TWI436491B - 薄膜太陽能電池元件 - Google Patents

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Description

薄膜太陽能電池元件
本發明係關於一種太陽能電池元件，特別關於一種薄膜太陽能電池元件。
近幾年由於單晶矽、多晶矽等市場物料缺乏，造成價格飛漲，使得許多矽晶型太陽能電池廠商產能無法上升，而矽薄膜太陽電池(Silicon Thin-Film Solar Cell)使用玻璃基板，而鍍矽膜使用矽烷(SiH4 )與氫氣(H2 )，整體元件薄膜厚度不過數微米，因此沒有缺料之問題。除此之外，矽薄膜太陽電池溫度係數較低，溫度上升時元件開路電壓降低較緩，其元件效率損失較矽晶型太陽電池少。另一方面，照度小於10W/m2 之低照度情況下，矽薄膜太陽電池仍能維持在AM1.5照度下之90%，而傳統矽晶型太陽電池在此情形下僅能維持20%。
相較於一般市佔超過八成之結晶矽太陽電池，矽薄膜太陽電池擁有價格低廉、溫度效應低等優點，經評估若以整年的發電量而言，矽薄膜太陽電池之總體發電量在不同地點會高於矽晶型太陽電池5～25%左右，因此成為現階段發展太陽電池之主要重點。
但由於典型矽薄膜太陽電池主體是非晶矽層(Amorphous Si,a-Si)，在太陽光照射下其薄膜導電率會下降，因而使元件產生光照衰退現象。另一方面，非晶矽薄膜能階約為1.7eV左右，僅能吸收光波長700nm以下光源，造成元件光電轉換效率偏低。
因此，如何提供一種薄膜太陽能電池元件，能夠抵抗光照衰退並提升光電轉換效率，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠抵抗光照衰退並提升光電轉換效率之薄膜太陽能電池元件。
為達上述目的，依據本發明之一種薄膜太陽能電池元件包含一P型非晶矽層、一N型非晶矽層以及一微晶矽層。微晶矽層設置於P型非晶矽層與N型非晶矽層之間。
在一實施例中，微晶矽層可為本質微晶矽層、或P型微晶矽層、或N型微晶矽層。
在一實施例中，薄膜太陽能電池元件更包含一本質非晶矽層，其設置於該P型非晶矽層與微晶矽層之間、或設置於N型非晶矽層與微晶矽層之間。本質非晶矽層可作用電子電洞復合的阻擋層，進而提升光電轉換效率。
在一實施例中，P型非晶矽層、或N型非晶矽層、或本質非晶矽層係摻雜元素表中ⅢA至ⅤA族之其中至少一元素。例如，非晶矽的各層可以做成非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層，其中可以調整鍺的含量以改變非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層的能階，使其與埋入之微晶矽層能有更好之能階匹配以進一步增加光電轉換效率。
承上所述，本發明在非晶矽薄膜太陽能電池中設置一微晶矽層。相較於非矽晶層，微晶矽層可吸收較長波長之光線而彌補非矽晶之不足，進而提升電池轉換效率；例如，微晶矽能階約為1.1eV，其吸收光波長範圍為500～1000nm，將可有效彌補非晶矽無法吸收之光波長進而增加電池之轉換效率。此外，相較於非晶矽層，微晶矽層具有較佳之光照衰退抵抗能力，而提升元件效能。並且本發明藉由在非晶矽薄膜太陽能電池中設置一微晶矽層，可減少非晶矽層的厚度，進而有效降低光照衰退現象。此外，由於元件之各層都可以在玻璃基板上全部一次沈積完成，非常適合現有矽薄膜太陽電池產業引用直接量產。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種薄膜太陽能電池元件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖1為本發明第一實施例之一種薄膜太陽能電池元件1的示意圖。如圖1所示，薄膜太陽能電池元件1包含一P型非晶矽層(P-type a-Si：H)11、一N型非晶矽層(N-type a-Si：H)12以及一微晶矽層(μc-Si：H)13。微晶矽層13設置於P型非晶矽層11與N型非晶矽層12之間。
其中，P型非晶矽層11可例如以射頻式電漿輔助化學氣相沈積方法(Radio Frequency Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition,RF-PECVD)而形成，並通入矽烷(SiH4 )與氫氣(H2 )以及作為摻雜(doping)氣體的B2 H6 ，沈積p-type之氫化非晶矽(Hydrogenated Amorphous Silicon,a-Si：H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.7～1.8eV。若增加通入甲烷後，P型非晶矽層11之能階可到2eV。
N型非晶矽層12之製程可類似P型非晶矽層11。其中，N型非晶矽層12可以RF-PECVD通入矽烷與氫氣，以及作為摻雜氣體的PH3 ，沈積n-type之氫化非晶矽(a-Si：H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.7～1.8eV。
微晶矽層13可例如以高頻高密度電漿鍍膜方式(VHF-PECVD)，其產生電漿頻率為26～133MHz，並通入矽烷與氫氣，以及作為摻雜氣體的PH3 或B2 H6 ，以沈積n-type或p-type之微晶矽(Microcrystalline Silicon,μc-Si：H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1nm/s，薄膜厚度約為1～3μm，能階約為1.1eV。另外，微晶矽層13亦可不摻雜而形成為本質之微晶矽層(i-layer μc-Si)。本實施例之微晶矽層13係以本質微晶矽層為例。
另外，薄膜太陽能電池元件1可更包含一透光基板14，其設置位置使得P型非晶矽層11位於透光基板14與微晶矽層13之間。此外，薄膜太陽能電池元件1可更包含一透明電極層15，其設置於透光基板14與P型非晶矽層11之間。本實施例之透光基板14可使用高穿透率之玻璃基板，其上以濺鍍(Sputter)或化學沈積方式鍍上透明導電氧化薄膜材料(Transparent Conducting Oxide)以作為透明電極層15。透明電極層15可例如以參雜氟的二氧化錫(SnO2：F)或氧化鋅(ZnO)為主。透明電極層15例如，約為80～100nm，穿透率為85%以上，電阻率約為0.01～0.03Ω-cm。在本實施例中，光線係由透光基板14與透明電極層15進入元件內。
另外，薄膜太陽能電池元件1可更包含一金屬電極層16，其設置位置使得N型非晶矽層12位於金屬電極層16與微晶矽層13之間。此外，薄膜太陽能電池元件1可更包含一透明電極層17，其設置於金屬電極層16與N型非晶矽層12之間。透明電極層17與金屬電極層16可例如藉由濺鍍方法沈積而成。透明電極層17可與透明電極層15相同或類似，於此不再說明。金屬電極層16之材質可例如為鋁、銀或其他金屬。透明電極層17厚度可約為80nm，而金屬電極層16厚度約為150～200nm。
圖2為本發明第二實施例之一種薄膜太陽能電池元件1的示意圖。如圖2所示，薄膜太陽能電池元件1更包含一本質非晶矽層(i-layer a-Si：H)18，其設置於P型非晶矽層11與微晶矽層13之間。薄膜太陽能電池元件1更可包含另一本質非晶矽層(i-layer a-Si：H)19，設置於N型非晶矽層12與微晶矽層13之間。或者，薄膜太陽能電池元件1可同時包含本質非晶矽層18、19，本質非晶矽層18、19可作用電子電洞復合(recombination)的阻擋層，進而提升光電轉換效率。
另外，本實施例之微晶矽層13可例如為本質微晶矽層、或P型微晶矽層、或N型微晶矽層。
另外，P型非晶矽層11、或N型非晶矽層12、或本質非晶矽層18、19可摻雜元素表中ⅢA至ⅤA族之其中至少一元素。例如，非晶矽層可以做成非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層，其中可以調整鍺的含量以改變非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層的能階，使其與埋入之微晶矽層能有更好之能階匹配以進一步增加光電轉換效率。
綜上所述，本發明在非晶矽薄膜太陽能電池中設置一微晶矽層。相較於非矽晶層，微晶矽層可吸收較長波長之光線而彌補非矽晶之不足，進而提升電池轉換效率；例如，微晶矽能階約為1.1eV，其吸收光波長範圍為500～1000nm，將可有效彌補非晶矽無法吸收之光波長進而增加電池之轉換效率。此外，相較於非晶矽層，微晶矽層具有較佳之光照衰退抵抗能力，而提升元件效能。並且本發明藉由在非晶矽薄膜太陽能電池中設置一微晶矽層，可減少非晶矽層的總厚度，進而有效降低光照衰退現象。此外，由於元件之各層都可以在玻璃基板上全部一次沈積完成，非常適合現有矽薄膜太陽電池產業引用直接量產。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1．．．薄膜太陽能電池元件
11．．．P型非晶矽層
12．．．N型非晶矽層
13．．．微晶矽層
14．．．透光基板
15、17．．．透明電極層
16．．．金屬電極層
18、19．．．本質非晶矽層
圖1為本發明第一實施例之一種薄膜太陽能電池元件的示意圖；以及
圖2為本發明第二實施例之一種薄膜太陽能電池元件的示意圖。
1．．．薄膜太陽能電池元件
11．．．P型非晶矽層
12．．．N型非晶矽層
13．．．微晶矽層
14．．．透光基板
15、17．．．透明電極層
16．．．金屬電極層

Claims (7)

  1. 一種薄膜太陽能電池元件，包含：一P型非晶矽層；一N型非晶矽層；一微晶矽層，設置於該P型非晶矽層與該N型非晶矽層之間；一本質非晶矽層，設置於該P型非晶矽層與該微晶矽層之間；以及一本質非晶矽層，設置於該N型非晶矽層與該微晶矽層之間，並且該P型非晶矽層、該N型非晶矽層、該微晶矽層及該等本質非晶矽層構成一連續的堆疊結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池元件，其中該微晶矽層為本質微晶矽層、或P型微晶矽層、或N型微晶矽層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池元件，更包含：一透光基板，其設置位置使得該P型非晶矽層位於該透光基板與該微晶矽層之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，設置於該透光基板與該P型非晶矽層之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池元件， 更包含：一金屬電極層，其設置位置使得該N型非晶矽層位於該金屬電極層與該微晶矽層之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之薄膜太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，設置於該金屬電極層與該N型非晶矽層之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜太陽能電池元件，其中該P型非晶矽層、或該N型非晶矽層、或該本質非晶矽層係摻雜元素表中ⅢA至VA族之其中至少一元素。
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