TWI470812B - 異質接面太陽能電池及其電極 - Google Patents

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Description

異質接面太陽能電池及其電極
本發明是有關於一種異質接面太陽能電池，且特別是有關於一種以包括特定晶向的硼摻雜氧化鋅做為其電極的異質接面太陽能電池。
隨著地球暖化與能源危機的問題日益嚴重，替代能源的開發已成為現今科學研究的焦點。其中，太陽能電池是極具前景的能源技術之一。
傳統的矽基(silicon-based)太陽能電池譬如使用單晶矽或多晶矽基板，經由鍍膜與高溫擴散來形成PN接面。近來，矽基異質接面太陽能電池(heterojunction solar cell)也受到許多注目。有別於傳統的矽基太陽能電池，矽基異質接面太陽能電池是在矽基板上成長導電型態與矽基板相異的異質薄膜，以形成PN接面。其具有結構單純、高開路電壓、適於薄基板以及低製程溫度等優點。其中，低的製程溫度顯著地降低了太陽能電池的製造成本，使太陽能技術更具競爭優勢。
太陽能電池技術的另一研究重心是做為其電極的透明導電層。現今最普遍的透明導電層材料是銦錫氧化物(indium-tin oxide；ITO)。然而銦的存量有限、價格高昂，因此其替代材料(譬如氧化鋅)的開發逐漸受到重視。
本發明提供一種異質接面太陽能電池的電極，其成本較習知的ITO電極低，且可提昇光吸收效率。
本發明另提供一種異質接面太陽能電池，其製造成本較低而光電轉換效率較高。
本發明提出一種異質接面太陽能電池的電極，包括基板與摻雜氧化鋅層。其中基板具有第一織構表面，摻雜氧化鋅層配置於第一織構表面上，具有第二織構表面，且摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰。
在本發明之一實施例中，上述摻雜氧化鋅層的折射係數介於1~4之間。
在本發明之一實施例中，上述摻雜氧化鋅層的厚度介於1μm~2μm之間。
在本發明之一實施例中，上述摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形更包括(10-10)峰。
在本發明之一實施例中，上述摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形更包括(11-20)峰。
本發明另提出一種異質接面太陽能電池，包括晶體矽基板、摻雜非晶矽層、第一電極層、背面電場層以及第二電極層。晶體矽基板為第一導電型，其具有彼此相對的第一表面以及第二表面，其中第一表面為第一織構表面。摻雜非晶矽層為第二導電型，且其共形地配置在第一表面上。第一電極層配置於摻雜非晶矽層上，其具有第二織構表面。其中第一電極層的材料為硼摻雜氧化鋅，且其X光 繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰。背面電場層為第一導電型，且其配置於第二表面上。第二電極層配置於背面電場層上。
在本發明之另一實施例中，上述之異質接面太陽能電池更包括本質非晶矽層，位於晶體矽基板與摻雜非晶矽層之間。
在本發明之另一實施例中，上述第一電極層的折射係數介於1~4之間。
在本發明之另一實施例中，上述第一電極層的厚度介於1μm~2μm之間。
在本發明之另一實施例中，上述第一電極層的X光繞射圖形更包括(10-10)峰。
在本發明之另一實施例中，上述第一電極層的X光繞射圖形更包括(11-20)峰。
在本發明之各實施例中，上述第一織構表面包括多個突起，其中各突起之底部的長度介於1μm~20μm之間，且各突起的高度介於1~20μm之間。
在本發明之各實施例中，上述第二織構表面包括多個突起，其中各突起之底部的長度介於10nm~500nm之間，且各突起的高度介於10nm~500nm之間。
在本發明之各實施例中，上述摻雜氧化鋅的摻質包括硼、氟、鋁、鎵或銦。
基於上述，本發明的異質接面太陽能電池的電極具有成本較低的優勢，且本發明的異質接面太陽能電池具有良好的光電轉換效率。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A是依照本發明一實施例所繪示的異質接面太陽能電池的電極的剖面示意圖。圖1B是圖1A的局部放大圖。
請參照圖1A。在本實施例中，異質接面太陽能電池的電極100包括基板102與硼摻雜氧化鋅(BZO)層104。基板102的材料例如為晶體矽，其具有第一織構表面103。第一織構表面103的形成方法例如是以氫氧化鉀、水與異丙醇的混合液為蝕刻液，在75℃下將基板102織構化。第一織構表面103例如具有多個突起103a，其中各突起103a之底部的長度L1例如介於1μm~20μm之間；各突起103a的高度H1例如介於1μm~20μm之間。
請一併參照圖1A與圖1B。在本實施例中，摻雜氧化鋅層104配置於基板102的第一織構表面103上，且摻雜氧化鋅層104的X光繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰。摻雜氧化鋅層104的形成方法例如是低壓化學氣相沈積法。例如可以下述條件形成硼摻雜氧化鋅：反應氣體例如為二乙基鋅(diethyl zinc；DEZn，流量在200sccm~800sccm之間)、水氣(流量在250sccm~850sccm之間)以及二硼烷(diborane；B2 H6 ，流量在1sccm~20sccm之間)，反應壓力例如在0.3torr~1torr之間，反應溫度例如在100℃~300℃之間，反應時間例如在15分鐘~90分鐘之間。在其他實施例中，摻雜氧化鋅層的摻質也可包括氟、鋁、鎵或銦。在本實施例中，摻雜氧化鋅層104具有第二織構表面105，其中第二織構表面105包括多個突起105a。各突起105a之底部的長度L2例如介於10 nm～500 nm之間；各突起105a的高度H2例如介於10 nm～500 nm之間。在本實施例中，摻雜氧化鋅層104的折射係數介於1～4之間。在本實施例中，摻雜氧化鋅層104的厚度介於1 μm～2 μm之間。在本實施例中，摻雜氧化鋅層104的X光繞射圖形還具有(10-10)峰與(11-20)峰。
在本實施例中，摻雜氧化鋅層104具有透明、導電性佳等特性，適於做為配置在太陽能電池之受光面的電極。舉例來說，在可見光的波長範圍(400 nm～700 nm)中，本實施例之摻雜氧化鋅層104的穿透率大都在80%以上，而其電阻率介於1×10-3 Ωcm～1×10-4 Ωcm之間。另外，因為摻雜氧化鋅層104具有第二織構表面105，相較於習知具有平坦表面的透明導電層，摻雜氧化鋅層104能更增加光吸收效率，進而提昇短路電流，加強異質接面太陽能電池的效能。
圖2A是依照本發明另一實施例所繪示的異質接面太陽能電池的剖面圖。
請參照圖2A。異質接面太陽能電池200包括晶體矽基板202、摻雜非晶矽層204、第一電極層206、背面電場層208以及第二電極層210。晶體矽基板202具有彼此相對的第一表面202a以及第二表面202b，其中，第一表面202a為織構表面，例如，第一表面202a可為前一實施例所述的第一織構表面103。摻雜非晶矽層204共形地(conformally)配置於第一表面202a上，其形成方法例如是電漿化學氣相沈積法。第一電極層206配置於摻雜非晶矽層204上。背面電場層208配置於第二表面202b上，其形成方法例如是電漿化學氣相沈積法。第二電極層210配置於背面電場層208上。在本實施例中，晶體矽基板202與背面電場層208為第一導電型(例如N型)，摻雜非晶矽層204為第二導電型(例如P型)。在其他實施例中，經由不同的摻雜製程，晶體矽基板202與背面電場層208也可以是P型，而摻雜非晶矽層204為N型。
在本實施例中，第一電極層206的材料為硼摻雜氧化鋅，且其X光繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰。第一電極層206具有一織構表面206a。第一電極層206例如為前一實施例所述的摻雜氧化鋅層104，織構表面206a例如為前一實施例所述的第二織構表面105。另外，在本發明其他實施例中，異質接面太陽能電池200還可包括本質非晶矽層203，位於晶體矽基板202與摻雜非晶矽層204之間，如圖2B所示。
在本實施例的異質接面太陽能電池200中，晶體矽基板202的第一表面202a為織構表面，且第一電極層206也具有織構表面206a，因此異質接面太陽能電池200具有優良的光吸收效率。另外，異質接面太陽能電池200還可包括本質非晶矽層203，其可以減少摻雜非晶矽層204與晶體矽層202之間的介面缺陷，降低載子再結合的機會。因此本實施例的異質接面太陽能電池200具有良好的光電轉換效率。
以下特以比較例與實驗例相對照，以突顯本發明的異質接面太陽能電池之功效。
比較例1
比較例1選用以CZ法(Czochralski method)成長的N型太陽能電池級矽為基板(晶面(100)，厚度180 μm～220 μm，電阻率0.5 Ωcm～3 Ωcm)。將此晶體矽基板浸入75℃的氫氧化鉀與異丙醇的混合液中，進行織構化(texturization)。經織構化處理的矽基板表面呈現金字塔狀的織構，如圖1A中的第一織構表面103。然後，在晶體矽基板的正面(如圖2A的第一表面202a)以高頻(80 MHz)電漿化學沈積系統成長厚度約12 nm的硼摻雜非晶矽層。其中高頻電漿化學沈積的參數為：基底壓力抽至1×10-6 torr，通入矽烷(SiH4 )以及B2 H6 ，系統壓力維持在0.5 mtorr，射頻電漿瓦數為25 W，成長時間為100秒，過程中晶體矽基板溫度保持在340℃。
而後，在晶體矽基板背面(如圖2A的第二表面202b)成長厚度約10 nm的磷摻雜非晶矽層，做為背面電場層。其中高頻(80 MHz)電漿化學沈積參數為：基底壓力抽至1×10-6 torr，通入SiH4 以及磷化氫(PH3 )，系統維持在0.5 mtorr，射頻電漿瓦數為25 W，成長時間為100秒，過程中基板溫度保持在280℃。
硼摻雜非晶矽層與磷摻雜非晶矽層成長完畢後，以濺鍍製程分別在磷摻雜非晶矽層上沈積80 nm的第一ITO層；並在硼摻雜非晶矽層上沈積80 nm的第二ITO層，其中第二ITO層是做為異質接面太陽能電池的正面電極。最後再以蒸鍍方法在第一ITO層與第二ITO層上形成銀電極，以完成異質接面太陽能電池的製作。
實驗例1
實驗例1的異質接面太陽能電池的製作與比較例1相似，所不同者在於，在硼摻雜非晶矽層上的正面電極並非使用ITO材料，而是使用低壓化學氣相沈積法，以DEZn、H2 O與B2 H6 為反應氣體，生長2 μm具有織構表面的硼摻雜氧化鋅層。低壓化學氣相沈積法的製程條件總結於表1。
圖3A至圖3C是實驗例1的硼摻雜氧化鋅層的掃描式電子顯微鏡照片，其中圖3A是其剖面圖，圖3B是其俯視圖，而圖3C是圖3B的局部放大圖。在圖3A與圖3B中可觀察到由晶體矽基板的織構表面所造成的形貌起伏。在圖3C中可清楚見到硼摻雜氧化鋅層具有織構表面。圖3D是實驗例1的硼摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形，其包括(10-11)峰、(10-10)峰以及(11-20)峰，且(10-11)為其最大繞射峰。
最後，以蒸鍍方法在第一ITO層與硼摻雜氧化鋅層上形成銀電極，以完成異質接面太陽能電池的製作。
比較例2
比較例2的異質接面太陽能電池的製作與實驗例1相似，所不同者在於，在比較例2中，硼摻雜氧化鋅層的厚度是0.5 μm。
表2總結了各比較例與實施例所使用的正面電極材料及其厚度，以及其開路電壓(VOC )、短路電流密度(JSC )、填充因子(fill factor；FF)與光電轉換效率(Efficiency)。
請參照表2，與習知以ITO做為正面電極的異質接面太陽能電池(比較例1)相較，實驗例1的異質接面太陽能電池具有更高的光電轉換效率。
實驗例3
實驗例3選用N型太陽能電池級矽基板，並使其經織構化後，在矽基板的織構化表面上生成硼摻雜非晶矽層；其中矽基板的選用、織構化過程以及硼摻雜非晶矽層的生成均與比較例1相同。其後，在硼摻雜非晶矽層上使用低壓化學氣相沈積法，以DEZn、H2 O與B2 H6 為反應氣體，在不同的製程溫度與時間下生長硼摻雜氧化鋅層。表3總結了實驗例3的製程參數。圖4A與圖4B是分別在130℃及300℃下生長的硼摻雜氧化鋅層的掃描式電子顯微鏡照片。圖4C與圖4D是分別在130℃及300℃下生長的硼摻雜氧化鋅層的X光繞射圖。由圖4C與圖4D可以看出，在130℃與300℃下成長時，硼摻雜氧化鋅的最大繞射峰不是(10-11)峰。
如表3所示，當製程溫度越高，沈積速度會越快。因此，為維持一定厚度，須適時的調整沈積硼摻雜氧化鋅薄膜的時間。
實驗例4
實驗例4探討沈積溫度與片電阻的關係。實驗例4中的材料選擇與實驗方法與實驗例3類似，差異在於，實驗例4是在相同的反應時間下變化沈積的溫度。實驗例4的實驗參數總結於表4。圖5呈現了不同沈積溫度下的片電阻關係圖。從圖5可以看出，只有沈積溫度在160℃上下約10℃的範圍內，硼摻雜氧化鋅層才具有較佳的片電阻值。
綜上所述，本發明的異質接面太陽能電池以硼摻雜氧化鋅做為其受正面電極的材料。由於硼摻雜氧化鋅的價格遠低於ITO，所以能降低異質接面太陽能電池的成本。另外，本發明的摻雜氧化鋅層具有織構表面，且其X光繞射圖形包括(10-11)峰，能夠提昇異質接面太陽能電池的光電轉換效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。
100‧‧‧異質接面太陽能電池的電極
102‧‧‧基板
103‧‧‧第一織構表面
103a、105a‧‧‧突起
104‧‧‧摻雜氧化鋅層
105‧‧‧第二織構表面
200‧‧‧異質接面太陽能電池
202‧‧‧晶體矽基板
202a‧‧‧第一表面
202b‧‧‧第二表面
203‧‧‧本質非晶矽層
204‧‧‧摻雜非晶矽層
206‧‧‧第一電極層
206a‧‧‧織構表面
208‧‧‧背面電場層
210‧‧‧第二電極層
L1、L2‧‧‧長度
H1、H2‧‧‧高度
T‧‧‧厚度
圖1A是依照本發明一實施例所繪示的異質接面太陽能電池的電極的剖面示意圖。
圖1B是圖1A的局部放大圖。
圖2A是依照本發明另一實施例所繪示的異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖2B是依照本發明又一實施例所繪示的異質接面太陽能電池的剖面示意圖。
圖3A是本發明實驗例1的硼摻雜氧化鋅層的掃描式電子顯微鏡剖面圖。
圖3B是本發明實施例1的硼摻雜氧化鋅層的掃描式電子顯微鏡俯視圖。
圖3C圖3B的局部放大圖。
圖3D是本發明實驗例1的硼摻雜氧化鋅層的X光繞射圖。
圖4A與圖4B是本發明實驗例3中分別在130℃及300℃下生長的硼摻雜氧化鋅層的掃描式電子顯微鏡照片。
圖4C與圖4D是本發明實驗例3中分別在130℃及300℃下生長的硼摻雜氧化鋅層的X光繞射圖。
圖5是實驗例4的片電阻與溫度關係圖。
100．．．異質接面太陽能電池的電極
102．．．基板
103．．．第一織構表面
103a．．．突起
104．．．摻雜氧化鋅層
L1．．．長度
H1．．．高度

Claims (17)

  1. 一種異質接面太陽能電池的電極，包括：一基板，其具有一第一織構表面，其中該第一織構表面包括多數個第一突起；一摻雜氧化鋅層，配置於該第一織構表面上，且具有一第二織構表面，其中該摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰，且每個所述第一突起上的所述第二織構表面包括多個第二突起。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中各該第一突起之底部的長度介於1μm~20μm之間，且各該第一突起的高度介於1μm~20μm之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中各該第二突起之底部的長度介於10nm~500nm之間，且各該第二突起的高度介於10nm~500nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中該摻雜氧化鋅層的折射係數介於1~4之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中該摻雜氧化鋅層的厚度介於1μm~2μm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中該摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形更包括(10-10)峰。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中該摻雜氧化鋅層的X光繞射圖形更包括(11-20)峰。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池的電極，其中該摻雜氧化鋅層的摻質包括硼、氟、鋁、鎵或銦。
  9. 一種異質接面太陽能電池，包括：一晶體矽基板，其為第一導電型，且具有彼此相對的一第一表面以及一第二表面，其中該第一表面為一第一織構表面，其中該第一織構表面包括多數個第一突起；一摻雜非晶矽層，共形地配置於該第一表面上，其中該摻雜非晶矽層為第二導電型；一第一電極層，配置於該摻雜非晶矽層上，且具有一第二織構表面，其中該第一電極層的材料為摻雜氧化鋅，且該第一電極層的X光繞射圖形的最大繞射峰為(10-11)峰，且每個所述第一突起上的所述第二織構表面包括多個第二突起；一背面電場層，配置於該第二表面上，其中該背面電場層為第一導電型；以及一第二電極層，配置於該背面電場層上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中各該第一突起之底部的長度介於1μm~20μm之間，而各該第一突起的高度介於1μm~20μm間。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電 池，其中各該第二突起之底部的長度介於10nm~500nm之間，而各該第二突起的高度介於10nm~500nm之間。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，更包括一本質非晶矽層，位在該晶體矽基板與該摻雜非晶矽層之間。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中該第一電極層的折射係數介於1~4之間。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中該第一電極層的厚度介於1μm~2μm之間。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中該第一電極層的X光繞射圖形更包括(10-10)峰。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中該第一電極層的X光繞射圖形更包括(11-20)峰。
  17. 如申請專利範圍第9項所述之異質接面太陽能電池，其中該摻雜氧化鋅的摻質包括硼、氟、鋁、鎵或銦。
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