TWI427807B

TWI427807B - 能增加光電流收集效率的太陽能電池結構

Info

Publication number: TWI427807B
Application number: TW99136862A
Authority: TW
Inventors: Yu Li Tsai; Chih Hung Wu
Original assignee: Atomic Energy Council
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2014-02-21
Also published as: TW201218391A

Description

能增加光電流收集效率的太陽能電池結構

本發明是有關於一種能增加光電流收集效率的太陽能電池結構，尤指一種可有效保護太陽電池照光所產生之光電流，使其遠離存在於窗口層表面的複合中心缺陷，以減少表面複合效應(surface recombination)，而達到增加光電流收集效率之功效者。

按，一般習用之太陽能電池3(如第7圖所示)，其包括有基板31、背面電場層32、基極層33、射極層34、窗口層35及接觸層36，其中該窗口層35可降低光電流在射極層34表面附近的表面複合損失，進而提升載子效率。

而由該太陽能電池3照光而產生光電流之傳遞與收集路徑可知，即便有窗口層35可以降低光電流在射極層34表面之複合效應，但仍然無法避免光電流在窗口層35表面發生表面複合效應，此現象尤其在聚光條件下更為顯著；以該電流路徑來說明，該路徑a具有最低的表面複合效應，因此，收集效率最佳；路徑c則具有最高的表面複合效應，因此，收集效率最差；而路徑b則是介於兩者之間，由於路徑c是太陽電池最主要的光電流產生區域，因此，如何降低路徑c之表面複合效應，進而提升載子收集效率，是聚光型太陽電池之一重要核心議題。

目前文獻上有報導利用表面硫化處理，來降低窗口層上表面之複合效應，進而提高載子收集效率。硫化溶液有多種不同型式，包括Na₂ S、(NH₄ )₂ S、與(NH₄ )₂ S_X 等等。文獻報導，以(NH₄ )₂ S_X 溶液進行硫化，效果較佳。其原理說明如下：以窗口層材質是AlInP為例子，未施以硫化處理之前，窗口層上表面存在許多與氧相關的鍵結，包括In-O鍵結與Al-O鍵結，這些鍵結皆屬再結合中心(recombination centers)，這些表面態(surface states)容易捕捉光電流，增加表面複合速率。若施以硫化處理，則這些與氧相關的鍵結會被硫原子取代而形成In-S鍵結與Al-S鍵結，因而降低表面態密度，降低表面複合速率；但窗口層之表面硫化處理至少會產生有下列之缺點：

1．(NH₄ )₂ S_X 溶液對太陽電池其他膜層結構是否會衍生其他副化學反應，目前文獻上仍未有詳盡報導。

2．對於須在聚光條件下操作的太陽能電池而言，結構之耐高溫特性是重要考量。一旦窗口層表面之氧相關鍵結被硫原子取代而形成硫原子相關鍵結，其對溫度的穩定性目前文獻上仍未有詳盡報導。

然，除了上述之表面硫化處理方法之外，目前更有相關專利利用改善窗口層本身材質來降低表面複合，材質選擇包括晶格匹配類型與晶格不匹配類型。此外亦有報導利用氧化膜層來減少懸浮鍵結(dangling bond)。

例如下列相關之美國專利與中華民國專利：

1.美國專利第4,276,137號之「Control of surface recombination lossin solar cells」。

2.美國專利第7,119,271號之「lattice-mismatched window layer for a solar conversion device」。

3.美國專利第7,763,917號之「Photovoltaic devices with silicon dioxide encapsulation layer and method to make same」。

4.美國專利第4,935,384號之「Method of passivating semiconductor surfaces」。

5.中華民國專利公開第200901493號「製造太陽能電池可用之氮化矽鈍化層的方法」。

6.中華民國專利公開第200814344號之「具有減小之基極擴散區域的太陽能電池」。

7.中華民國專利公開第200841478號之「矽晶太陽電池與矽晶太陽電池之背電極的製造方法」。

而就上述各專利而言，無論是選擇晶格匹配類型或晶格不匹配類型的窗口層材質，或是利用氧化膜層對窗口層的表面鈍化覆蓋方式，窗口層表層必定仍存在氧相關缺陷，會減少光電流的收集效率。

本發明之主要目的係在於，可使表面能障層與窗口層之界面處形成之內建電場，以有效保護太陽電池照光所產生之光電流，使其遠離存在於窗口層表面的複合中心缺陷，以減少表面複合效應，而達到增加光電流收集效率之功效。

為達上述之目的，本發明係一種能增加光電流收集效率的太陽能電池結構，包含端面設有窗口層之太陽能電池；以及一覆蓋於窗口層表面上之表面能障層，該表面能障層係可為磷化物或砷化物。

於本發明之一實施例中，該太陽能電池至少包含有一基板、一層疊於基板上之緩衝層、一層疊於緩衝層上之背面電場層、一層疊於背面電場層上之基極層、及一層疊於基極層上之射極層、而該窗口層係層疊於射極層上，且於該窗口層上係設有一接觸層，而形成一單接面太陽能電池。

於本發明之一實施例中，該太陽能電池至少包含有一基板、一層疊於基板上之緩衝層、一層疊於緩衝層上之第一背面電場層、一層疊於第一背面電場層上之第一基極層、一層疊於第一基極層上之第一射極層、一層疊於第一射極層上之第一窗口層、一層疊於第一窗口層上之第二背面電場層、一層疊於第二背面電場層上之第二基極層、一層疊於第二基極層上之第二射極層、一層疊於第二射極層上之第二窗口層、及一層疊於第二窗口層上之接觸層，而形成一雙接面太陽能電池，且使該表面能障層覆蓋於第二窗口層之表面上。

於本發明之一實施例中，該太陽能電池至少包含有一基板、一層疊於基板上之成核層、一層疊於成核層上之第一背面電場層、一層疊於第一背面電場層上之第一基極層、一層疊於第一基極層上之第一射極層、一層疊於第一射極層上之第一窗口層、一層疊於第一窗口層上之第二背面電場層、一層疊於第二背面電場層上之第二基極層、一層疊於第二基極層上之第二射極層、一層疊於第二射極層上之第二窗口層、及一層疊於第二窗口層上之接觸層，而形成三接面太陽能電池，且使該表面能障層覆蓋於第二窗口層之表面上。

於本發明之一實施例中，該窗口層係可為p型AlGaAs，而該表面能障層係可為相反極性之n型(Al_x Ga_1-x )_0.5 In_0.5 P，且其中該x=0~1。

於本發明之一實施例中，該窗口層係可為p型AlGaAs，而該表面能障層係可為相同極性之p型(Al_y Ga_1-y )_0.5 In_0.5 P，且其中該y=0~1。

於本發明之一實施例中，該窗口層係可為p型(Al_x Ga_1-x )_0.5 In_0.5 P，而該表面能障層係可為相反極性之n型Al_y Ga_1-y As，而其中該y=0~1。

於本發明之一實施例中，該窗口層係可為p型(Al_x Ga_1-x )_0.5 In_0.5 P，而該表面能障層係可為相同極性之p型Al_z Ga_1-z As，而其中該z=0~1。

於本發明之一實施例中，該表面能障層至少係以塗佈光阻、軟烤、曝光、硬烤、顯影、表面能障層之局部蝕刻及移除光阻之步驟成型覆蓋於窗口層之表面上。

請參閱『第1、2、3及第4圖』所示，係分別為本發明第一實施例之示意圖、本發明表面能障層之成型示意圖、本發明接觸層之成型示意圖及本發明第一實施例之使用狀態示意圖。如圖所示：本發明係一種能增加光電流收集效率的太陽能電池結構，其至少包含有一太陽能電池1以及一表面能障層2所構成。

該太陽能電池1至少包含有一基板10、一層疊於基板10上之緩衝層11、一層疊於緩衝層11上之背面電場層12、一層疊於背面電場層12上之基極層13、及一層疊於基極層13上之射極層14、一層疊於射極層14上之窗口層15、及一層疊於窗口層15上之接觸層16，而形成一單接面太陽能電池。

該表面能障層2係覆蓋於窗口層15之表面上，而該表面能障層2係可為磷化物或砷化物。

當本發明於製作時，係將該表面能障層2以塗佈光阻、軟烤、曝光、硬烤、顯影、表面能障層2之局部蝕刻及移除光阻等黃光製程步驟成型覆蓋於窗口層15之表面上(如第2圖所示)，之後再利用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)於窗口層15之適當處進行再生層(regrowth)，而成長一層重摻雜之p型GaAs接觸層16(如第3圖所示)，最後再施以標準的太陽電池製作流程即可獲得具有表面能障層2之太陽能電池1(如第1圖所示)。

由於本實施例之基板10係可為n型GaAs基板，而該窗口層15之材料係為p型AlGaAs，因此，一旦成長完窗口層15之後，隨即成長一層採用n型AlInP表面能障層2，藉以可有效減少窗口層15表面複合效應，以提昇載子收集效率，進而提高太陽電池轉換效率。

另外該表面能障層2之材質選擇視下層窗口層15之材料而定，例如該窗口層15係為p型AlGaAs，則表面能障層2的材質可以是極性相反之n型(AlxGa1-x)0.5In0.5P，其中x=0~1、或是極性相同之p型(AlyGa1-y)0.5In0.5P，其中y=0~1；又例如該窗口層15係為p型(AlxGa1-x)0.5In0.5P，則表面能障層2之材質可以是極性相反之n型AlyGa1-yAs，其中y=0~1、或是極性相同之p型AlzGa1-zAs，其中z=0~1。當然，對於其他晶格不匹配體系(metamorphic)之太陽能電池而言，其窗口層材質可能不是AlGaAs、(AlxGa1-x)0.5In0.5P，因此，其對應之表面能障層材質選擇亦可能隨之而變。

而當使用時(如第4圖所示)，無論是選用極性相反之n型AlGaInP，或是極性相同之p型AlGaInP所形成之表面能障層2材料，皆會在該表面能障層2與窗口層15之界面處形成一內建電場A，而此內建電場A能有效推離光電流聚集在窗口層15表面，並進而大幅降低光電流在窗口層15表面之複合效應，而提高太陽能電池1之轉換效率。

請參閱『第5圖』所示，係本發明第二實施例之剖面狀態示意圖。如圖所示：

該太陽能電池1a亦可包含有一基板10a、一層疊於基板10a上之緩衝層11a、一層疊於緩衝層11a上之第一背面電場層12a、一層疊於第一背面電場層12a上之第一基極層13a、一層疊於第一基極層13a上之第一射極層14a、一層疊於第一射極層14a上之第一窗口層15a、一層疊於第一窗口層15a上之第二背面電場層16a、一層疊於第二背面電場層16a上之第二基極層17a、一層疊於第二基極層17a上之第二射極層18a、一層疊於第二射極層18a上之第二窗口層19a、及一層疊於第二窗口層19a上之接觸層191a，藉以形成一雙接面太陽能電池，且使該表面能障層2以第一實施例之方式覆蓋於第二窗口層19a之表面上；如此，除可同樣達到上述第一實施例所提供效之外，更能符合實際使用時之所需。

請參閱『第6圖』所示，係本發明第三實施例之剖面狀態示意圖。如圖所示：該太陽能電池1b亦可包含有一基板10b、一層疊於基板10b上之成核層101b、一層疊於成核層101b上之第一背面電場層12b、一層疊於第一背面電場層12b上之第一基極層13b、一層疊於第一基極層13b上之第一射極層14b、一層疊於第一射極層14b上之第一窗口層15b、一層疊於第一窗口層15b上之第二背面電場層16b、一層疊於第二背面電場層16b上之第二基極層17b、一層疊於第二基極層17b上之第二射極層18b、一層疊於第二射極層18b上之第二窗口層19b、及一層疊於第二窗口層19b上之接觸層191b，藉以形成三接面太陽能電池，且使該表面能障層2以第一實施例之方式覆蓋於第二窗口層19b之表面上；如此，除可同樣達到上述第一實施例所提供效之外，更能符合實際使用時之所需。

綜上所述，本發明能增加光電流收集效率的太陽能電池結構可有效改善習用之種種缺點，可使表面能障層與窗口層之界面處形成之內建電場，以有效保護太陽電池照光所產生之光電流，使其遠離存在於窗口層表面的複合中心缺陷，以減少表面複合效應(surface recombination)，而達到增加光電流收集效率之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

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；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

(本發明部分)

1、1a、1b‧‧‧太陽能電池

10、10a、10b‧‧‧基板

101b‧‧‧成核層

11、11a‧‧‧緩衝層

12‧‧‧背面電場層

12a‧‧‧第一背面電場層

12b‧‧‧第一背面電場層

13‧‧‧基極層

13a、13b‧‧‧第一基極層

14‧‧‧射極層

14a、14b‧‧‧第一射極層

15‧‧‧窗口層

15a、15b‧‧‧第一窗口層

16‧‧‧接觸層

16a、16b‧‧‧第二背面電場層

17a、17b‧‧‧第二基極層

18a、18b‧‧‧第二射極層

19a、19b‧‧‧第二窗口層

191a、191b‧‧‧接觸層

2‧‧‧表面能障層

A‧‧‧內建電場

(習用部分)

3‧‧‧太陽能電池

31‧‧‧基板

32‧‧‧背面電場層

33‧‧‧基極層

34‧‧‧射極層

35‧‧‧窗口層

36‧‧‧接觸層

a‧‧‧路徑

b‧‧‧路徑

c‧‧‧路徑

第1圖，係本發明第一實施例之示意圖。

第2圖，係本發明表面能障層之成型示意圖。

第3圖，係本發明接觸層之成型示意圖。

第4圖，係本發明第一實施例之使用狀態示意圖。

第5圖，係本發明第二實施例之剖面狀態示意圖。

第6圖，係本發明第三實施例之剖面狀態示意圖。

第7圖，係習用太陽能電池之示意圖。

1‧‧‧太陽能電池

10‧‧‧基板

11‧‧‧緩衝層