉換效率。

上述太陽能電池，在配合以下本發明太陽能電池的製作方法的較佳實施例的說明，當可更清楚明白。

本發明太陽能電池的製作方法的較佳實施例，是包含以下六個步驟。

參閱圖2、圖5，首先進行步驟110，在具有基板22及底電極21的底座2上，形成連接在底電極21上並與底電極呈歐姆接觸的第一型半導體層3。

更具體的說，上述步驟是先在由玻璃構成的基板22上，形成一層由氧化銦錫構成之底電極21，接著以PECVD方式在底電極21上形成由p型摻雜之非晶矽構成且厚度為100~1000的第一型半導體層3。

在此，第一型半導體層3是在氣體流量(sccm)比為SiH₄ ：[(0.5%B₂ H₆ )/H₂ ]：H₂ =20：20：80，工作壓力為0.3Torr~1.0Torr，工作溫度與射頻功率分別是200℃~250℃與5W~50W的條件下進行成膜。

參閱圖2、圖6，接著進行步驟111，將半導體晶粒在底電極21表面形成第一層體4’，製得一半成品。

較佳地，第一層體4’是由具有上述半導體晶粒的塗佈液，經旋轉塗佈、印刷等方式在底電極21表面形成，更佳地，塗佈液更具有一分散劑，用以分散此半導體材料。

具體的說，上述的半導體晶粒是選自平均粒徑為1~3μm的單晶矽晶粒80，分散劑是選自甲醇或異丙醇，且塗佈液中單晶矽晶粒80的重量百分比為0.1~20wt%，將塗佈液以旋轉塗佈方式，在第一型半導體層3上形成塗層，再將分散劑移除後，即可形成由多數單晶矽晶粒80排列構成的第一層體4’。

參閱圖2、圖7，接著進行步驟112，將上述半成品以雷射方式或電漿進行回火，讓單晶矽晶粒80部分表面再結晶後彼此融合，其餘未融合的單晶矽晶粒80表面則界定出多數孔洞，而使第一層體4’轉變成如圖7所示，具有複數孔洞41的多孔層4。

值得一提的是，以雷射回火方式進行第一層體4’的回火以得到多孔層4時，當基板22是可透光，則可選擇雷射回火的方向為直接由底座2遠離第一層體4’的表面，向第一層體4’方向實施，令此單晶矽晶粒80表面經過回火於再結晶融合的過程中，與第一型半導體層3接觸的局部表面亦會同時與第一型半導體層3相互融合，而使得製得之多孔層4與第一型半導體層3的密著性提昇。

更具體的說，適用於本發明較佳實施例的雷射是選自氙-氯氣體雷射，波長為308nm、最大穩定能量(Max stable power)315W、最大頻率(Max frequency)300Hz、能量密度為300~600mJ/cm² ，且雷射的方向為直接由底座2遠離第一層體4’的表面，向第一層體4’方向實施。

參閱圖2、圖8，接著進行步驟113，引入一反應性氣體，以化學氣相沉積方式於多孔層4形成具有半導體微晶薄膜51及半導體非晶薄膜52的本質半導體層5。

更具體的說，本質半導體層5是在氣體流量(sccm)比為SiH₄ ：H₂ =15：150，工作壓力為0.3Torr~1.0Torr，工作溫度與射頻功率分別是200℃~250℃與5W~50W的條件下進行，由於在化學氣相沉積過程中引入的反應性氣體分子會穿透多孔層4，且利用單晶矽晶粒80提供成長微晶矽(micro-crystalline silicon)的成核點，而在多孔層4與第一型半導體層3間的界面與多孔層4的表面成長微晶結構而形成半導體微晶薄膜51，接著再於半導體微晶薄膜51上形成非晶結構之半導體非晶薄膜52，而得到具有半導體微晶薄膜51及半導體非晶薄膜52的本質半導體層5；而由於半導體微晶薄膜51是分佈於多孔層4及多孔層4與第一型半導體層3間的界面，因此不僅可用以增強多孔層4的結構，也可同時改善一般非晶矽太陽能電池，在長時間太陽光照射下所產生的效率衰減問題，而可提昇太陽能電池的壽命。

參閱圖2、圖9，然後進行步驟114，在本質半導體層5上形成一電性與第一型半導體層3相反的第二型半導體層6，更具體的說，是以PECVD方式，在氣體流量(sccm)比為SiH₄ ：[(0.5%PH₃ )/H₂ ]：H₂ =20：20：80，工作壓力為0.3Torr~1.0Torr，工作溫度與射頻功率分別是200℃~250℃與5W~50W的條件下進行，在本質半導體層5上，形成由n-型摻雜的非晶矽為材料所構成且厚度是100~1000的第二型半導體層6。

參閱圖2、圖3，最後進行步驟115，在第二型半導體層6上，形成具有與第二型半導體層6連接的透明導電膜71，及形成在透明導電膜71上的電極片72的頂電極7，於本發明較佳實施例中，透明導電膜71與電極片72是以濺鍍方式，由第二型半導體層表面依序形成，分別是厚度約100nm的氧化銦錫(ITO)與厚度約400nm的鋁(Al)，即可製得如圖3所示之太陽能電池。

再值得一提的是，上述的本質半導體層5及第一、二型半導體層3、6並非僅侷限於單層結構之非晶矽，亦可以使用多晶矽(poly-Si)、碳化矽(非晶碳化矽(a-SiC:H)或多晶碳化矽(Poly-SiC))，利用形成不同的結晶結構、p-n接面結構(p-n junction)等不同膜層結構的異質接面矽薄膜太陽能電池的層膜堆疊，來達到吸收不同波長區段的光譜，以增加吸光效率及轉換效能。

又，要說明的是，第一層體4’的厚度亦會影響後續的再結晶過程，當第一層體4’厚度過大，即塗佈液中單晶矽晶粒80的固含量太大時，該等單晶矽晶粒80會形成多層次堆疊排列態樣，而容易導致後續回火時能量不易調控，當能量太大，則單晶矽晶粒80表面相互結合度高，而使孔洞41數目下降，而能量不足時，則會使位於內層之該等單晶矽晶粒80表面無法經由再結晶過程彼此融合，而會產生單晶矽晶粒80脫落的問題，而影響第一層體4’本身之結構性；另外，當塗佈液中之單晶矽晶粒80的固含量太小時，則單晶矽晶粒80的排列鬆散，於後續回火製程時，單晶矽晶粒80表面結合度低，且不易形成孔洞，因此，較佳地，溶液中單晶矽晶粒80的固含量為介0.1~20%之間。

本發明藉由使用透明基板製得可雙面吸光的太陽能電池，並同時利用多孔層之孔洞，使得入射至該孔洞的太陽光因折射與散射的作用，將光線導引進入本質半導體層中而提昇光利用率，也增加了載子的產生率，而可提升太陽能電池的光電轉換效率，且利用半導體晶粒提供成長微晶矽的成核點所形成的半導體微晶薄膜，可同時改善傳統的非晶矽薄膜，在長時間太陽光照射下所產生的效率衰減問題，而可提升太陽能電池的壽命。

綜上所述，本發明是藉由在第一型半導體層上，以回火方式形成具有複數孔洞之多孔層，不僅可讓朝向多孔層方向行進之光線，經由該孔洞的折射及散射作用改變光線的行進方向，而將光線再次導引進入本質半導體層中，而提昇光利用率，同時亦可利用具有複數孔洞之多孔層，提供成長微晶結構之成核點，而使得後續經由PECVD形成之本質半導體層，會先藉由成核點成長具有微晶結構之半導體微晶薄膜，再於半導體微晶薄膜表面形成半導體非晶薄膜，而可改善傳統的非晶矽薄膜太陽能電池，在長時間太陽光照射下所產生的效率衰減問題，而能提昇太陽能電池的壽命，故確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

110．．．步驟

111．．．步驟

112．．．步驟

113．．．步驟

114．．．步驟

115．．．步驟

2．．．底座

21．．．底電極

22．．．基板

3．．．第一型半導體層

4．．．多孔層

41．．．孔洞

5．．．本質半導體層

51．．．半導體微晶薄膜

52．．．半導體非晶薄膜

6．．．第二型半導體層

7．．．頂電極

71．．．透明導電膜

72．．．電極片

80．．．單晶矽晶粒

圖1是一示意圖，說明習知晶體太陽能電池結構；

圖2是一流程圖，說明本發明之一較佳實施例的製作方法；

圖3是一示意圖，說明以本發明的該較佳實施例製作而得的太陽能電池；

圖4是一示意圖，輔助說明圖2，說明由該較佳實施例的製作方法製作而得的多孔層及本質半導體層結構；

圖5是一示意圖，輔助說明圖2，說明實施步驟110，製得的第一型半導體層；

圖6是一示意圖，輔助說明圖2，說明實施步驟111，製得的晶粒層結構；

圖7是一示意圖，輔助說明圖2，說明實施步驟112，經回火後形成的多孔層；

圖8是一示意圖，輔助說明圖2，說明實施步驟113，製得的本質半導體層；及

圖9是一示意圖，輔助說明圖2，說明實施步驟114，製得的第二型半導體層。

2．．．底座

21．．．底電極

22．．．基板

3．．．第一型半導體層

4．．．多孔層

5．．．本質半導體層

6．．．第二型半導體層

7．．．頂電極

71．．．透明導電膜

72．．．電極片

Claims (6)

1. 一種太陽能電池，包含：一底座，具有一基板，及一形成在該基板上的底電極；一形成於該底座上的第一型半導體層，與該底電極歐姆連接；一多孔層，由半導體材料構成，形成於該第一型半導體層上並具有複數孔洞，該等孔洞是經過回火燒結後，由其中未融合的晶粒界定形成，可將朝向該底座方向行進的光經由折射及/或反射後改變光的行進方向，讓光反向於該底座行進；一本質半導體層，形成於該多孔層上，具有一形成於該多孔層與第一型半導體層間的界面及該多孔層表面，並呈微晶結構的半導體微晶薄膜，及一形成於該半導體微晶薄膜上，並呈非晶結構之半導體非晶薄膜，用以吸收外來的光能，以光伏特效應將光能轉換成電能；一第二型半導體層，形成於該本質半導體層上，與該第一型半導體層的電性相反；及一頂電極，與該第二型半導體層歐姆連接，與該底電極相互配合，將該本質半導體層轉換之電能向外輸出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該多孔層是選自矽、碳化矽、鍺化矽，或此等之一組合的半導體材料所構成。
3. 一種太陽能電池的製作方法，包含：(a)準備一具有一底電極的底座，並在該底座上形成一連接該底電極並呈歐姆接觸的第一型半導體層；(b)在該第一型半導體層上，形成一由半導體材料構成的第一層體，製得一半成品；(c)將該半成品進行回火，使該第一層體的部分晶粒再結晶融合，其餘未融合的晶粒界定出多數孔洞，而使該第一層體轉變成一具有該等孔洞的多孔層；(d)以化學氣相沉積方式，於該多孔層與第一型半導體層間的界面及該多孔層表面，形成呈微晶結構的半導體微晶薄膜，接著再於該半導體微晶薄膜上沉積形成呈非晶結構之半導體非晶薄膜，形成一能進行光伏特效應的本質半導體層；(e)在該本質半導體層上，形成於一電性與該第一型半導體層相反的第二型半導體層；及(f)設置一與該第二型半導體層歐姆連接的頂電極，製得該太陽能電池。
4. 依據申請專利範圍第3項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(b)是選自矽、碳化矽、鍺化矽，或此等之一組合形成該第一層體，且形成之該第一層體的晶粒尺寸介於1μm~30μm。
5. 依據申請專利範圍第3或4項所述太陽能電池的製作方法，其中，該步驟(c)是以雷射或電漿進行回火。
6. 依據申請專利範圍第5項所述太陽能電池的製作方法， 其中，該步驟(c)是選自氙-氯氣體雷射，在波長為308nm、能量密度為300~600mJ/cm² 的條件下進行回火。