TWI425644B - A highly efficient solar cell structure - Google Patents

Description

一種高效率之太陽能電池結構

本發明係有關於一種太陽能電池結構，尤指一種具有高光電轉換效率之太陽能電池結構。

關於太陽能的發展歷史，早在19世紀的時候已經發現光照射到材料上所引起的「光起電力」行為。到了1930年代，照相機的曝光計廣泛地使用上述原理。接著，到了1950年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術的進步，第一個太陽能電池在1954年誕生在美國的貝爾實驗室。1973年發生了石油危機，讓世界各國察覺到能源開發的重要性。由於太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒有能源耗盡的疑慮之外，也可以避免能源被壟斷的問題，因此各國也積極地發展太陽能源的應用科技，期望由增加太陽能源的利用來減低對化石能源的依賴性。從太陽輻射出來的能量非常龐大，是人類賴以維生的主要能源。太陽能傳送到地球大氣層以後，一部分被大氣層吸收，一部分反射回太空中，另外一部分則會被地表接收，照射在地球的能量可以達到平均每平方公尺地面約有180瓦特。如果能夠充分地轉換、應用地表所吸收的龐大能量，對於那些遠離輸送電網的偏遠地區，可以成為最佳的能量來源。

太陽能電池的種類繁多，若依材料的種類來區分有化合物半導體和矽晶系兩大類。至1990年，太陽能電池主要是使用單晶、多晶和非晶的矽原料來製作，之所以選擇矽材料的原因就在於其價格低廉和相當程度的熟悉，並且他也有適合於太陽能電池的應用特性。不過近年來，在太陽能電池新近的發展已開始利用不同的能隙能量的半導體材料做分層堆疊，以追求更高的光電轉換效率，因此矽材料在這方面已漸漸不能滿足設計者的需求。相對於矽材料而言，III-V族材料就顯得更吸引人了，III-V族太陽能電池光電轉換效率高，約26%~28%，若是以多接面串疊 (InGaP/GaAs//InGaAs,5multi junction tandem cell)的方式來製作，其最高轉換效率可達33.3%。且III-V族太陽能電池信賴性較佳，在室外使用不易老化，且受溫昇影響低，然而由於用來沈積III-V族材料的基板原材料成本高，因此在早期的應用上多以太空用途為主，從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，一直到1969年美國太空人登陸月球，乃至於近年來蓬勃發展的通訊衛星，都廣泛應用III-V族的太陽能電池。近年來由於技術上的改進及突破，在大面積矽晶圓基板上磊晶成長III-V族材料已取得進步發展。利用多重接面的III-V太陽能電池製作在矽基板上可以大幅縮減成本上的考量，因此日後高效率的III-V足太陽能電池在民生方面的應用將會越來越為廣泛。也因為如此，III-V族太陽能電池不管是在太空應用或是日常生活的重要性也與日俱增。此時，太陽能電池的高轉換效率仍是目前追求的目標。

在傳統太陽能電池中，係以p型及n型半導體所形成的p-n二極體或p-i-n二極體為主要結構，p-n接面處將形成空乏區，而空乏區內之空間電荷亦會產生內建電場；當陽光入射到二極體結構中，入射光子所產生之複數載子(電子-電洞對)，透過空乏區的內建電場提供複數載子能量，分別往兩端電極移動。在半導體內部且遠離空乏區產生的複數載子，若要成為光電流則必須依賴擴散且移動到空乏區的邊緣再利用內建電場加速往兩邊電極移動，形成光電流；因此一旦p-n半導體的濃度決定後，空乏區的寬度即無法改變，電池的轉換效率也大致底定。

本發明之主要目的，在於提供一種高效率之太陽能電池結構，於其吸光面設有一透明導電層及一絕緣層，通入一外加脈衝偏壓於該透明導電層，改變第二半導體與該絕緣層間之載子濃度分佈與能帶區，增加能帶區之複數載子運動，進而提升太陽能電池結構之光電轉換效率。

為達到上述之目的，本發明係一種高效率之太陽能電池結構，該太陽 能電池結構包含一第一半導體基板、一第二半導體層、一第一電極、一第二電極、一絕緣層及一透明導電層。該第二半導體層設於該第一半導體基板上。該第一電極設於該第一半導體基板底部；或者該第一電極設於該第一半導體基板之一側。該第二電極設於該第二半導體層之上。該絕緣層設於該第二半導體層，該透明導電層設於絕緣層，並位於該第二電極之周圍；或者設置一第三電極設於該基板。

本發明提供另一種高效率之太陽能電池結構，該太陽能電池結構包含一第一半導體基板、一第二半導體層、一第一電極、一第二電極、一本質層、一絕緣層及一透明導電層。該本質層設於該該第一半導體基板上。該第一電極設於該第一半導體基板底部；或者該第一電極設於該第一半導體基板之一側。該第二半導體層設於該本質層之上。該第二電極設於該第二半導體層之上。該絕緣層設於該第二半導體層，該透明導電層設於絕緣層，並位於該第二電極之一側；或者設置一第三電極設於該基板。

本發明提供另一種高效率之太陽能電池結構，該太陽能電池結構包含一基板、一第一半導體層、一第二半導體層、一第一電極、一第二電極、一絕緣層及一透明導電層。該第二半導體層設於該第一半導體基板上。該第一電極設於該第一半導體之一側。該第二電極設於該第二半導體層之上。該絕緣層設於該第二半導體層，該透明導電層設於絕緣層，並位於該第二電極之周圍；或者設置一第三電極設於該基板。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，係本發明之一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例提供一種高效率之太陽能電池結構，本實施例之該太陽能電池結構1包含一第一電極10、一第一半導體基板12、一第二半導體層14、一第二電極16、一絕緣層17及一透明導電層19。該第一半導體基板12的材質 係選自鍺、矽及銅銦鎵硒中擇其一者。該第二半導體層14設於該第一半導體基板12之上，該第一電極10設於第一半導體基板12之下方，該第二電極16設於該第二半導體層14之上。而本實施例之該第一半導體層基板12為N型半導體層，該第二半導體層14為P型半導體層，所以該第一電極10為N型電極，該第二電極16為P型電極，其為多種實施例之一種。另，該第一半導體層12可為P型半導體層，該第二半導體層14可為N型半導體層，所以該第一電極10可為P型電極，該第二電極16可為N型電極。該絕緣層17覆蓋該第二半導體層14，並位於該第二電極16周圍，該透明導電層19設於該絕緣層17上。上述該絕緣層17防止外加脈衝偏壓於該透明導電層19時，對該太陽能電池結構1產生影響。

當太陽能電池結構1處於照光環境中，而且外加脈衝偏壓於該透明導電層19，該當外加脈衝偏壓為負偏壓時，將改變該第一半導體層基板12及第二半導體層14內載子濃度分佈與能帶，進而改變電場強度以增加複數載子運動，累積複數載子濃度；當外加脈衝偏壓為0時，在該透明導電層19、絕緣層17與第二半導體層14界面間所累積之複數載子不再受到電場吸引，而往電極方向移動，進而提升高效率之太陽能電池結構之光電轉換效率。

請參閱第二A圖，係本發明之一較佳實施例之透明導電層、絕緣層、第二半導體層及第一半導體層基板之能帶示意圖。如圖所示，太陽光40照射該太陽能電池結構1，當該外加脈衝電壓為負偏壓31時，該絕緣體17及該第二半導體層14界面之能帶將向上彎曲形成電場，此電場強度將隨負偏壓31越大則電場越大，而在該第二半導體14內因光子產生之電子35受到此電場吸引將加速往第一半導體12移動，複數載子電洞則往該絕緣體17及該第二半導體層14界面累積，形成一電洞累積33。請一併參閱第二B圖，係本發明之一較佳實施例之外加脈衝電壓為負偏壓時之複數載子移動示意圖。如圖所示，在外加脈衝電壓為負偏壓31時，將增加在該第二半導體14中電子35之移動能量，使量子效率提升，同時在該第二半導體14中之電 洞亦增加移動能量，進而在絕緣體14與第二半導體14界面形成電洞累積33。

請參閱第三A圖，係本發明之另一較佳實施例之透明導電層、絕緣層、第二半導體層及第一半導體基板之能帶示意圖。如圖所示，太陽光40照射該太陽能電池結構1，當該外加脈衝電壓為零偏壓時，該絕緣體17及該第二半導體層14界面之能帶將回復成為平帶47，與一般太陽電池能帶結構無異。請一併參閱第三B圖，在無外加偏壓情形下，電洞累積33不再受電場吸引將往第二電極16移動形成電流。

請參閱第四圖，係本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之該太陽能電池結構1包含一第一電極10、一第一半導體基板12、一本質層15、一第二半導體層14、一第二電極16、一絕緣層17及一透明導電層19。該第一半導體基板12的材質係選自鍺、矽及銅銦鎵硒中擇其一者。該本質層15設於該第一半導體12之上，該第二半導體層14設於該本質層15之上，該第一電極10設於第一半導體基板12之下方，該第二電極16設於該第二半導體層14之上。該絕緣層17覆蓋於該第二半導體層14，並位於該第二電極16之周圍，該透明導電層19設於該絕緣層17之上。上述該絕緣層17係防止外加脈衝偏壓於該透明導電層19時，對該太陽能電池結構1產生影響。

請參閱第五圖，係本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之該太陽能電池結構1係III-V族太陽能電池結構，其包含一基板13、一第一半導體層18、一第二半導體層14、一第一電極10、一第二電極16、一絕緣層17及一透明導電層19。該基板13的材質係選自藍寶石及碳化矽中擇其一者。該第一半導體層18設於該基板13，該第二半導體層14設於該第一半導體層18之上，該第一電極10設於第一半導體層18之一側，該第二電極16設於該第二半導體層14之上。該絕緣層17覆蓋於該第二半導體層14，並位於該第二電極16之周圍，該透明導電層19設於該絕緣層17之上。上述該絕緣層17係防止外加脈衝偏壓於該透明導電層19時， 對該太陽能電池結構1產生影響。

請參閱第六圖，係本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之該太陽能電池結構1係III-V族太陽能電池結構，包含一基板13、第一半導體層18、一本質層15、一第二半導體層14、一第一電極10、一第二電極16、一絕緣層17及一透明導電層19。該基板13的材質係選自藍寶石及碳化矽中擇其一者。該第一半導體層18設於該基板13，該本質層15設於該第一半導體層18，該第二半導體層14設於該本質層15之上，該第一電極10設於第一半導體層18之一側，該第二電極16設於該第二半導體層14之上。該絕緣層17覆蓋於該第二半導體層14，並位於該第二電極16之周圍，該透明導電層19設於該絕緣層17之上。上述該絕緣層17係防止外加脈衝偏壓於該透明導電層19時，對該太陽能電池結構1產生影響。

請參閱第七圖，係本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示，本實施例之該太陽能電池結構1包含一基板13、第一半導體層18、一第二半導體層14、一第一電極10、一第二電極16、一第三電極20。該基板13的材質係選自藍寶石、碳化矽及氮化鎵中擇其一者。該第一半導體層18設於該基板13，該第二半導體層14設於該第一半導體層18之上，該第一電極10設於第一半導體層18之一側，該第二電極16設於該第二半導體層14之上。該第三電極20設於基板13之下，該基板13為絕緣體，其功能與第一圖中絕緣層17相同。而本實施例之該第一半導體層18為N型半導體層，該第二半導體層14為P型半導體層，所以該第一電極10為N型電極，該第二電極16為P型電極，其為多種實施例之一種。該第三電極20設於該基板13。

太陽光照射該太陽能電池結構1，且該外加脈衝電壓施加於該第三電極20時，於該第一半導體18與該基板13之界面亦有能帶彎曲提供載子動能及載子累積效應，與前述第二A圖之機制相同；當外加脈衝偏壓回復為0時，載子累積便往第一電極10移動形成電流。

請參閱第八圖，係本發明之另一較佳實施例之結構示意圖。如圖所示， 本實施例之該太陽能電池結構1包含一基板13、第一半導體層18、一本質層15、一第二半導體層14、一第一電極10、一第二電極16、一第三電極20。該基板13的材質係選自藍寶石及碳化矽中擇其一者。該第一半導體層18設於該基板13，該本質層15設於該第一半導體層18之上，該第二半導體層14設於該本質層15，該第一電極10設於第一半導體層18之一側，該第二電極16設於該第二半導體層14。該第三電極20設於基板13之下，該基板13為絕緣體，其功能與第一圖中絕緣層17相同。而本實施例之該第一半導體層18為N型半導體層，該第二半導體層14為P型半導體層，所以該第一電極10為N型電極，該第二電極16為P型電極，其為多種實施例之一種。

請參閱第九圖，係本發明之另一較佳實施例之電流及電壓關係圖。如圖所示，本發明所提供之太陽能電池結構進行外加脈衝偏壓所產生之電流及電壓關係圖，其包含一第一曲線51及一第二曲線53，當外加脈衝偏壓0時，該太陽能電池結構之電流及電壓關係為第一曲線51；當外加脈衝偏壓為負偏壓時，該太陽能電池結構之電流及電壓關係為第二曲線53，本實施例之電流及電壓關係圖為本發明之多個實施例之一。

本發明提供一種高效率之太陽能電池結構，利用外加脈衝偏壓改變該太陽能電池結構中與電極接面間之能帶，並增加能帶彎曲處之該些載子運動動能，進而提升該太陽能電池結構之該光電轉換效率。

綜上所述，本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧太陽能電池結構

10‧‧‧第一電極

11‧‧‧空乏區

12‧‧‧第一半導體基板

13‧‧‧基板

14‧‧‧第二半導體層

15‧‧‧本質層

16‧‧‧第二電極

17‧‧‧絕緣層

18‧‧‧第一半導體層

19‧‧‧透明導電層

20‧‧‧第三電極

21‧‧‧價帶

23‧‧‧費米能階

25‧‧‧本質能階

27‧‧‧導帶

31‧‧‧負偏壓

33‧‧‧電洞累積

35‧‧‧複數電子

40‧‧‧太陽光

41‧‧‧價帶

43‧‧‧費米能階

45‧‧‧本質能階

47‧‧‧導帶

51‧‧‧第一曲線

53‧‧‧第二曲線

第一圖：本發明之一較佳實施例之結構示意圖；第二A圖：為第一圖之能帶及載子濃度變化示意圖；第二B圖：為第一圖之另一能帶及載子濃度變化示意圖；第三A圖：為第二圖之能帶及載子濃度變化示意圖；第三B圖：為第二圖之另一能帶及載子濃度變化示意圖；第四圖：本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；第五圖：本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；第六圖：本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；第七圖：本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；第八圖：本發明之另一較佳實施例之結構示意圖；及第九圖：本發明之另一較佳實施例之電流及電壓關係圖。

1‧‧‧太陽能電池結構

10‧‧‧第一電極

11‧‧‧空乏區

12‧‧‧第一半導體基板

14‧‧‧第二半導體層

16‧‧‧第二電極

17‧‧‧絕緣層

19‧‧‧透明導電層

Claims (41)

1. 一種太陽能電池，係包含：一第一電極；一第一半導體基板上，設於該第一電極；一第二半導體層，設於該第一半導體基板上；一第二電極，設於該第二半導體層上；一絕緣層，設於該第二半導體層上；以及一透明導電層，設於該絕緣層上；其中，通入一外加脈衝偏壓至該透明導電層，改變該第二半導體層及該絕緣層間之一能帶區，再調變該外加脈衝偏壓為0，該能帶區之複數載子將移往第二電極，產生一電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該半導體基板之材質為選自矽、鍺及銅銦鎵硒中擇其一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板為N型半導體層，該第二半導體層為P型半導體層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池，其中該第一電極為N型電極。
5. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池，其中該第二電極為P型電極。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板為P型半導體層，該第二半導體層為N型半導體層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該第一電極為P型電極。
8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池，其中該第二電極為N型電極。
9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該外加脈衝偏壓為負偏壓。
10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該透明導電層外 加之電壓為正值。
11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板及該第二半導體層間更設置一本質層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該絕緣層之材質為選自氧化物及氮化物中擇其一者。
13. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該透明導電層之材質為選自SnO 2、AZO、ITO及ZnO中擇其一者。
14. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中調變該外加脈衝偏壓形式為正旋波、三角波、方波或為可調變頻率之週期性變化。
15. 一種太陽能電池，係包含：一基板；一第一半導體層，設於該基板上；一第二半導體層，設於該第一半導體層上；一第一電極，設於該第一半導體層上，位於該第二半導體層之一側；一第二電極，設於該第二半導體層；一絕緣層，設於該第二半導體層上；以及一透明導電層，設於該絕緣層上；其中，通入一外加脈衝偏壓至該透明導電層，改變該第二半導體層及該絕緣層間之一能帶區，再調變該外加脈衝偏壓為0，該能帶區之複數載子將移往第二電極，產生一電流。
16. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該基板之材質為選自藍寶石及碳化矽中擇其一者。
17. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板為N型半導體層，該第二半導體層為P型半導體層。
18. 如申請專利範圍第17項所述之太陽能電池，其中該第一電極為N型電極。
19. 如申請專利範圍第17項所述之太陽能電池，其中該第二電極為P 型電極。
20. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板為P型半導體層，該第二半導體層為N型半導體層。
21. 如申請專利範圍第20項所述之太陽能電池，其中該第一電極為P型電極。
22. 如申請專利範圍第20項所述之太陽能電池，其中該第一電極為N型電極。
23. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該第一半導體基板及該第二半導體層間更設置一本質層。
24. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該外加脈衝偏壓為負偏壓。
25. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該透明導電層外加之電壓為正值。
26. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該絕緣層之材質為選自氧化物及氮化物中擇其一者。
27. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中該透明導電層之材質為選自SnO 2、AZO、ITO及ZnO中擇其一者。
28. 如申請專利範圍第15項所述之太陽能電池，其中調變該外加脈衝偏壓形式為正旋波、三角波、方波或為可調變頻率之週期性變化。
29. 一種太陽能電池，係包含：一基板；一第一半導體層，設於該基板上；一第二半導體層，設於該第一半導體層上；一第一電極，設於該第一半導體層上，位於該第二半導體層之一側；一第二電極，設於該第二半導體層上；以及 一第三電極，設於該基板之下；其中，通入一外加脈衝偏壓至該第三電極，改變該基板及該第一半導體層間之一能帶區，再調變該外加脈衝偏壓為0，該能帶區之複數載子將移往第一電極，產生一電流。
30. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該基板之材質為選自藍寶石及碳化矽中擇其一者。
31. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該第一半導體層為N型半導體層，該第二半導體層為P型半導體層。
32. 如申請專利範圍第31項所述之太陽能電池，其中該第一電極為N型電極。
33. 如申請專利範圍第31項所述之太陽能電池，其中該第一電極為P型電極。
34. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該第一半導體層為P型半導體層，該第二半導體層為N型半導體層。
35. 如申請專利範圍第34項所述之太陽能電池，其中該第一電極為P型電極。
36. 如申請專利範圍第34項所述之太陽能電池，其中該第一電極為N型電極。
37. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該第一半導體層及該第二1半導體層間更設置一本質層。
38. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該透明導電層外加之電壓為正值。
39. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該外加脈衝偏壓為負偏壓。
40. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中該第三電極之材質為選自鋁、鉬、銅、金及銀中擇其一者。
41. 如申請專利範圍第29項所述之太陽能電池，其中調變該外加脈 衝偏壓形式為正旋波、三角波、方波或為可調變頻率之週期性變化。