TWI438910B - 具有微晶矽質薄膜太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

具有微晶矽質薄膜太陽能電池及其製造方法 Download PDF

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Description

具有微晶矽質薄膜太陽能電池及其製造方法
本發明係有關於一種薄膜太陽能電池及其製造方法,特別是有關於一種具有非結晶矽層與微結晶矽層所堆疊半導體結構之薄膜太陽能電池及其製造方法 。
20世紀70年代,由美國貝爾實驗室首先研製出的矽太陽能電池逐步發展起來。隨著太陽電池之發展,如今太陽能電池有多種類型,典型的有晶體矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池、化合物太陽能電池、染料敏化太陽能電池等。太陽能電池主要是利用光伏效應(photovoltaic effect),將光能吸收後直接轉換成電能的一種P/N接面(p-n junction)的半導體結構。近年來,為因應太陽能電池薄型化的要求,薄膜疊層太陽能電池成為現今之發展趨勢。薄膜疊層太陽電池最大優點就是生產成本較低,然其效率和穩定度的問題也尚待改善。
當習知 薄膜太陽能電池的光電轉換層以微結晶矽之材質為主要半導體結構時,如先前技術之日本專利公開案JP2006102162、歐洲專利公開案EP2003700、美國專利公開案US20020008192、美國專利公告案US6521883、美國專利公告案US5599403以及美國專利公告案US5456762等,然經過測試後之整體光電轉換效益改善有限。為了提升薄膜太陽能電池之整體光電轉換效益,另一作法是直接增加光電轉換層之膜厚,然膜厚材料之成本增加比例遠超過所對應之光電轉換效益之增加比例,由於膜厚增加使得整個薄膜太陽能電池製作成本也相對提高,不利大量生產,實有必要加以改良。
為了解決上述先前技術不盡理想之處,本發明提供一種適用於覆板結構或基板結構為主之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,包含有基板、前電極層、光電轉換層與背電極層以形成層狀構造,而上述光電轉換層具有非結晶矽層與微結晶矽層所堆疊之半導體結構。此外,上述微結晶矽層具有添加p型雜質之p層、添加n型雜質之n層及位於此p層與n層之間的本質層(i-type)。此外,上述微結晶矽層之本質層進一步包含微結晶矽主層與微結晶矽鍺副層,且此微結晶矽主層之膜厚大於此微結晶矽鍺副層之膜厚,而此微結晶矽鍺副層具有20%-40%之鍺組成比率。
因此,本發明之主要目的在於提供一種具有微晶矽質薄膜太陽能電池,而此薄膜太陽能電池之光電轉換層之微結晶矽層之本質層包含有微結晶矽主層與微結晶矽鍺副層,其特徵在於此微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層係位於此微結晶矽層之p層與此微結晶矽層之本質層之微結晶矽主層之間,同時此微結晶矽鍺副層具有20%-40%之鍺組成比率,藉由此結構特徵與材料比例,可有效提升薄膜太陽能電池之光電轉換效益 。
本發明之另一目的在於提供一種具有微晶矽質薄膜太陽能電池,而此薄膜太陽能電池之光電轉換層之微結晶矽層之本質層包含有微結晶矽主層與微結晶矽鍺副層,其特徵在於此微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層係位於此微結晶矽層之本質層之微結晶矽主層與此微結晶矽層之n層之間,同時此微結晶矽鍺副層具有20%-40%之鍺組成比率,藉由此結構特徵與材料比例,可有效提升薄膜太陽能電池之光電轉換效益 。
此外,本發明提供一種適用於覆板結構或基板結構為主之具有微晶矽質薄膜太陽能電池之製作方法,其中此微晶矽質薄膜太陽能電池包含有基板、前電極層、光電轉換層與背電極層等層狀構造,而此光電轉換層具有非結晶矽層與微結晶矽層,而此微結晶矽層具有p層、n層及位於此p層與n層之間的本質層(i-type),而此本質層進一步包含微結晶矽主層與微結晶矽鍺副層,此 製作方法特徵在於藉由調較此微結晶矽鍺副層之製造參數,而使形成此微結晶矽鍺副層之膜厚小於此微結晶矽主層之膜厚,據此可有效提升此薄膜太陽能電池之光電轉換效益。
由於本發明係揭露一種 具有微晶矽質薄膜太陽能電池及其製造方法,其中所利用太陽能發電原理與基本功能,已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭,故以下文中之說明,不再完整描述。同時,以下文中所對照之圖式,係表達與本發明特徵有關之結構示意,並未亦不需要依據實際尺寸完整繪製,盍先敘明。
首先請參考第1A圖,係根據本發明所提供之第一較佳實施例,為一種以覆板結構為主之具有微晶矽質薄膜太陽能電池。此具有微晶矽質薄膜太陽能電池10依序包含有:基板11、前電極層12、光電轉換層13與背電極層14,其中基板11係靠近入射光一側。光電轉換層13係由非結晶矽層131與微結晶矽層132所共同堆疊之雙接合面PIN(double PIN junction)半導體結構,其中非結晶矽層131具有添加p型雜質之第一P層1311、添加n型雜質之第一N層1313及位於第一P層1311與第一N層1313之間的第一本質層1312;而微結晶矽層132具有添加p型雜質之第二P層1321、添加n型雜質之第二N層1323及位於第二P層與第二N層之間的第二本質層1322,而第二本質層1322進一步包含微結晶矽主層13221與微結晶矽鍺副層13222,其中微結晶矽主層13221之膜厚大於微結晶矽鍺副層13222之膜厚。此外,微結晶矽鍺副層13222具有20%-40%之鍺組成比率。因此藉由微結晶矽層132之第二本質層1322包含有微結晶矽主層13221搭配微結晶矽鍺副層13222這樣的材質結構組成,特別是微結晶矽鍺副層13222具有20%-40%之鍺組成比率,使得此覆板式薄膜太陽能電池之整體光電轉換效益可有效提升。
在上述實施例中,請再參考第1A圖, 微結晶矽層132之 第二本質層1322之微結晶矽鍺副層 13222係位於微結晶矽層132之第二P層1321與微結晶矽層132之第二本質層1322之微結晶矽主層13221之間。此外,請參考第1B圖,微結晶矽層132之第二本質層1322之微結晶矽鍺副層 13222 亦可位於微結晶矽層132之第二本質層1322之微結晶矽主層13221與微結晶矽層132之 第二N層1323之間。此外,第二本質層1312之微結晶矽鍺副層13222與微結晶矽主層13221的膜厚比值小於1。換言之,微結晶矽鍺副層13222的膜厚只要小於微結晶矽主層13221的膜厚即可 。此外,第二本質層1322之微結晶矽鍺副層13222的膜厚係介於3000埃(A)與7000埃(A)之間。
根據上述實施例, 本發明進一步提供一種適用於覆板結構且具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,而此微晶矽質薄膜太陽能電池之層狀結構與材質組成相同於第1A圖,其中此製造方法包含以下步驟:
步驟S110:提供一基板11。
步驟S111:形成一前電極層12在上述基板11上。
步驟S112:添加p型雜質而形成第一P層1311在前電極層12上,其中第一P層1311係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S113:形成第一本質層1312在第一P層1311上,其中第一本質層1312係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S114:添加n型雜質而形成第一N層1313在第一本質層1312上,其中第一N層1313係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S115:添加p型雜質以形成第二P層1321在第一N層1313上,其中第二P層1321係屬於微結晶矽之半導體。
步驟S116:形成微結晶矽鍺副層13222在第二P層1321上,且將微結晶矽鍺副層13222之膜厚控制在3000埃(A)與7000埃(A)之間。
步驟S117:形成微結晶矽主層13221在微結晶矽鍺副層13222上,且調較微結晶矽主層13221之膜厚,使其膜厚大於結晶矽鍺副層13222之膜厚。
步驟S118:添加n型雜質以形成第二N層1323在微結晶矽主層13221上,其中第二N層1323係屬於 微結晶矽之半導體。
步驟S119:形成一背電極層14在第二N層1323上。
根據上述實施例,本發明進一步提供另一種適用於覆板結構且具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,而此微晶矽質薄膜太陽能電池之層狀結構與材質組成相同於第1B圖,其中此製造方法包含以下步驟:
步驟S120:提供一基板11。
步驟S121:形成一前電極層12在上述基板11上。
步驟S122:添加p型雜質而形成第一P層1311在前電極層12上,其中第一P層1311係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S123:形成第一本質層1312在第一P層1311上,其中第一本質層1312係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S124:添加n型雜質而形成第一N層1313在第一本質層1312上,其中第一N層1313係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S125:添加p型雜質以形成第二P層1321在第一N層1313上,其中第二P層1321係屬於微結晶矽之半導體。
步驟S126:形成微結晶矽主層13221在第二P層1321上。
步驟S127:形成微結晶矽鍺副層13222在微結晶矽主層13221上,且調較微結晶矽鍺副層13222之膜厚,使其小於微結晶矽主層13221之膜厚,且將微結晶矽鍺副層13222之膜厚控制在3000埃(A)與7000埃(A)之間。
步驟S128:添加n型雜質以形成第二N層1323在微結晶矽鍺副層13222上,其中第二N層1323係屬於 微結晶矽之半導體。
步驟S129:形成一背電極層14在第二N層1323上。
請參考第2A圖,係根據本發明所提供之第二較佳實施例,為一種以基板結構為主之具有微晶矽質薄膜太陽能電池。此具有微晶矽質薄膜太陽能電池20依序包含有:前電極層21、光電轉換層22、背電極層23與基板24,而前電極層21係靠近入射光一側,而背電極層23之材料具有高反射性。光電轉換層22具有非結晶矽層221與微結晶矽層222所堆疊之雙接合面PIN(double PIN junction)半導體結構,其中非結晶矽層221具有添加p型雜質之第一P層2211、添加n型雜質之第一N層2213及位於第一P層2211與第一N層2213之間的第一本質層2212;微結晶矽層222具有添加p型雜質之第二P層2221、添加n型雜質之第二N層2223及位於第二P層2221與第二N層2223之間的第二本質層2222,而微結晶矽層222之第二本質層2222進一步包含微結晶矽主層22221與微結晶矽鍺副層22222。亦可在背電極層23與微結晶矽層222之間形成一透明導電膜(未圖示)。此外,微結晶矽主層22221之膜厚大於微結晶矽鍺副層22222之膜厚。此外,微結晶矽鍺副層22222具有20%-40%之鍺組成比率。因此藉由微結晶矽層222之第二本質層2222包含有微結晶矽主層22221搭配微結晶矽鍺副層22222這樣的結構與材質組成,特別是微結晶矽鍺副層22222具有20%-40%之鍺組成比率,使得基板式薄膜太陽能電池之整體光電轉換效益可有效提升。
在上述實施例中,請再參考第2A圖,微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽鍺副層 22222係位於微結晶矽層222之第二P層2221與微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽主層22221之間。此外,請參考第2B圖,微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽鍺副層 22222亦可位於微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽主層22221與微結晶矽層222之第二N層2223之間。此外,微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽鍺副層22222與微結晶矽主層22221的膜厚比值小於1。換言之,微結晶矽鍺副層22222的膜厚只要小於微結晶矽主層 22221的膜厚即可。此外,微結晶矽層222之第二本質層2222之微結晶矽鍺副層22222的膜厚係介於3000埃(A)與7000埃(A)之間。
根據上述實施例,本發明進一步提供一種適用於基板結構且具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,而此微晶矽質薄膜太陽能電池之層狀結構與材質組成相同於第2A圖,其中此製造方法包含以下步驟:
步驟S210:提供一基板24。
步驟S211:形成一背電極層23在上述基板24上。
步驟S212:添加n型雜質而形成第二N層2223在背電極層23上,其中第二N層2223係屬於 微結晶矽 之半導體。
步驟S213:形成微結晶矽主層22221在第二N層2223上。
步驟S214:形成微結晶矽鍺副層 22222在微結晶矽主層22221上,且調較微結晶矽鍺副層22222之膜厚,使其小於微結晶矽主層22221之膜厚,且將微結晶矽鍺副層22222之膜厚控制在3000埃(A)與7000埃(A)之間。
步驟S215:添加p型雜質以形成第二P層2221在微結晶矽鍺副層22222上,其中第二P層2221係屬於 微結晶矽 之半導體。
步驟S216:添加n型雜質以形成第一N層2213在第二P層2221上,其中第一N層2213係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S217:形成第一本質層2212在第一N層2213上,其中第一本質層2212係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S218:添加p型雜質以形成第一P層2211在第一本質層2212上,其中第一P層2211係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S219:形成前電極層21在第一P層2211上。
根據上述實施例,本發明進一步提供另一種適用於基板結構且具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,而此微晶矽質薄膜太陽能電池之層狀結構與材質組成相同於 第2B圖,其中此製造方法包含以下步驟:
步驟S220:提供一基板24。
步驟S221:形成一背電極層23在上述基板24上。
步驟S222:添加n型雜質而形成第二N層2223在背電極層23上,其中第二N層2223係屬於 微結晶矽 之半導體。
步驟S223:形成微結晶矽鍺副層 22222在第二N層2223上,且將微結晶矽鍺副層22222之膜厚控制在3000埃(A)與7000埃(A)之間。
步驟S224:形成微結晶矽主層22221在微結晶矽鍺副層 22222上,且調較微結晶矽主層22221之膜厚,使其大於微結晶矽鍺副層22222之膜厚。
步驟S225:添加p型雜質以形成第二P層2221在微結晶矽主層22221上,其中第二P層2221係屬於 微結晶矽之半導體。
步驟S226:添加n型雜質以形成第一N層2213在第二P層2221上,其中第一N層2213係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S227:形成第一本質層2212在第一N層2213上,其中第一本質層2212係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S228:添加p型雜質以形成第一P層2211在第一本質層2212上,其中第一P層2211係屬於非結晶矽之半導體。
步驟S229:形成前電極層21在第一P層2211上。
請參考表1,係列出 薄膜太陽能電池之光電轉換層使用不同材料結構時與對應量測參數之比較表。其中量測參數"光電轉換比"係由其他三個量測參數:"開路電壓比"、"短路電流比"以及"填充因子比"所決定,且"光電轉換比"具有與這三個量測參數呈現正向比例之關係。此外,參考實驗組係指薄膜太陽能電池之光電轉換層的半導體結構之本質層具有15000A膜厚之微結晶矽時 ,與其它三組對比實驗之比較。其中對比實驗組1係為本發明所揭露之本質層材料結構,包括10000A膜厚之微結晶矽(主層)與5000A膜厚之微結晶矽鍺(副層);對比實驗組2之本質層具有15000A膜厚之微結晶矽鍺;以及對比實驗組3之本質層具有20000A膜厚之微結晶矽。
表1、光電轉換層之本質層具有不同材料結構與對應量測參數比較表
從上述不同材料結構組合之本質層量測表,可發現當本質層具有相同膜厚(即15000A)時,本發明之薄膜太陽能電池相較於參考實驗組,經過測試後之整體光電轉換效益比為1.03,然而對比實驗組2相較於參考實驗組,經過測試後之整體光電轉換效益比為0.99,顯然本發明之本質層 半導體結構相較於參考實驗組與對比實驗組2具有相同材料成本之下,本發明在整體光電轉換效益具有相當程度之提升。雖然本發明揭露之對比實驗組1不若對比實驗組3在整體光電轉換效益表現得較佳,但是對比實驗組3相較於本發明而言,膜厚材料之成本增加比例遠超過所對應之光電轉換效益之增加比例,因此本發明揭露之對比實驗組1非常具有競爭優勢。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,並非用以限定本發明之權利範圍。同時以上的描述,對於熟知本技術領域之專門人士應可明瞭及實施,因此其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾,均應包含在申請專利範圍中。
10,20...具有微晶矽質薄膜太陽能電池
11,24...基板
12,21...前電極層
13,22...光電轉換層
131,221...非結晶矽層
1311,2211...第一P層
1312,2212...第一本質層
1313,2213...第一N層
132,222...微結晶矽層
1321,2221...第二P層
1322,2222...第二本質層
13221,22221...微結晶矽主層
13222,22222...微結晶矽鍺副層
1323,2223...第二N層
14,23...背電極層
S110~S119,S120~S129,S210~S219,S220~S229...流程步驟
第1A圖為一示意圖,係根據本發明提出之第一較佳實施例,為一種覆板式薄膜太陽能電池結構。
第1B圖為一示意圖,係根據本發明提出之第一較佳實施例,為另一種覆板式薄膜太陽能電池結構。
第2A圖為一示意圖,係根據本發明提出之第二較佳實施例,為一種基板式薄膜太陽能電池結構。
第2B圖為一示意圖,係根據本發明提出之第二較佳實施例,為另一種基板式薄膜太陽能電池結構。
10...具有微晶矽質薄膜太陽能電池
11...基板
12...前電極層
13...光電轉換層
131...非結晶矽層
1311...第一P層
1312...第一本質層
1313...第一N層
132...微結晶矽層
1321...第二P層
1322...第二本質層
13221...微結晶矽主層
13222...微結晶矽鍺副層
1323...第二N層
14...背電極層

Claims (9)

  1. 一種具有微晶矽質薄膜太陽能電池,包含有一基板、一前電極層、一光電轉換層與一背電極層以形成層狀構造,該光電轉換層具有一非結晶矽層與一微結晶矽層所堆疊之半導體結構,而該微結晶矽層具有一添加p型雜質之p層、一添加n型雜質之n層及一位於該p層與該n層之間的本質層(i-type),其特徵在於:該微結晶矽層之本質層進一步包含一微結晶矽主層與一微結晶矽鍺副層且該微結晶矽主層之膜厚大於該微結晶矽鍺副層之膜厚。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該層狀構造依序為基板、前電極層、光電轉換層與背電極層,且該基板係靠近入射光的一側。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該層狀構造依序為前電極層、光電轉換層、背電極層與基板,其中該前電極層係靠近入射光的一側。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該微結晶矽鍺副層具有20%-40%之鍺組成比率。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層係位於該微結晶矽層之p層與該微結晶矽層之本質層之微結晶矽主層之間。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層係位於該微結晶矽層之本質層之微結晶矽主層與該微結晶矽層之n層之間。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池,其中該微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層與該微結晶矽主層的膜厚比值小於1且該微結晶矽層之本質層之微結晶矽鍺副層的膜厚介於3000埃(A)與7000埃(A)之間。
  8. 一種具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,該微晶矽質薄膜太陽能電池包含有一基板、一前電極層、一光電轉換層與一背電極層等層狀構造,該光電轉換層具有一非結晶矽層與一微結晶矽層,其中該微結晶矽層具有一p層、一n層及一位於該p層與該n層之間的本質層(i-type)且該本質層進一步包含一微結晶矽主層與一微結晶矽鍺副層,其特徵在於:調較該微結晶矽鍺副層之製造參數使其形成之膜厚小於該微結晶矽主層之膜厚。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之具有微晶矽質薄膜太陽能電池的製造方法,其中該微結晶矽鍺副層的膜厚介於3000埃(A)與7000埃(A)之間。
TW099123211A 2010-07-14 2010-07-14 具有微晶矽質薄膜太陽能電池及其製造方法 TWI438910B (zh)

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