TWI408820B - Solar battery - Google Patents

Description

太陽能電池

本發明是有關於一種太陽能電池，特別是指一種堆疊矽薄膜太陽能電池。

太陽能電池的種類繁多，其中，多晶矽太陽能電池因為具備材料成本低廉、基本技術與半導體相似而成熟度高，以及發電特性安定等特點，是目前市場中的主流產品之一。

參閱圖1，現有的太陽能電池包含一基板11、一光電轉換單元12，及二分別電連接該光電轉換單元12之兩端的電極13，該光電轉換單元12具有多數依序自該基板向上層疊的半導體薄膜121，每一半導體薄膜121包括一P型半導體層122，與一極性與該P型半導體層122相反的N型半導體層123，而該光電轉換單元12藉由吸收光並以光伏特效應產生電流，該二電極13相配合將該光電轉換單元12產生的電流向外輸出。

當該太陽能電池照光時，光進入該光電轉換單元12的所述半導體薄膜121，使所述半導體薄膜121將光能轉換成電能，產生的電能由該二電極13配合向外輸出，供後續應用。

由上述說明可知，現有的薄膜太陽能電池是藉由以多數層照光時產生電流的半導體薄膜121構成光電轉換單元12，以多層的半導體薄膜121設計加強對於入射光線的利 用率，使由最頂層入射的光線可以被逐層吸收而達到提升產生光電流效能的目的。

然而，所述半導體薄膜121雖然都是由相同折射率的多晶矽材料所組成，但因摻雜不同而區分成P型半導體層122與N型半導體層123二層體，且所述半導體薄膜121彼此間的連接界面存在有因為製程而必然存在的缺陷與差排，所以多數層半導體薄膜121的設計反而會使得光線自上一層的半導體薄膜121進入下一層時，是以較多的比例反射而反向於基板11方向行進，並非以較多的比例折射後向基板11方向行進，進而進入下一層的半導體薄膜121轉換成電能，所以實際上光線能實際進入到較底部的半導體薄膜121的比例其實少之又少，並無法實現多層半導體薄膜121堆疊以充分利用入射光能的的設計理念。

另外，當所述半導體薄膜121因為光電效應而產生電子電洞對時，所述電子、電洞必須分別移動至所述電極13才能形成電流而被儲存或應用。然而，所述半導體薄膜121的連接界面會因為製程而產生缺陷與差排，這些缺陷與差排會成為電子電洞對的陷阱(Trap)，導致光伏特效應所產生的電子電洞對被箝制而在經由電極13輸出形成電流之前就自行復合(Recombination)，所以實際得到的光電流遠小於理論上產生的光電流。

因此，如何增加光線由頂部半導體薄膜121進入底部半導體薄膜121的機率，提高光被利用的效率，並避免電子電洞對通過多層的半導體薄膜121之間而被陷阱箝制導 致光電流的損失，以提升多層薄膜太陽電池的光電轉換效率，一直是太陽能技術領域者持續努力的重要目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種高穩定性，及高光利用率的太陽能電池。

於是，本發明太陽能電池包含一基板、一光電轉換單元，及一電極單元。

該光電轉換單元形成於該基板上，包括多數半導體薄膜，及至少一形成於任二半導體薄膜之間的透明導電薄膜，所述半導體薄膜吸收光以光伏特效應產生電流，該透明導電薄膜透光並電連接夾置該透明導電薄膜的二相鄰半導體薄膜。

該電極單元電連接於該光電轉換單元並用以將該光電轉換單元產生的電流向外輸出。

本發明之功效在於：藉由形成於兩相鄰的半導體薄膜之間的透明導電薄膜之折射率，使光線可沿折射路徑易於進入底層的半導體薄膜，並藉此透明導電薄膜的高導電率，使經由光伏特效應所產生的電子電洞對較易通過所述半導體薄膜的接面(Junction)，而使整體電流提升。

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二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本新型被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明太陽能電池之一第一較佳實施例，是包含一基板2、一光電轉換單元3，及一電極單元4，在照光時產生電流供後續應用。

該基板2是玻璃。

該光電轉換單元3形成於該基板2上，該光電轉換單元3包括二半導體薄膜31，及一形成於所述半導體薄膜31之間的透明導電薄膜32。定義鄰近於該基板2的半導體薄膜31為第一半導體薄膜31a，遠離該基板2則為第二半導體薄膜31b。每一半導體薄膜31具有一經過摻雜而形成能階差的P型半導體層311、一N型半導體層312，及一本質半導體層313。該透明導電薄膜32是可透光並電連接於該第一半導體薄膜31a與該第二半導體薄膜31b之間。較佳地，該透明導電薄膜32的折射率是1.7~2.2，該半導體薄膜31的折射率則是2.2~4，因此該透明導電薄膜32與該半導體薄膜31的折射率差值為0~2.3；另外，該透明導電薄膜32的電阻係數是10^-2 ~10^-4 ohm-cm。

在本實施例中，該透明導電薄膜32是以製程簡單的鋁鋅氧化物(AZO)所構成，當然也可以使用銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)，或銦鋅氧化物(IZO)其中之一為材料製成該透明導電薄膜32。

該電極單元4包括一第一電極41，及一第二電極42，該第一電極41電連接於該第一半導體薄膜31a的P型半導體層311，該第二電極42電連接於該第二半導體薄膜31b 的N型半導體層312。

當光線由頂部射入該第二半導體薄膜31b時，該第二半導體薄膜31b吸收部分的光線並藉由光伏特效應產生電子電洞對；未被吸收的光大部分會因為該透明導電薄膜32與第二半導體薄膜31b的折射率差異而折射進入該透明導電薄膜32，之後，再因該透明導電薄膜32與第一半導體薄膜31a的折射率差異而進入該第一半導體薄膜31a，供該第一半導體薄膜31a以光伏特效應產生形成電子電洞對；同時，該第一、二半導體薄膜31a、31b因為該透明導電薄膜32的電連接形成一良好的電子電洞對通路，而使得產生的電子、電洞不產生再復合地由該電極單元4的第一電極41與該第二電極42配合向外輸出。

相較於目前具有多數層半導體薄膜的太陽能電池而言，本發明太陽能電池藉由該透明導電薄膜32與所述半導體薄膜31形成良好的折射路徑，使光可依序往基板2的方向前進，因此，底層的半導體薄膜31能吸收到較多的光並形成較多的電子電洞對。另外，藉由該透明導電薄膜32的良好導電性，使所述半導體薄膜31所產生的電子電洞對較不易被所述半導體薄膜31接面的陷阱所箝制，而能進入該電極單元4並形成電流。

再者，雖然在本第一較佳實施例中該半導體薄膜31是包含彼此形成能階差的P型、N型、本質半導體層311、312、313，即業界所熟知的P-I-N結構作說明，由於該本質半導體層313為具有較佳的吸光能力的非晶矽所製成，因此 可以增強太陽能電池的發電效率。但該半導體薄膜31也可以視情況而僅使用P、N型半導體層311、312而形成所謂的P-N結構，上述結構為太陽能電池領域中具有通常知識者所能輕易了解，故不在此加以贅述。

參閱圖3與圖4，在本第一較佳實施例中，該P型半導體層311是經由金屬誘發再結晶法(Metal Induced Crystallization,MIC)形成的P型多晶矽構成，其製作過程是先在該基板2或該透明導電薄膜32上形成一層非晶矽層體(α-Si)314，再於該非晶矽層體314上沈積一層極薄的金屬層體315，然後熱處理該非晶矽層體314與金屬層體315，即可使得該非晶矽層體314與該金屬層體315彼此再重新排列並構成P型且是多晶矽結構的P型半導體層311，較佳地，該非晶矽層體314是以電漿輔助化學氣相沈積系統(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)所沈積，該金屬層體315是由濺鍍系統(Sputter)所形成的鋁薄膜，熱處理製程則是使用爐管並通入氮氣以300~600℃的溫度範圍進行15~180分鐘的退火。

相較於現有多晶矽太陽能電池必須使用半導體等級的矽基材製作，本發明太陽能電池藉由金屬誘發再結晶可得到結晶品質優於非晶矽的多晶矽P型半導體層311，即可以較低的成本得到多晶矽轉換效率佳的優勢，因此，無需使用成本高昂的半導體等級矽基材，在實際運用上顯然可以避免因矽基材成本過高而影響產品競爭力。

參閱圖5，本發明太陽能電池的一第二較佳實施例大致 類似於該第一較佳實施例，不同之處在於：該光電轉換單元3之所述半導體薄膜31的層數是三層的形式，當然也可以是四層或其他數量，當然，每兩相鄰的半導體薄膜31之間必須夾置一透明導電薄膜32。層疊的半導體薄膜31可使光逐層被吸收並產生大量的電子電洞對，而形成更大的光電流。

綜上所述，本發明太陽能電池以高導電率的透明導電薄膜32使所述半導體薄膜31形成良好的電性接觸，並藉由該透明導電薄膜32的折射率與所述半導體薄膜31界定出良好的光線路徑，增加光線由頂層的半導體薄膜31進入底層的半導體薄膜31並產生光電流的機率，故確實能達成本發明之目的。

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。

2‧‧‧基板

31a‧‧‧第一半導體薄膜

3‧‧‧光電轉換單元

31b‧‧‧第二半導體薄膜

31‧‧‧半導體薄膜

32‧‧‧透明導電薄膜

311‧‧‧P型半導體層

4‧‧‧電極單元

314‧‧‧非晶矽層體

41‧‧‧第一電極

315‧‧‧金屬層體

42‧‧‧第二電極

312‧‧‧N型半導體層

313‧‧‧本質半導體層

圖1是一側視圖，說明現有的多層薄膜太陽能電池；圖2是一側視圖，說明本發明太陽能電池之第一較佳實施例；圖3是一示意圖，說明該第一較佳實施例之P型半導體層製作於該基板上；圖4是一示意圖，說明該第一較佳實施例之P型半導體層製作於該透明導電薄膜上；及 圖5是一側視圖，說明本發明太陽能電池之第二較佳實施例。

2‧‧‧基板

3‧‧‧光電轉換單元

31‧‧‧半導體薄膜

311‧‧‧P型半導體層

312‧‧‧N型半導體層

313‧‧‧本質半導體層

31a‧‧‧第一半導體薄膜

31b‧‧‧第二半導體薄膜

32‧‧‧透明導電薄膜

4‧‧‧電極單元

41‧‧‧第一電極

42‧‧‧第二電極

Claims (7)

1. 一種太陽能電池，包含：一基板；一光電轉換單元，形成於該基板上，包括多數半導體薄膜，及至少一形成於任二半導體薄膜之間的透明導電薄膜，所述半導體薄膜吸收光以光伏特效應產生電流，該透明導電薄膜透光並電連接夾置該透明導電薄膜的二相鄰半導體薄膜，其中，該透明導電薄膜的電阻係數是10^-2 ~10^-4 ohm-cm；及一電極單元，電連接於該光電轉換單元並用以將該光電轉換單元產生的電流向外輸出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中，每一半導體薄膜具有經過摻雜而有能階差的一P型半導體層，及一極性與該P型半導體層相反的N型半導體層。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中，該P型半導體層是在一非晶矽層體上形成一金屬層體後，經過熱處理使該非晶矽層體經過金屬誘發而形成P型多晶矽所形成。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之太陽能電池，其中，每一半導體薄膜還具有一形成於該P、N型半導體層之間且能階位於該P、N型半導體層的能階之間的本質半導體層。
5. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項所述之太陽能電池，其中，該透明導電薄膜與該半導體薄膜的折射率差值 是0~2.3。
6. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項所述之太陽能電池，其中，該透明導電薄膜是由銦錫氧化物、氧化鋅，或銦鋅氧化物其中之一為材料所構成。
7. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項所述之太陽能電池，其中，該透明導電薄膜是由鋁鋅氧化物所製成。