TWI455338B - 超晶格結構的太陽能電池 - Google Patents

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Description

超晶格結構的太陽能電池
本發明係關於太陽能電池及其製造方法，尤其是關於多接面矽薄膜太陽能電池。
太陽能電池，若以材料分類，有矽系、化合物半導體系及有機系，其中又可依結晶型態及元件構造細分為塊(bulk)型、薄膜型、單結晶型、多結晶型等。
一般的太陽能電池基本上是採用將p型半導體與n型半導體相接而成的pn接合構造。將電子拉向n型側、電洞拉向p型側的強力電場會在此pn接面發生。即，在pn接合部中電子如溜下滑梯般而電洞如水中的氣泡浮上般分別往相反方向移動。換言之，pn接合的功能在於使電子與電洞分離。
如CIGS系或CdTe系之化合物半導體系太陽能電池，雖然轉換效率較高，但因使用稀有元素作為材料，所以製造成本高，且Cd、Te為有毒物質，易造成環境公害，故而迄今成功商業化之太陽能電池仍以矽系太陽能電池為主流。
雖然現今塊型結晶矽太陽能電池占太陽能電池之大部分生產量，但是薄膜矽太陽能電池由於其半導體層厚度為塊型結晶矽太陽能電池的1/10~1/100，所以可避免塊型結晶矽太陽能電池所遭遇之矽原料不足的問題，同時能期待大幅低成本化，故而受矚目成為次世代的太陽能電池。
又，薄膜系太陽能電池中生產量最多之非晶矽(a-Si)太陽能電池，雖然光吸收係數高且能以數百奈米的膜厚製作，但其有在光照射下轉換效率會劣化約10%的問題。相較於a-Si太陽能電池，能以與a-Si太陽能電池同樣方法製作之結晶矽(c-Si)薄膜太陽能電池(在此係將微晶矽(μc-Si)或多晶矽(poly-Si)總稱為結晶矽)，則可吸收較長波長段的光線且不會產生光劣化，從而能藉由積層上述2種太陽能電池，製得更高轉換效率的薄膜太陽能電池。如第1圖所示，習知的以a-Si電池作為上部電池、以c-Si電池作為下部電池之串疊型電池(tandem cell)，由於能夠高效率地藉由上部電池(top cell)、下部電池(bottom cell)分別吸收入射光之短波長光、中波長光，因此能覆蓋更廣波長段地有效利用太陽光光譜。
第1圖係顯示習知之具有p-i-n接合之a-Si/c-Si串疊型太陽能電池1的構造圖。該串疊型太陽能電池1在具有抗反射塗層10及織構化透明導電氧化層14的玻璃基板12上依序形成有：由p+型a-Si層16、n型或i型a-Si層18、和n+型a-Si層20所構成之a-Si電池22；透明導電氧化層24；由p+型poly-Si或μc-Si層26、i型poly-Si或μc-Si層28、和n+型poly-Si或μc-Si層30所構成之c-Si電池32；由Ag或Al所構成之金屬電極34；及由SiNx 所構成之鈍化層(passivation)36。
第2圖係製作如第1圖所示之具有p-i-n接合之a-Si/c-Si串疊型太陽能電池的流程圖。以高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)或電漿強化化學氣相沉積(PECVD)在玻璃基板12上成長抗反射塗層(ARC)10(步驟S10)，以使光在太陽能電池表面的反射變小。以濺鍍法成長如ITO或SnO2 /ZnO之透明導電氧化層(TCO)14(步驟S20)。為了有效利用入射電池的光，以濕蝕刻將透明導電氧化層14織構化(步驟S30)。接下來，藉由HDPCVD依序成長非晶矽(a-Si)電池22之p+型a-Si層16、n型或i型a-Si層18、和n+型a-Si層20(步驟S40、S50、S60)。以濺鍍法成長如ITO或SnO2 /ZnO之透明導電氧化層(TCO)(步驟S70)。然後藉由HDPCVD或PECVD依序成長結晶矽(c-Si)電池30之p+型poly-Si或μc-Si層24、i型poly-Si或μc-Si層26、和p+型poly-Si或μc-Si層28(步驟S80、S90、S100)。然後，以電子槍蒸發器(E-gun evaporator)濺鍍Ag或Al而形成金屬電極32(步驟S110)。由於太陽能電池的矽表面會成為非穩定產生的載子容易再結合(即表面再結合速度大)的狀態，因此利用HDPCVD或PECVD成長SiNx 作為鈍化層34(步驟S120)，來將表面穩定化抑制表面再結合的損失，藉以改善轉換效率。最後以金屬快速處理退火法(metal RTA)或快速處理退火法(RTA)進行膜的熱處理(步驟S140)，使薄膜的緻密化及密著性提高。
然而，上述具有p+-i-(非晶矽)-n+/TCO/p+-i-(結晶矽)-n+結構之串疊型太陽能電池存在著很大的接觸電阻(contact resistance，係指在n+/TCO界面、及TCO/p+界面所產生的電阻)、串聯電阻(series resistance，係指n+、TCO、及p+本身固有的電阻)、載子再結合(recombination)、及TCO本身固有的透光率而使轉換效率低下的問題。
本發明人針對上述習知太陽能電池轉換效率低下的問題，由以下3個面向來考量提升太陽能電池轉換效率的技術：(1)將更多進入元件內的光封閉起來以使吸收電流增加；(2)藉由減少少數載子(minority carrier)的再結合而增大開路電壓(open circuit voltage，Voc)；及(3)降低元件內的內部電阻。經過潛心研究而提出能隙工程(band gap engineering)技術，利用現有的生產設備及製製程，藉由匹配具有適當光學性質及電氣性質之材料來獲得最佳化的光吸收效果及轉換效率，完成能夠解決上述問題之本發明。
具體而言，本發明為藉由使用超晶格(superlattice)層、非晶相SiGe(a-SiGe)層、a-Si與μc-Si之混合層、或a-Si與poly-Si之混合層作為如a-Si之大能隙光吸收層與如c-Si之小能隙光吸收層之間的過渡層(穿隧接面)，如第4圖所示，使太陽能電池之整體能隙更加平滑，以減少電洞被再結合的機率。
又，若能進一步使該過渡層具有漸變式能隙，例如藉由在成膜期間連續調整製程氣體中之氫含量來形成a-Si(結晶率0%)漸變為μc-Si(結晶率60~100%)之層，則因其能隙的梯度會產生內建電場(內建電位)，便能更有效地加速載子傳輸並減少載子再結合，強化載子傳輸至電極端的能力。
第16圖係顯示氫的稀釋比影響結晶度及Si-H鍵結的圖表。以上述方法所形成的a-Si漸變為μc-Si之層能藉由拉曼散射光譜法來測量結晶分率Xc(%，crystalline fraction)，定義Xc=(I520 )/(I480 +I520 )，其中I480 為位於480cm-1 之代表a-Si吸收峰的強度，I520 為位於520cm-1 之代表μc-Si吸收峰的強度；及藉由FT-IR來測量Si-H鍵結比(Si-H bonding ratio)R，定義R=(I2090 )/(I2000 +I2090 )，其中I2000 為位於2000cm-1 之代表Si-H透過峰的強度，I2090 為位於2090cm-1 之代表H-Si-H透過峰的強度。
又，習知的a-Si/c-Si串疊型太陽能電池中，係由a-Si所構成之第1光吸收層吸收波長0.2μm以下之太陽光，由c-Si所構成之第2光吸收層吸收波長0.2~0.5μm之太陽光。為了有效利用太陽光譜中的全部波段，本發明之第2目的為在習知的具有a-Si/c-Si二層光吸收層結構之串疊型太陽能電池中，增加吸收長波長光(波長0.5μm以上)的μc-Ge(微晶鍺)層而成為具有三層光吸收層結構之串疊型太陽能電池，提升光吸收效果，同時藉由使用a-SiGe層或超晶格層作為如a-Si之大能隙光吸收層與如c-Si之小能隙光吸收層之間的過渡層，及使用μc-Si/μc-Ge超晶格層、或μc-SiGe層作為如c-Si之小能隙光吸收層與如μc-Ge之更小能隙光吸收層之間的過渡層，如第7圖所示，使太陽能電池之整體能隙更加平滑，以減少電洞被再結合的機率。
再者，本發明之第3目的，係根據完全漸變能隙(fully graded bandgap)結構的構想，以超晶格層取代上述第1、第2目的之太陽能電池中之具有不同能隙的光吸收層及各光吸收層間的過渡層，如第10、12圖所示，進一步使太陽能電池的整體能隙完全地平滑。
本發明之第1構成的薄膜太陽能電池，請參照第3圖，其包括：正面接點(front contact)106；第1光吸收層108，係形成於該正面接點106上；過渡層110，係形成於該第1光吸收層108上；第2光吸收層112，係形成於該過渡層110上；及後面接點(back contact)114，係形成於該第2光吸收層112上，其中該過渡層110具有固定能隙，為選自於由下列所構成之群組：超晶格層、a-SiGe層、a-Si與μc-Si之混合層、及a-Si與poly-Si之混合層，或者是，該過渡層具有漸變能隙，為選自於由下列所構成之群組：超晶格層、a-SiGe層、a-Si漸變為μc-Si之層、及a-Si漸變為poly-Si之層，其中該a-Si漸變為μc-Si之層或該a-Si漸變為poly-Si之層係藉由在成膜期間連續調整製程氣體中之氫含量來形成。
又，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該第1光吸收層係具有能隙Eg1之感光材料，該過渡層係具有能隙Eg2之感光材料，該第2光吸收層係具有能隙Eg3之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg3之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3，Eg2為從1.8eV至1.1eV之一漸變值，或者是，Eg2為在1.8eV與1.1eV之間的一固定值。
又，該超晶格層為n型、p型或i型(本質型)半導體，其組態定義為：
a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn
ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，
該超晶格層中之第i單元的能隙：
Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，
ai-1 =ai ，bi-1 =bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg2為常數，及該超晶格層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm。
又，該超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn
ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，
該超晶格層中之第i單元的能隙：
Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，
ai-1 ＞ai ，bi-1 ＜bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2為漸變，及該超晶格層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm。
又，該超晶格層係以先成長小能隙材料再成長大能隙材料的方式形成組成單元，組態定義為b1 a1 /b2 a2 /.../bi ai /.../bn an 。
又，該超晶格層係以先成長大能隙材料再成長小能隙材料的方式形成其組成單元，組態定義為a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn 。
又，該a-SiGe層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
a-Si1-x Gex
x為常數且0.01≦x≦1，即Eg2為常數，及該a-SiGe層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm。
又，該a-SiGe層為掺雜漸變的(modulated doping)n 型、p型或i型半導體，其組態定義為：
a-Si1-x Gex
x為位置的函數且0.01≦x≦1，即Eg2為漸變，及該a-SiGe層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm。
又，該a-Si與μc-Si之混合層或該a-Si與poly-Si之混合層為n型、p型或i型半導體，其組態分別定義為：
(a-Si)1-x (μc-Si)x
(a-Si)1-x (poly-Si)x
x為常數且0.01≦x≦1，即Eg2為常數，及該a-Si與μc-Si之混合層或該a-Si與poly-Si之混合層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm，其中，藉由在成膜期間調整製程氣體中之氫含量來改變x的值。
又，該a-Si漸變μc-Si之層或該a-Si漸變為poly-Si之層為n型、p型或i型半導體，其組態分別定義為：
(a-Si)1-x (μc-Si)x
(a-Si)1-x (poly-Si)x
x為位置的函數且0.01≦x≦1，即Eg2為漸變，及該a-Si漸變μc-Si之層或該a-Si漸變為poly-Si之層之厚度W1為0nm＜W1≦2.5μm，其中，藉由在成膜期間連續調整製程氣體中之氫含量來使x的值隨位置而改變。
又，該具有漸變能隙之過渡層進一步包括：藉由在成膜期間連續調整製程氣體中之氫含量所形成之由結晶率為0%之a-Si漸變為結晶率為60~100%之μc-Si的層、由結晶率為60~100%之μc-Si漸變為結晶率為0%之a-Si的層、由μc-Si漸變為μc-Ge的層、或由μc-Ge漸變為μc-Si的層。
本發明之第2構成的薄膜太陽能電池，請參照第6圖，其包括：正面接點206，具有能隙Eg1；第1光吸收層208，係形成於該正面接點206上，具有能隙Eg1；第1過渡層210，係形成於該第1光吸收層208上，具有能隙Eg2；第2光吸收層212，係形成於該第1過渡層210上，具有能隙Eg3；第2過渡層214，係形成於該第2光吸收層212上，具有能隙Eg4；第3光吸收層216，係形成於該第2過渡層214上，具有能隙Eg5；及後面接點218，係形成於該第3光吸收層216上，具有能隙Eg5，其中，該第1過渡層210之組態及定義係與該過渡層110相同，該第2過渡層214具有數值在1.1eV與0.7eV之間的固定能隙Eg4，為選自於由下列所構成之群組：μc-Si及μc-Ge之超晶格層；poly-Si及μc-Ge之超晶格層；μc-SiGe層；μc-Si及μc-Ge之混合層；及poly-Si及μc-Ge之混合層，或者是，該第2過渡層214具有數值從1.1eV至0.7eV之漸變能隙Eg4，為選自於由下列所構成之群組：μc-Si及μc-Ge之超晶格層；poly-Si及μc-Ge之超晶格層；μc-SiGe層；(μc-Si)1-x (μc-Ge)x 層；及(poly-Si)1-x (μc-Ge)x 層，其中x會隨位置而改變；該第3光吸收層216為n型μc-Ge層。又，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該第1光吸收層係具有能隙Eg1之感光材料，該第1過渡層係具有能隙Eg2之感光材料，該第2光吸收層係具有能隙Eg3之感光材料，該第2過渡層係具有能隙Eg4之感光材料，該第3光吸收層係具有能隙Eg5之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg5之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3≧Eg4≧Eg5。
又，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn
ci ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg4c，di ：第i單元中μc-Ge層的厚度，能隙Eg4d，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層中之第i單元的能隙：
Eg4i ≒Eg4c(ci /(ci +di ))+Eg4d(di /(ci +di ))，
ci-1 =ci ，di-1 =di ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg4為常數，及該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層之厚度W2為0nm＜W2≦2.5μm。
又，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn
ci ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg4c，di ：第i單元中μc-Ge層的厚度，能隙Eg4d，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層中之第i單元的能隙：
Eg4i ≒Eg4c(ci /(ci +di ))+Eg4d(di /(ci +di ))，
ci-1 ＞ci ，di-1 ＜di ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg4為漸變，及該μc-Si及μc-Ge之超晶格層、或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層之厚度W2為0nm＜W2≦2.5μm。
又，該超晶格層係以先成長小能隙、層厚漸增的材料，再成長大能隙、層厚漸減的材料之方式形成其組成單元，組態定義為d1 c1 /d2 c2 /.../di ci /.../dn cn 。
又，該超晶格層係以先成長大能隙、層厚漸減的材料，再成長小能隙、層厚漸增的材料之方式形成其組成單元，組態定義為c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn 。
又，該μc-SiGe層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
μc-Si1-x Gex
x為常數且0.01≦x≦1，即該Eg4為常數，及該μc-SiGe層之厚度W2為0nm＜W2≦2.5μm。
又，該μc-SiGe層為掺雜漸變的n型或p型半導體，其組態定義為：
a-Si1-x Gex
x為位置的函數且0.01≦x≦1，即該Eg4為漸變，及該μc-SiGe層之厚度W2為0nm＜W2≦2.5μm。
又，該μc-Si及μc-Ge之混合層或該poly-Si及μc-Ge之混合層為n型、p型或i型半導體，其組態分別定義為：
(μc-Si)1-x (μc-Ge)x
(poly-Si)1-x (μc-Ge)x
x為常數且0.01≦x≦1，即Eg4為常數，及該μc-Si及μc-Ge之混合層或該poly-Si及μc-Ge之混合層之厚度W2為0nm＜W1≦2.5μm，其中，藉由在成膜期間調整製程氣體中之氫含量來改變x的值。
又，該(μc-Si)1-x (μc-Ge)x 層或該(poly-Si)1-x (μc-Ge)x 層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：
(μc-Si)1-x (μc-Ge)x
(poly-Si)1-x (μc-Ge)x
x為位置的函數且0.01≦x≦1，即Eg4為漸變，及該(μc-Si)1-x (μc-Ge)x 層或該(poly-Si)1-x (μc-Ge)x 層之厚度W2為0nm＜W2≦2.5μm，其中，藉由在成膜期間連續調整製程氣體中之氫含量來使x的值隨位置而改變。
又，上述太陽能電池進一步包括：a-SiO：H層(hydrogenated a-SiO)，係位在該正面接點與該第1光吸收層之間。該a-SiO：H層之形成係利用在成長p+型a-Si層後，將氧通入成膜裝置的腔室，使腔室氛圍中之氧含量成為0~20%以形成具有漸變能隙之a-SiO：H層，由於a-SiO：H的能隙約2.0eV，大於a-Si(Eg=1.7eV)，能增大太陽能電池的內建電場，加速載子的收集。
又，在上述太陽能電池中，該後面接點係由n+ a-Si層所構成，且在最靠近該後面接點之光吸收層與該後面接點之間進一步包括n+ μc-Si漸變為a-Si之層。第17圖為在此種態樣下將第4圖加上n+ μc-Si漸變為a-Si之層、n+ a-Si層、及Ag或Al或織構化ITO層之能隙示意圖。第18圖為在此種態樣下將第7圖加上n+ μc-Si漸變為a-Si之層、n+ a-Si層、及Ag或Al或織構化ITO層之能隙示意圖。
本發明之第3構成的薄膜太陽能電池，請參照第15圖，其包括：第1電極500；正面接點502，係形成於該第1電極500上；第1光吸收層504，係形成於該正面接點502上；第2光吸收層506，係形成於該第1光吸收層504上；第3光吸收層508，係形成於該第2光吸收層506上；第4光吸收層510，係形成於該第3光吸收層508上；後面接點512，係形成於該第4光吸收層510上；及第2電極514，係形成於該後面接點512上；其中，該第1電極500係由透明導電氧化層所構成；該正面接點502係由p+ a-Si所構成；該第1光吸收層504係由a-Si漸變為a-SiO：H所構成；該第2光吸收層506係由a-SiO：H漸變為a-Si所構成；該第3光吸收層508係由a-Si漸變為μc-Si或a-Si漸變為poly-Si所構成；該第4光吸收層510係由μc-Si漸變為a-Si或poly-Si漸變為a-Si所構成；該後面接點512係由n+ a-Si所構成；及該第2電極514為由透明導電氧化層、Ag或Al所構成。
又，本發明之第3構成的薄膜太陽能電池亦可為以n+ a-Si構成正面接點502，以p+ a-Si構成後面接點512。
又，本發明之第3構成的薄膜太陽能電池可進一步在後面接點與第2電極之間設置由a-SiOx ：H(x=0~0.3)所構成的反射層，藉由讓入射至此反射層的光產生多重反射，以提高光的利用效率。
又，上述太陽能電池進一步包括：一排以上之複數個奈米點(nanodot)，該等奈米點係配置在該薄膜太陽能電池中的任何層。
又，該等奈米點的材料係選自於由Si、Ge、金屬、介電常數有別於SiO2 之材料、及其組合之複合材料所構成的群組之一者。
又，該等奈米點的尺寸範圍為1nm~100nm。
此種構成之薄膜太陽能電池，係利用漸變層使電子經由a-SiO：H漸變為a-Si再漸變為μc-Si來獲得加速而被有效地收集以提高光電流，且相較於n+μc-Si/TCO藉由n+a-Si/TCO來降低漏電流來提高開路電壓(Voc)，故而能有效地增加效率。
第14圖係顯示由本發明之具有奈米點之異質接面光吸收層之完全漸變型結構能隙圖，其中藉由在成長p+ 型a-Si層後，將氧通入成膜裝置的腔室，使腔室氛圍中之氧含量從0%逐漸增加到20%來形成a-SiO：Si漸變為a-Si漸變為p+ a-Si層。接著，藉由將腔室氛圍中之氧含量從20%逐漸調節到0%來形成a-SiO：H漸變為a-Si層及a-Si漸變為μc-Si漸變為n+ μc-Si層。
請參照第14圖，奈米點能使斜向入射至太陽能電池的光線多重反射(multiple reflection)以增加光線在內部行進的距離，搭配織構化的透明導電氧化層，能提升光線捕集(light trapping)的效果。此外，奈米點能產生量子侷限(quantum confinement)效應。
本發明之另一態樣為一種製造如上述構成之薄膜太陽能電池之方法，使用選自由高密度電漿化學氣相沉積系統(HDPCVD)、電漿強化化學氣相沉積系統(PECVD)、金屬有機化學氣相沉積系統(MOCVD)、分子束磊晶系統(MBE)、超高真空化學氣相沉積系統(UHVCVD)、原子層沉積系統(ALD)、及光化學氣相沉積系統(Photo-CVD)所構成之群組的成膜系統來形成不同晶相、不同摻雜及不同厚度的各層薄膜。
上述不同晶相薄膜之形成係藉由在成膜期間控制氫的流量來調整薄膜的結晶率(crystallinity)。例如，在建構如由a-Si層漸變為μc-Si層之由大能隙層漸變為小能隙層之結構的情況，可藉由在成膜期間控制氫的流量來調整結晶率，使其結構由結晶率為0%的a-Si層漸變為結晶率為60~100%的μc-Si層。
發明的效果
根據本發明之太陽能電池，因為採用蘊藏量豐富且對環境無害之Si、Ge元素作為材料，所以能避免如CIGS系或CdTe系之化合物半導體系太陽能電池之製造成本昂貴、造成環境公害等問題，故堪稱為新綠能太陽能電池。
從前採用p/i/n結構之太陽能電池轉換效率約7%。目前主流的p/i/n/TCO/p/i/n結構之太陽能電池轉換效益，雖然理論上可達14%以上，但因n/TCO/p各層本身及其接面間存在有電阻而容易造成載子再結合，及TCO本身的透光率、電阻及折射率等因素，所以實際上的轉換效率僅約8%。
第13圖係顯示本發明之採用漸變式p型a-Si/μc-Si超晶格層作為i型a-Si層與μc-Si層間的過渡層之J-V模擬圖，其中Jsc代表短路電流密度(Short-Circuit Current Density，單位為mA/cm2 )，Voc代表開路電壓(單位為V)，FF代表填充因子(Fill Factor)，η代表轉換效率(Efficiency)，其關係如下式所示：η=(Voc×Jsc×FF×A)/Pin其中Pin為入射光強度，A為受光面積，由第13圖的J-V曲線可知，在將作為過渡層之超晶格層能隙固定為1.4eV的情況，轉換效率可達15.65%，在將作為過渡層之超晶格層設計為漸變能隙的情況，轉換效率可達17.4%。
以下，將參照隨附圖式敘述本發明之薄膜太陽能電池之實施方式。
(第1實施例)製作具有如第3圖所示之a-Si(第1光吸收層108)/a-SiGe(過渡層110)/c-Si(第2光吸收層112)結構的串疊型太陽能電池2。
首先，以HDPCVD或PECVD將如氮氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽/氮化矽之抗反射塗層100沉積在玻璃基板102上面，以濺鍍法成長如ITO或SnO2 /ZnO之透明導電氧化層104，再以蝕刻法將透明導電氧化層104織構化。
將基板送入選自於由HDPCVD、PECVD、MOCVD、MBE、UHVCVD、ALD、及光化學氣相沉積(Photo-CVD)系統所構成之群組之一成膜系統中，通入氮氣(N2 )、氬氣(Ar)、矽烷(SiH4 )及鍺烷(GeH4 )等各種製程氣體來沉積Si(Ge)薄膜，藉由調變溫度、壓力、氣體流量等成膜製程參數，來成長各種不同晶相、不同摻雜、及不同厚度的p+型a-Si、i型a-Si、a-SiGe、n型μc-Si、及n+型μc-Si薄膜而分別作為正面接點106、第1光吸收層108、過渡層110、第2光吸收層112、及後面接點114。其中，a-SiGe的沉積，通常會先通入穩定流量的SiH4 ，再慢慢通入GeH4 以調變SiGe薄膜中的Ge含量，成長a-SiGe接面緩衝。
然後，以電子槍蒸發器濺鍍織構化透明導電氧化層、Ag、或Al而形成金屬電極116。再利用HDPCVD或PECVD成長氮化矽或二氧化矽作為鈍化層118。最後以RTA進行膜的熱處理。
(第2實施例)製作具有如第3圖所示之a-Si(第1光吸收層108)/超晶格(a-Si/μc-Si，過渡層110)/μc-Si(第2光吸收層112)結構的串疊型太陽能電池2。
除了依過渡層所需之Eg*及總厚度來決定超晶格的單元數之步驟以外，其餘製程皆與第1實施例相同，其中超晶格的單一單元定義為由1個a-Si及1個μc-Si所組成且能隙為Eg*。
範例1：固定能隙且單元中之a-Si與μc-Si厚度相等。
令a-Si層厚度ai ，μc-Si層厚度bi
i=1,2,...,n；n=1~1000
設ai ：bi =1：1，1nm＜ai ,bi ＜10nm
Eg*1 =Eg*2 =Eg*3 =...
(a-Si)x (μc-Si)y ：Eg*=1.7x+1.1y
x=ai /(ai +bi )
y=bi /(ai +bi )
例如：首先若決定Eg*=1.4eV，又ai ：bi =1：1，所以(x,y)=(0.5,0.5)
其次若決定ai 為1nm，則單一單元的厚度為2nm，當規範其總厚度＜100nm時，則過渡層須由約50個單元組成。
範例2：固定能隙且單元中之a-Si與μc-Si厚度不相等。
1.2eV＜Eg*＜1.6eV
令a-Si層厚度ai ，μc-Si層厚度bi
i=1,2,...,n；n=1~1000
設ai ：bi =x：y；0＜x,y＜1；1nm＜ai ,bi ＜10nm
Eg*1 =Eg*2 =Eg*3 =...
(a-Si)x (μc-Si)y ：Eg*=1.7x+1.1y
x=ai /(ai +bi )
y=bi /(ai +bi )
例如：首先若決定Eg*=1.5eV，過渡層總厚度＜100nm
則Eg*=1.7x+1.1y且0＜x,y＜1
可選定一組解(x,y)=(0.3,0.9)
又因ai ：bi =x：y，若設定ai =1nm，bi =3nm
則單一單元(ai ,bi )=(1nm,3nm)
當規範其總厚度＜100nm時，則過渡層須由約25個單元組成。
範例3：漸變能隙
1.2eV＜Eg*＜1.6eV
令a-Si層厚度ai ，μc-Si層厚度bi
i=1,2,...,n；n=1~1000
設ai ：bi =x：y；0＜x,y＜1；1nm＜ai ,bi ＜10nm
若決定單元數n且Eg*1 ＞Eg*2 ＞Eg*3 ＞...
則(a-Si)x (μc-Si)y ：Eg*=1.7x+1.1y
x=ai /(ai +bi )
y=bi /(ai +bi )
(第3實施例)製作具有如第9圖所示之以漸變式超晶格層作為光吸收層308來取代第1實施例中之a-Si(第1光吸收層108)/a-SiGe(過渡層110)/c-Si(第2光吸收層112)結構的串疊型太陽能電池4。第10圖係顯示如第9圖所示的太陽能電池之完全漸變能隙示意圖，其中橫軸座標代表層厚。。
首先，以HDPCVD或PECVD將如氮氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽/氮化矽之抗反射塗層300沉積在玻璃基板302上面，以濺鍍法成長如ITO或SnO2 /ZnO之透明導電氧化層304，再以蝕刻法將透明導電氧化層304織構化。
將基板送入選自由HDPCVD、PECVD、MOCVD、MBE、UHVCVD、ALD、及光化學氣相沉積系統所構成之群組之一成膜系統中，通入氮氣(N2 )、氬氣(Ar)、及矽烷(SiH4 )等各種製程氣體來沉積Si薄膜，藉由調變溫度、壓力、氣體流量等成膜製程參數，來成長各種不同晶相、不同摻雜、及不同厚度的p+ 型a-Si、a-Si/μc-Si超晶格、及n+ 型μc-Si薄膜而分別作為正面接點306、光吸收層308、及後面接點314，其中，超晶格層的組態係依照第2實施例中範例3所述之方法決定。
然後，以電子槍蒸發器濺鍍織構化透明導電氧化層、Ag、或Al而形成金屬電極316。再利用HDPCVD或PECVD成長氮化矽或二氧化矽作為鈍化層318。最後以RTA進行膜的熱處理。
(第4實施例)製作具有如第6圖所示之a-Si(第1光吸收層208)/a-SiGe(第1過渡層210)/μc-Si(第2光吸收層212)/μc-SiGe(第2過渡層214)/μc-Ge(第3光吸收層216)結構的串疊型太陽能電池3。
首先，以HDPCVD或PECVD將如氮氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽/氮化矽之抗反射塗層200沉積在玻璃基板202上面，以濺鍍法成長如ITO或SnO2 /ZnO之透明導電氧化層204，再以蝕刻法將透明導電氧化層204織構化。
將基板送入選自由HDPCVD、PECVD、MOCVD、MBE、UHVCVD、ALD、及光化學氣相沉積系統所構成之群組之一成膜系統中，通入氮氣(N2 )、氬氣(Ar)、矽烷(SiH4 )及鍺烷(GeH4 )等各種製程氣體來沉積Si(Ge)薄膜，藉由調變溫度、壓力、氣體流量等成膜製程參數，來成長各種不同晶相、不同摻雜、及不同厚度的p+ 型a-Si、i型a-Si、a-SiGe、n型μc-Si、μc-SiGe、n型μc-Ge、及n+ 型μc-Ge薄膜而分別作為正面接點206、第1光吸收層208、第1過渡層210、第2光吸收層212、第2過渡層214、第3光吸收層216、及後面接點218。其中，a-SiGe的沉積，通常會先通入穩定流量的SiH4 ，再慢慢通入GeH4 以調變SiGe薄膜中的Ge含量，成長a-SiGe接面緩衝。
然後，以電子槍蒸發器濺鍍織構化透明導電氧化層、Ag、或Al而形成金屬電極220。再利用HDPCVD或PECVD成長氮化矽或二氧化矽作為鈍化層222。最後以RTA進行膜的熱處理。
以上雖然藉由參照特定實施例描述本發明，但對本發明所屬領域之具有通常知識者而言，在不悖離下述申請專利範圍所界定的本發明之精神及範圍的情況下，可輕易進行各種變更及替代。
1、2、3、4、5．．．串疊型太陽能電池
10、100、200、300、400．．．抗反射塗層
12、102、202、302、402．．．玻璃基板
14、24、104、204、304、404．．．透明導電氧化層
16．．．p+型a-Si層
18．．．n型或i型a-Si層
20．．．n+型a-Si層
22．．．非晶矽(a-Si)電池
26．．．p+型poly-Si或μc-Si層
28．．．i型poly-Si或μc-Si層
30．．．n+型poly-Si或μc-Si層
32．．．結晶矽(c-Si)電池
34、116、220、316、420．．．金屬電極
36、118、222、318、422．．．鈍化層
106、206、306、406、502．．．正面接點
108、208、408、504．．．第1光吸收層
110．．．過渡層
112、212、412、506．．．第2光吸收層
114、218、314、418、512．．．後面接點
210．．．第1過渡層
214．．．第2過渡層
216、508．．．第3光吸收層
308．．．光吸收層
500．．．第1電極
510．．．第4光吸收層
514．．．第2電極
S10~S130．．．步驟
W1、W2．．．厚度
第1圖係顯示習知之具有p-i-n接合之a-Si/TCO/c-Si串疊型太陽能電池的構造示意圖。
第2圖係製作如第1圖所示之具有p-i-n接合之a-Si/TCO/c-Si串疊型太陽能電池的流程圖。
第3圖係顯示本發明之具有第1光吸收層/過渡層/第2光吸收層結構的串疊型太陽能電池的構造示意圖。
第4圖係顯示如第3圖所示的串疊型太陽能電池之能隙示意圖。
第5圖係顯示如第3圖所示的串疊型太陽能電池之過渡層的能隙示意圖。
第6圖係顯示本發明之具有第1光吸收層/第1過渡層/第2光吸收層/第2過渡層/第3光吸收層結構的串疊型太陽能電池的構造示意圖。
第7圖係顯示如第6圖所示的串疊型太陽能電池之能隙示意圖。
第8圖係係顯示如第6圖所示的串疊型太陽能電池之第2過渡層的能隙示意圖。
第9圖係顯示本發明之以超晶格層作為光吸收層的太陽能電池的構造示意圖。
第10圖係顯示如第9圖所示的太陽能電池之完全漸變能隙示意圖。
第11圖係顯示本發明之具有以不同組態之超晶格層作為第1光吸收層及第2光吸收層結構的太陽能電池的構造示意圖。
第12圖係顯示如第11圖所示的太陽能電池之完全漸變能隙示意圖。
第13圖係顯示本發明之採用漸變p型a-Si/μc-Si超晶格層作為i型a-Si層與μc-Si層間的過渡層之J-V模擬圖。
第14圖係顯示本發明之具有奈米點之異質接面光吸收層之完全漸變型結構能隙圖。
第15圖係顯示本發明之另一構成的薄膜太陽能電池之能隙示意圖。
第16圖係顯示氫的稀釋比影響結晶度及Si-H鍵結的圖表。
第17圖為將第4圖加上n+ μc-Si漸變為a-Si之層、n+ a-Si層、及Ag或Al或織構化ITO層之能隙示意圖。
第18圖為將第7圖加上n+ μc-Si漸變為a-Si之層、n+ a-Si層、及Ag或Al或織構化ITO層之能隙示意圖。
2．．．串疊型太陽能電池
100．．．抗反射塗層
102．．．織構化玻璃基板
104．．．透明導電氧化層
106．．．正面接點
108．．．第1光吸收層
110．．．過渡層
112．．．第2光吸收層
114．．．後面接點
116．．．金屬電極
118．．．鈍化層

Claims (40)

  1. 一種薄膜太陽能電池，其包括：正面接點(front contact)；第1光吸收層，係形成於該正面接點上；過渡層，係形成於該第1光吸收層上；第2光吸收層，係形成於該過渡層上；及後面接點(back contact)，係形成於該第2光吸收層上，其特徵為：該過渡層是具有固定能隙或漸變能隙的超晶格層，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該第1光吸收層係具有能隙Eg1之感光材料，該過渡層係具有能隙Eg2之感光材料，該第2光吸收層係具有能隙Eg3之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg3之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3，Eg2為從1.8eV至1.1eV之一漸變值，或者是，Eg2為在1.8eV與1.1eV之間的一固定值。
  2. 如申請專利範圍第1項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層為n型、p型或i型(本質型)半導體，其組態定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 =ai ，bi-1 =bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg2 為常數，及該超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm。
  3. 如申請專利範圍第1項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 >ai ，bi-1 <bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2為漸變，及該超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長小能隙材料再成長大能隙材料的方式形成組成單元，組態定義為b1 a1 /b2 a2 /.../bi ai /.../bn an 。
  5. 如申請專利範圍第2或3項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長大能隙材料再成長小能隙材料的方式形成其組成單元，組態定義為a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn 。
  6. 如申請專利範圍第1項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：a-SiO：H層(hydrogenated a-SiO)，係位在該正面接點與該第1光吸收層之間。
  7. 如申請專利範圍第1或6項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：一排以上之複數個奈米點(nanodot)，該 等奈米點係配置在該薄膜太陽能電池中的任何層。
  8. 如申請專利範圍第7項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的材料係選自於由Si、Ge、金屬、介電常數有別於SiO2 之材料、及其組合之複合材料所構成的群組之一者。
  9. 如申請專利範圍第7項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的尺寸範圍為1nm~100nm。
  10. 如申請專利範圍第1項之薄膜太陽能電池，其中，該後面接點係由n+ a-Si所構成，且在該第2光吸收層與該後面接點之間進一步包括n+ μc-Si漸變為a-Si之層。
  11. 一種薄膜太陽能電池，其包括：正面接點，具有能隙Eg1；第1光吸收層，係形成於該正面接點上，具有能隙Eg1；第1過渡層，係形成於該第1光吸收層上，具有能隙Eg2；第2光吸收層，係形成於該第1過渡層上，具有能隙Eg3；第2過渡層，係形成於該第2光吸收層上，具有能隙Eg4；第3光吸收層，係形成於該第2過渡層上，具有能隙Eg5；及後面接點，係形成於該第3光吸收層上，具有能隙Eg5，其特徵為： 該第1過渡層是具有數值在1.8eV與1.1eV之間的固定能隙Eg2的a-Si及μc-Si之超晶格層、或a-Si及poly-Si之超晶格層，或是具有數值從1.8eV至1.1eV之漸變能隙Eg2的a-Si及μc-Si之超晶格層、或a-Si及poly-Si之超晶格層，其中，該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 =ai ，bi-1 =bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2為常數，及該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm；或定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 >ai ，bi-1 <bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2 為漸變，及該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm；該第2過渡層是具有數值在1.1eV與0.7eV之間的固定能隙Eg4的μc-Si及μc-Ge之超晶格層、或poly-Si及μc-Ge之超晶格層，或是具有數值從1.1eV至0.7eV之漸變能隙Eg4的μc-Si及μc-Ge之超晶格層、或poly-Si及μc-Ge之超晶格層；該第3光吸收層為n型μc-Ge層。
  12. 如申請專利範圍第11項之薄膜太陽能電池，其中，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該第1光吸收層係具有能隙Eg1之感光材料，該第1過渡層係具有能隙Eg2之感光材料，該第2光吸收層係具有能隙Eg3之感光材料，該第2過渡層係具有能隙Eg4之感光材料，該第3光吸收層係具有能隙Eg5之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg5之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3≧Eg4≧Eg5。
  13. 如申請專利範圍第11項之薄膜太陽能電池，其中，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn ci ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg4c，di ：第i單元中μc-Ge層的厚度，能隙Eg4d，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層中之第i單元的能隙： Eg4i ≒Eg4c(ci /(ci +di ))+Eg4d(di /(ci +di ))，ci-1 =ci ，di-1 =di ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg4為常數，及該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層之厚度W2為0nm<W2≦2.5μm。
  14. 如申請專利範圍第11項之薄膜太陽能電池，其中，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn ci ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg4c，di ：第i單元中μc-Ge層的厚度，能隙Eg4d，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層中之第i單元的能隙：Eg4i ≒Eg4c(ci /(ci +di ))+Eg4d(di /(ci +di ))，ci-1 >ci ，di-1 <di ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg4為漸變，及該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層之厚度W2為0nm<W2≦2.5μm。
  15. 如申請專利範圍第13或14項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長小能隙、層厚漸增的材料，再成長大能隙、層厚漸減的材料之方式形成其組成單元，組態定義為d1 c1 /d2 c2 /.../di ci /.../dn cn 。
  16. 如申請專利範圍第13或14項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長大能隙、層厚漸減的材料，再成長小能隙、層厚漸增的材料之方式形成其組成單 元，組態定義為c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn 。
  17. 如申請專利範圍第11項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括a-SiO：H層，係位在該正面接點與該第1光吸收層之間。
  18. 如申請專利範圍第11或17項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：一排以上之複數個奈米點，該等奈米點係配置在該薄膜太陽能電池中的任何層。
  19. 如申請專利範圍第18項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的材料係選自於由Si、Ge、金屬、介電常數有別於SiO2 之材料、及其組合之複合材料所構成的群組之一者。
  20. 如申請專利範圍第18項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的尺寸範圍為1nm~100nm。
  21. 如申請專利範圍第11項之薄膜太陽能電池，其中，該後面接點係由n+ a-Si所構成，且在該第3光吸收層與該後面接點之間進一步包括n+ μc-Si漸變為a-Si之層。
  22. 一種薄膜太陽能電池，其包括：正面接點；光吸收層，係形成於該正面接點上；及後面接點，係形成於該光吸收層上，其特徵為該光吸收層是具有漸變能隙之超晶格層，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該光吸收層係具有能隙Eg2之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg3之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3，Eg2為從1.8eV至1.1eV之一漸變值。
  23. 如申請專利範圍第22項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a，bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 >ai ，bi-1 <bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2為漸變，及該超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm。
  24. 如申請專利範圍第23項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長小能隙材料再成長大能隙材料的方式形成組成單元，組態定義為b1 a1 /b2 a2 /.../bi ai /.../bn an 。
  25. 如申請專利範圍第23項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長大能隙材料再成長小能隙材料的方式形成其組成單元，組態定義為a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn 。
  26. 如申請專利範圍第22項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：a-SiO：H層，係位在該正面接點與該光吸收層之間。
  27. 如申請專利範圍第22或26項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：一排以上之複數個奈米點，該等奈米點係配置在該薄膜太陽能電池中的任何層。
  28. 如申請專利範圍第27項之薄膜太陽能電池，其中，該 等奈米點的材料係選自於由Si、Ge、金屬、介電常數有別於SiO2 之材料、及其組合之複合材料所構成的群組之一者。
  29. 如申請專利範圍第27項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的尺寸範圍為1nm~100nm。
  30. 如申請專利範圍第22項之薄膜太陽能電池，其中，該後面接點係由n+ a-Si所構成，且在該光吸收層與該後面接點之間進一步包括n+ μc-Si漸變為a-Si之層。
  31. 一種薄膜太陽能電池，其包括：正面接點，具有能隙Eg1；第1光吸收層，係形成於該正面接點上，具有能隙Eg2；第2光吸收層，係形成於該第1光吸收層上，具有能隙Eg3；第3光吸收層，係形成於該第2光吸收層上，具有能隙Eg4；及後面接點，係形成於該第3光吸收層上，具有能隙Eg5，其特徵為：該第1光吸收層是具有數值從1.8eV至1.1eV之漸變能隙Eg2的a-Si及μc-Si之超晶格層、或a-Si及poly-Si之超晶格層，其中，該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：a1 b1 /a2 b2 /.../ai bi /.../an bn ai ：第i單元中a-Si層的厚度，能隙Eg2a， bi ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg2b，該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層中之第i單元的能隙：Eg2i ≒Eg2a(ai /(ai +bi ))+Eg2b(bi /(ai +bi ))，ai-1 >ai ，bi-1 <bi ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即Eg2為漸變，及該a-Si及μc-Si之超晶格層或該a-Si及poly-Si之超晶格層之厚度W1為0nm<W1≦2.5μm；該第2光吸收層是具有數值從1.1eV至0.7eV之漸變能隙Eg3的μc-Si及μc-Ge之超晶格層、或poly-Si及μc-Ge之超晶格層；該第3光吸收層為n型μc-Ge層。
  32. 如申請專利範圍第31項之薄膜太陽能電池，其中，該正面接點係具有能隙Eg1之感光材料，該第1光吸收層係具有能隙Eg2之感光材料，該第2光吸收層係具有能隙Eg3之感光材料，該第3光吸收層係具有能隙Eg4之感光材料，該後面接點係具有能隙Eg5之感光材料，其中Eg1≧Eg2≧Eg3≧Eg4≧Eg5。
  33. 如申請專利範圍第31項之薄膜太陽能電池，其中，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層為n型、p型或i型半導體，其組態定義為：c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn ci ：第i單元中μc-Si或poly-Si層的厚度，能隙Eg4c，di ：第i單元中μc-Ge層的厚度，能隙Eg4d，該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge 之超晶格層中之第i單元的能隙：Eg4i ≒Eg4c(ci /(ci +di ))+Eg4d(di /(ci +di ))，ci-1 >ci ，di-1 <di ，i=1,2,...,n，n=1~1000，即該Eg4為漸變，及該μc-Si及μc-Ge之超晶格層或該poly-Si及μc-Ge之超晶格層之厚度W2為0nm<W2≦2.5μm。
  34. 如申請專利範圍第33項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長小能隙、層厚漸增的材料，再成長大能隙、層厚漸減的材料之方式形成其組成單元，組態定義為d1 c1 /d2 c2 /.../di ci /.../dn cn 。
  35. 如申請專利範圍第33項之薄膜太陽能電池，其中，該超晶格層係以先成長大能隙、層厚漸減的材料，再成長小能隙、層厚漸增的材料之方式形成其組成單元，組態定義為c1 d1 /c2 d2 /.../ci di /.../cn dn 。
  36. 如申請專利範圍第31項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括a-SiO：H層，係位在該正面接點與該第1光吸收層之間。
  37. 如申請專利範圍第31或36項之薄膜太陽能電池，其中，進一步包括：一排以上之複數個奈米點，該等奈米點係配置在該薄膜太陽能電池中的任何層。
  38. 如申請專利範圍第37項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的材料係選自於由Si、Ge、金屬、介電常數有別於SiO2 之材料、及其組合之複合材料所構成的群組之一者。
  39. 如申請專利範圍第37項之薄膜太陽能電池，其中，該等奈米點的尺寸範圍為1nm~100nm。
  40. 如申請專利範圍第31項之薄膜太陽能電池，其中，該後面接點係由n+ a-Si所構成，且在該第3光吸收層與該後面接點之間進一步包括n+ μc-Si漸變為a-Si之層。
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