TWI451578B - 具有異質接面之矽基太陽能電池及其製造方法 - Google Patents

具有異質接面之矽基太陽能電池及其製造方法 Download PDF

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具有異質接面之矽基太陽能電池及其製造方法
本發明係關於一種矽基太陽能電池及其製造方法，特別是關於一種具有異質接面之矽基太陽能電池及其製造方法。
近年來，由於國際能源短缺及地球暖化之影響，綠色替代能源儼然成為各國競相投入發展的產業之一。其中，綠色替代能源中，又以太陽能發電最受到矚目。
太陽能發電中，太陽能電池由於具有使用方便、取之不盡、用之不竭、無廢棄物、無污染、無噪音、可阻隔輻射熱、可與建築物作結合及普及化等優點，故通常係利用太陽能電池獲取能源。
矽(Silicon)為太陽能電池中光電板最主要的原料，矽目前在市場上通常區分為：1.單結晶(single crystalline)矽；2.多結晶(Polyrystalline)矽；以及3.非結晶(amorphous)矽等三種類型。其中，單晶矽具有轉換效率最高之優點；而非晶矽則具有價格最為便宜，無須進行封裝，以及生產速度亦最快之優點。而多晶矽具有切割及加工不易之缺點。因此，目前最成熟的工業生產製造技術和最大的市場佔有率乃以單晶矽和非晶矽為主的光電板。其中，由於非晶矽價格最為便宜，因此，為了降低成本，現今主要以積極發展非晶矽薄膜太陽能電池為主。然而，由於非晶矽具有光劣化效應，其係指非晶矽經光照溫度上升之後，其能隙(Eg)將會降低，進而影響到轉換效率，且轉換穩定性亦不佳；再且，非晶矽薄膜之載子遷移率(carrier mobility)多低於1cm2 /V-s以下，且其僅可吸收紅外光，因此非晶矽具有光波長之吸收範圍較窄之缺點。因此，該些問題仍是非晶矽太陽能電池待解決的問題。
近來，有所謂的HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)構造太陽能電池，亦即於單晶矽基板與非晶矽層之間挾有本質非晶質矽層(intrinsic amorphous silicon thin layer)，以降低該界面上之缺陷，進而改善異質接合界面的特性。
請參照第1圖所示，習知具有異質接面之矽基太陽能電池如美國公告第7,030,413號專利所述，其係包含一N型單晶矽基板91、一第一I型(本質型)非晶矽層92、一I型(本質型)非晶碳化矽層93、一P型非晶矽層94、一透明電極95、一第二I型(本質型)非晶矽層96、一N型非晶矽層97、一背電極98及二集電極99、99’。該N型單晶矽基板91係具有一第一表面911及一第二表面912，於該N型單晶矽基板91之第一表面911上係依序設有該第一I型(本質型)非晶矽層92、I型(本質型)非晶碳化矽層93、P型非晶矽層94、透明電極95及該集電極99；於該N型單晶矽基板91之第二表面912上依序設有該第二I型(本質型)非晶矽層96、N型非晶矽層97、背電極98及該集電極99’。
該美國公告第7,030,413號專利主要係透過於該N型單晶矽基板91及P型非晶矽層94之間，設置該I型(本質型)非晶矽層92及I型(本質型)非晶碳化矽層93，以降低該N型單晶矽基板91及P型非晶矽層94之間界面上之缺陷，進而改善異質接合界面的特性，進而獲得較高的光電轉換效果。
然而，由於該美國公告第7,030,413號專利之N型單晶矽基板91、I型(本質型)非晶矽層92、I型(本質型)非晶碳化矽層93及P型非晶矽層94皆係以非晶矽為主要材料製成，因此該具有異質接面之矽基太陽能電池將具有如前述因非晶矽所造成之光劣化現象、載子移動率低、光波長吸收範圍較窄及光吸收效率不佳等缺點。
基於上述原因，其有必要進一步改良上述習用具有異質接面之矽基太陽能電池及其製作方法。
本發明目的乃改良上述缺點，以提供一種具有異質接面之矽基太陽能電池，透過以微/奈米晶矽作為材料，提升對光罩之能隙穩定性，進而避免光劣化效應為目的。
本發明次一目的係提供一種具有異質接面之矽基太陽能電池，透過以微/奈米晶矽作為材料，以提供高載子遷移率，進而提升該矽基太陽能電池之光吸收範圍。
本發明再一目的係提供一種具有異質接面之矽基太陽能電池之製作方法，以製作可避免光劣化效應之具有異質接面之矽基太陽能電池。
本發明另一目的係提供一種具有異質接面之矽基太陽能電池之製作方法，以製作具廣泛光吸收範圍之具有異質接面之矽基太陽能電池。
根據本發明的具有異質接面之矽基太陽能電池，係包含：一半導體基板、一第一本質型半導體層、一P型半導體層、一第一電極層、一第二本質型半導體層、一N型半導體層及一第二電極層。該半導體基板係具有一第一表面及第二表面；該第一本質型半導體層設置於該第一表面；該P型半導體層設置於該第一本質型半導體層之表面，使該第一本質型半導體層位於該半導體基板及P型半導體層之間；該第一電極層設置於該P型半導體層之表面，使該P型半導體層位於該第一本質型半導體層及該第一電極層之間；該第二本質型半導體層設置於該第二表面；該N型半導體層設置於該第二本質型半導體層之表面，使該第二本質型半導體層位於該半導體基板及N型半導體層之間；該第二電極層設置於該N型半導體層之表面，使該N型半導體層位於該第二本質型半導體層及該第二電極層之間；其中，該P型半導體層及N型半導體層中之至少一層係以微晶矽或奈米晶矽製成，且該P型半導體層及N型半導體層之能隙皆大於該第一本質型半導體層及第二本質型半導體層之能隙。
根據本發明的具有異質接面之矽基太陽能電池之製作方法，係包含：一第一本質型半導體層製作步驟，於一半導體基板之第一表面設置一第一本質型半導體層；一P型半導體層製作步驟，於該第一本質型半導體層之表面沈積形成一P型半導體層，使該第一本質型半導體層位於該半導體基板及P型半導體層之間；一第一電極層製作步驟，於該P型半導體層之表面沈積形成一第一電極層，使該P型半導體層位於該第一本質型半導體層及該第一電極層之間；一第二本質型半導體層製作步驟，於該半導體基板之第二表面沈積形成一第二本質型半導體層；一N型半導體層製作步驟，於該第二本質型半導體層之表面沈積形成一N型半導體層，使該第二本質型半導體層位於該半導體基板及N型半導體層之間；及一第二電極層製作步驟，於該N型半導體層之表面沈積形成一第二電極層，使該N型半導體層位於該第二本質型半導體層及該第二電極層之間；其中，該P型半導體層製作步驟及N型半導體層製作步驟中之至少一步驟係以微晶矽或奈米晶矽製程製作該P型半導體層及N型半導體層，且該P型半導體層及N型半導體層之能隙皆大於該第一本質型半導體層及第二本質型半導體層之能隙。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第2圖所示，本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池係包含有一半導體基板1、一第一本質型半導體層2、一P型半導體層3、一第一電極層4、一第二本質型半導體層5、一N型半導體層6及一第二電極層7。該第一本質型半導體層2、P型半導體層3、第一電極層4係依序疊設於該半導體基板1之一第一表面11；該第二本質型半導體層5、N型半導體層6及第二電極層7係依序疊設於該半導體基板1之一第二表面12。
請參照第2圖所示，該半導體基板1係具有一第一表面11及一第二表面12，該第一表面11及第二表面12較佳係為粗糙化表面，以提升該半導體基板1與其他層之結合性。本實施例之半導體基板1係可選擇為矽基板(例如單晶矽基板、多晶矽基板或非晶矽基板)或其他材料所製成之半導體基板。該半導體基板1可依太陽能電池之配置而適當摻雜形成P型或N型之電性。其中，由於單晶矽之轉換效率最高，因此本實施例之半導體基板1係選擇為N型單晶矽基板。該半導體基板1之厚度係可選擇為150～450微米，較佳係為150～180微米。
請參照第2圖所示，該第一本質型半導體層2係設置於該第一表面11。該第一本質型半導體層2中較佳係另鑲埋一微晶矽質，且該微晶矽質於該第一本質型半導體層2內所佔之比例係為30%～50%，該第一本質型半導體層2之氫含量係為3%～10%。該第一本質型(i型)半導體層之能隙係為1.2eV～1.6eV。
請參照第2圖所示，該P型半導體層3係設置於該第一本質型半導體層2之表面，使該第一本質型半導體層2係位於該半導體基板1及P型半導體層3之間，以透過該第一本質型半導體層2進而改善該半導體基板1與該P型半導體層3之間異質接合界面的特性，進而獲得較高的光電轉換效果。該P型半導體層3係以微晶矽(Microcrystalline)或奈米晶矽為材質製成。以微晶矽薄膜為例，微晶矽薄膜之載子遷移率較一般非晶矽之載子遷移率高出1～2個數量級，因此，本案以微晶矽或奈米晶矽為材質製作該P型半導體層3，將可以提高光波長的吸收範圍，進而提升太陽能電池的光電吸收效率。再且，該微晶矽或奈米晶矽之材質並不會產生非晶矽之光劣化效應，因此可提升光吸收效率，且轉換效率穩定。
請參照第2圖所示，該第一電極層4係設置於該P型半導體層3之表面，使該P型半導體層3位於該第一本質型半導體層2及該第一電極層4之間。該第一電極層4較佳係選擇以導電性佳之材質製成，係可選擇以鎢、鋁、鈦、銅、鎳、銀、金或鉑等材質製成。
請參照第2圖所示，該第二本質型半導體層5係設置於該半導體基板1之第二表面12。該第二本質型半導體層5中較佳係另並鑲埋一微晶矽質，且該微晶矽質於該第二本質型半導體層5內所佔之比例係為30%～50%，該第二本質型半導體層5之氫含量係為3%～10%。該第二本質型(i型)半導體層5之能隙係為1.2eV～1.6eV。
請再參照第2圖所示，該N型半導體層6係設置於該第二本質型半導體層5之表面，使該第二本質型半導體層5位於該半導體基板1及N型半導體層6之間，以透過該第二本質型半導體層5進而改善該半導體基板1與該N型半導體層6之間異質接合界面的特性，進而獲得較高的光電轉換效果。該N型半導體層6與該P型半導體層3相同係以微晶矽(Microcrystalline)或奈米晶矽為材質製成，以提高光波長的吸收範圍、太陽能電池的光電吸收效率以及穩定轉換效率。其中，該P型半導體層3及該N型半導體層6之能隙須大於該第一本質型半導體層2及第二本質型半導體層5之能隙，以減少光吸收的損耗。例如，該P型半導體層3及該N型半導體層6之能隙係為1.3～1.7eV。其中，該P型半導體層3及該N型半導體層6之結晶比例較佳係為40~50%。若該P型半導體層3及該N型半導體層6之結晶比例大於60%，則載子遷移率之提升將趨達飽和，亦即將提升製程之困難度及製作成本。
請再參照第2圖所示，該第二電極層7係設置於該N型半導體層6之表面，使該N型半導體層6位於該第二本質型半導體層5及該第二電極層7之間。該第二電極層7與該第一電極層4相同係可選擇以鎢、鋁、鈦、銅、鎳、銀、金或鉑等導電性佳之材質製成。
其中，第一本質型半導體層2與第二本質型半導體層5對於薄膜型太陽能電池之電特性影響最大，其是由於電子與電洞在材料內部傳導時，若第一本質型半導體層2與第二本質型半導體層5厚度過厚，兩者重合機率極高。為避免此現象發生，該第一本質型半導體層2與第二本質型半導體層5不宜過厚。反之，第一本質型半導體2與第二本質型半導體層5厚度過薄時，又易造成吸光性不足。因此，該第一本質型半導體層2與第二本質型半導體層5之厚度較佳係介於10～15nm之間。
藉此，本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池透過以微晶矽或奈米晶矽為材質製作該P型半導體層3或N型半導體層6，如此，便可提升該P型半導體層3或N型半導體層6之載子遷移率，進而提升該太陽能電池之整體吸光範圍。再且，並不會如非晶矽產生光劣化效應，因此可提升該太陽能電池之轉換效率。
請參照第3圖所示，本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池的製作方法係包含：一第一本質型半導體層製作步驟S1、一P型半導體層製作步驟S2、一第一電極製作步驟S3、一第二本質型半導體層5製作步驟S4、一N型半導體層製作步驟S5及一第二電極層製作步驟S6。該些步驟係可選擇以射頻磁控濺鍍法(Radio frequency magnetron sputter)、電漿增強型化學式氣相沈積製程(Plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot-wire chemical vapor deposition,HW-CVD)或特高頻電漿增強型化學式氣相沈積(Very high frequency-plasma enhance chemical vapor deposition,VHF-PECVD)製程進行製作，本實施例係選擇以電漿增強型化學式氣相沈積製程執行該些步驟。
請參照第2圖所示，本發明之第一本質型半導體層製作步驟S1係於一半導體基板1之第一表面11沈積形成一第一本質型半導體層2。更詳言之，本實施例之第一本質型半導體層2係選擇製作為非晶矽，先於一反應腔體內真空除氣後通入氬氣(Argon,Ar)或氮氣，使該反應腔室內之工作壓力介於20～50帕(Pa)之間，接著通入流量介於50～80sccm之矽化合物(Silicide)氣體如矽烷(silane,SH4 )，並混和氫氣(Hydrogen,H2 )、氬氣等氣體作為工作氣體，以功率密度(Power Density)為0.1～1.5W/cm2 之條件產生電漿激發沈積反應，該半導體基板1之工作溫度係為200～250℃之間，以沈積形成該第一本質型半導體層2。舉例而言，本實施例係選擇以矽烷(silane,SH4 )作為製程氣體。例如，本步驟之製程條件為：工作壓力30Pa，工作氣體(矽烷)流量70sccm，功率密度為1.0W/cm2 ，工作溫度為200℃，該第一本質型半導體層2之厚度為100μm，該第一本質型半導體層2之能隙係為1.4eV。
請參照第2及3圖所示，本發明之P型半導體層3製作步驟S2係透過微奈米晶矽製程於該第一本質型半導體層2之表面沈積形成一P型半導體層3，使該第一本質型半導體層2位於該半導體基板1及P型半導體層3之間。更詳言之，此步驟之製程大致與該第一本質型半導體層製作步驟S1相同，差異在於此步驟之工作壓力係介於0.01～5Pa，工作氣體係可選擇以流量介於50～80sccm之矽化合物(Silicide)氣體如矽烷(silane,SH4 )並混和流量介於10～25sccm之氫氣(Hydrogen,H2 )、氬氣(Argon,Ar)等氣體作為工作氣體，製程之功率密度(Power Density)為1～2W/cm2 ，工作溫度為200～250℃。舉例而言，本步驟之製程條件為：工作壓力0.3Pa，工作氣體為矽烷加氫氣，流量分別為50sccm及5sccm，功率密度(Power Density)為0.9W/cm2 ，工作溫度為300℃，該P型半導體層3之厚度為150μm，該P型半導體層3之能隙係為1.6eV。
請參照第2及3圖所示，本發明之第一電極層4製作步驟S3係於該P型半導體層3之表面沈積形成一第一電極層4，使該P型半導體層3位於該第一本質型半導體層2及該第一電極層4之間。更詳言之，本實施例係選擇將鉑、銅、銀或鋁等導電性較佳之金屬以沈積或濺鍍之方式設置於該P型半導體層3之表面作為該第一電極層4。舉例而言，本實施例係選擇以鋁作為該第一電極層4之材料，以沈積方式製作形成厚度為100μm之第一電極層4。
請參照第2及3圖所示，本發明之第二本質型半導體層製作步驟S4係於該半導體基板1之第二表面12沈積形成一第二本質型半導體層5。更詳言之，本實施例中，此步驟之製程及參數與該第一本質型半導體層製作步驟S1相同，於此不再贅述。如此，便可於該第二表面12沈積形成該第二本質型半導體層5。
請參照第2及3圖所示，本發明之N型半導體層製作步驟S5係於該第二本質型半導體層5之表面沈積形成一N型半導體層6，使該第二本質型半導體層5位於該半導體基板1及N型半導體層6之間。更詳言之，此步驟之製程及參數與該P型半導體層製作步驟S2大致相同，於此不再贅述。如此，便可於該第二本質型半導體層5之表面形成該N型半導體層6。
請參照第2及3圖所述，本發明之第二電極層製作步驟S6係於該N型半導體層6之表面沈積形成一第二電極層7，使該N型半導體層6位於該第二本質型半導體層5及該第二電極層7之間。更詳言之，此步驟之製程及參數與該第一電極層4製作步驟S3大致相同，於此不再贅述。如此，便可完成該第二電極層7之製作。
至此，便可完成本發明具有異質接面之矽基太陽能電池的製作。其中，該些步驟並不限於以前述順序進行製作，當然亦可適當調整該些步驟之進行順序以完成本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池的製作，其仍在本發明所保護之範圍。
如上所述，透過本發明之製作方法中的P型半導體層製作步驟S2或N型半導體層製作步驟S5製作出以微/奈米晶矽為材質的P型半導體層3或N型半導體層6，以於具有異質接面之矽基太陽能電池中，透過該微奈米晶矽提供較高的載子遷移率，進而提升該太陽能電池之整體光電吸收效率。再且，可透過以微/奈米晶矽作為材質製作該P型半導體層3或N型半導體層6，以避免產生非晶矽材質之光劣化效應。藉此，本發明可達成提升具有異質接面之矽基太陽能電池的光吸收效率及穩定的轉換效率之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 [本發明]
1．．．半導體基板
11．．．第一表面
12．．．第二表面
2．．．第一本質型半導體層
3．．．P型半導體層
4．．．第一電極層
5．．．第二本質型半導體層
6．．．N型半導體層
7．．．第二電極層
[先前技術]
91．．．N型單晶矽基板
911．．．第一表面
912．．．第二表面
92．．．第一I型(本質型)非晶矽層
93．．．I型(本質型)非晶碳化矽層
94．．．P型非晶矽層
95．．．透明電極
96．．．第二I型(本質型)非晶矽層
97．．．N型非晶矽層
98．．．背電極
99、99’．．．集電極
第1圖：習用具有異質接面之矽基太陽能電池的剖面圖。
第2圖：本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池的剖面圖。
第3圖：本發明之具有異質接面之矽基太陽能電池之製作方法的流程圖。
1．．．半導體基板
11．．．第一表面
12．．．第二表面
2．．．第一本質型半導體層
3．．．P型半導體層
4．．．第一電極層
5．．．第二本質型半導體層
6．．．N型半導體層
7．．．第二電極層

Claims (9)

  1. 一種具有異質接面之矽基太陽能電池，包含：一半導體基板，該半導體基板係具有一第一表面及第二表面；一第一本質型半導體層，設置於該第一表面；一P型半導體層，設置於該第一本質型半導體層之表面，使該第一本質型半導體層位於該半導體基板及P型半導體層之間；一第一電極層，設置於該P型半導體層之表面，使該P型半導體層位於該第一本質型半導體層及該第一電極層之間；一第二本質型半導體層，設置於該第二表面；一N型半導體層，設置於該第二本質型半導體層之表面，使該第二本質型半導體層位於該半導體基板及N型半導體層之間；及一第二電極層，設置於該N型半導體層之表面，使該N型半導體層位於該第二本質型半導體層及該第二電極層之間；其中，該P型半導體層及N型半導體層之至少一層係以微晶矽或奈米晶矽製成，且該P型半導體層及N型半導體層之能隙皆大於該第一本質型半導體層及第二本質型半導體層之能隙。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池，其中該P型半導體層或N型半導體層中之結晶比例係為40~50%。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池，其中該第一本質型半導體層或第二本質型半導體層中係另鑲埋一微晶矽質。
  4. 依申請專利範圍第3項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池，其中該微晶矽質於該第一本質型半導體層或第二本質型半導體層中所佔之比例係為30%~50%。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池，其中該第一本質型半導體層或第二本質型半導體層中的氫含量係為3%~10%。
  6. 一種具有異質接面之矽基太陽能電池之製造方法，包含：一第一本質型半導體層製作步驟，於一半導體基板之第一表面沈積形成一第一本質型半導體層；一P型半導體層製作步驟，於該第一本質型半導體層之表面沈積形成一P型半導體層，使該第一本質型半導體層位於該半導體基板及P型半導體層之間；一第一電極層製作步驟，於該P型半導體層之表面沈積形成一第一電極層，使該P型半導體層位於該第一本質型半導體層及該第一電極層之間；一第二本質型半導體層製作步驟，於該半導體基板之第二表面沈積形成一第二本質型半導體層；一N型半導體層製作步驟，於該第二本質型半導體層之表面沈積形成一N型半導體層，使該第二本質型半導體層位於該半導體基板及N型半導體層之間；及 一第二電極層製作步驟，於該N型半導體層之表面沈積形成一第二電極層，使該N型半導體層位於該第二本質型半導體層及該第二電極層之間；其中，該P型半導體層製作步驟及N型半導體層製作步驟中之至少一步驟係以微晶矽或奈米晶矽製程製作該P型半導體層及N型半導體層，且該P型半導體層及N型半導體層之能隙皆大於該第一本質型半導體層及第二本質型半導體層之能隙。
  7. 依申請專利範圍第6項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池之製造方法，其中該P型半導體層製作步驟或N型半導體層製作步驟中，係以矽化合物氣體混合氫氣或氬氣作為工作氣體。
  8. 依申請專利範圍第7項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池之製造方法，其中該矽化合物氣體係為矽烷。
  9. 依申請專利範圍第8項所述之具有異質接面之矽基太陽能電池之製造方法，其中該矽烷之流量係為50~80sccm。
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