TWI485876B

TWI485876B - 電容式太陽能電池及其製造方法

Info

Publication number: TWI485876B
Application number: TW102101050A
Authority: TW
Inventors: Yu Chou Lee; Shih Hao Yang
Original assignee: Tainergy Tech Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201428987A

Description

電容式太陽能電池及其製造方法

本發明係關於一種太陽能電池，特別係關於一種可提升電池轉換效率之電容式太陽能電池及其製造方法。

太陽能電池係一種將光能轉換為電能的光電元件，其由於低污染、低成本加上可利用源源不絕之太陽能作為能量來源，而成為重要的替代能源之一。太陽能電池之基本構造是運用P型半導體與N型半導體接合而成。半導體之基本材料為「矽」，其為不導電材料，若摻雜不同的雜質(dopant)至半導體中，可分別形成P型與N型半導體，P型半導體與N型半導體之接面即稱為PN接面，而上述將光能轉換成電流的反應則稱為光伏效應(photovoltaic effect)。

當陽光照射至太陽能電池時，光能係激發出矽原子中之電子而產生電子和電洞的對流，且這些電子及電洞受P型半導體之電洞與N型半導體之電子構成的內建電場影響而分別受N型半導體及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時可使用電極連接太陽能電池外部，以形成迴路，進而產生電流，此過程即為太陽電池發電的原理。

請參閱第1圖，其係為習知太陽能電池之橫切面圖。如圖所示，習知太陽能電池1包含第一電性半導體基材11、第二電性半導體層12、抗反射層13、金屬層14、第一電極15及第二電極16。第二電性半導體層12係利用擴散法，將第二電性摻雜物植入第一電性半導體基材11中，以於第一電性半導體基材11內部形成摻雜第二電性摻雜物之第二電性半導體層12，且第二電性半導體層12之周緣係經由絕緣處理而形成絕緣部111；抗反射層13係以化學氣相沉積法(CVD)沉積於第二電性半導體層之上；金屬層14係位於第一電性半導體基材11之下表面上；第一電極15係位於抗反射層13之上；第二電極16係位於第一電性半導體基材11之下表面之上且露出於金屬層14外。

然而，於習知太陽能電池1中，若電子接收足夠之外界能量而成為自由電子時，自由電子係由P型半導體基材往N型半導體層方向移動，此時自由電子係處於不穩定狀態，其可能因為摩擦、碰撞或半導體層及抗反射層之缺陷而損失能量，最後自由電子將受電洞吸引而復合而無法利用，使得習知太陽能電池之電池轉換效率不佳。

有鑒於此，本發明之發明人思索並設計一種電容式太陽能電池及其製造方法，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電容式太陽能電池及其製造方法，以提升太陽能電池之電池轉換效率。

根據本發明之目的，提出一種電容式太陽能電池，其包含第一電性半導體基材、第二電性半導體層、抗反射層、第一電極及第二電極。第二電性半導體層位於第一電性半導體基材之內部且靠近第一電性半導體基材之上表面處。抗反射包含第一氧化矽層及氮化矽層，抗反射層位於第一電性半導體基材之上表面之上，且第一氧化矽層連接第二電性半導體層，氮化矽層位於第一氧化矽層之上。第一電極位於抗反射層之上。第二電極位於第一電性半導體基材之下表面之上。

較佳地，第一電性半導體基材之上表面可經由化學蝕刻以形成複數條紋理。

較佳地，第一電性半導體基材之上表面之周緣的一部份可經由化學蝕刻或雷射切除以形成絕緣部。

較佳地，電容式太陽能電池可更包含金屬層，其可位於第一電性半導體基材之下表面之上，且第二電極可位於金屬層之上，並穿設金屬層以連通至第一電性半導體基材。

較佳地，抗反射層可更包含第二氧化矽層，其可位於氮化矽層之上。

根據本發明之目的，再提出一種電容式太陽能電池之製造方法，其包含下列步驟：提供第一電性半導體基材。形成第二電性半導體層於第一電性半導體基材之內部且靠近第一電性半導體基材之上表面處。形成抗反射層於第一電性半導體基材之上表面之上。形成第一電極於抗反射層之上。形成第二電極於第一電性半導體基材之下表面之上。

較佳地，抗反射層可包含第一氧化矽層及氮化矽層，電容式太陽能電池之製造方法可更包含形成第一氧化矽層於第二電性半導體層之上，再形成氮化矽層於第一氧化矽層之上的步驟。

較佳地，電容式太陽能電池之製造方法可更包含藉由化學蝕刻處理第一電性半導體基材之上表面，以形成複數條紋理；以及藉由化學蝕刻或雷射切除第一電性半導體基材之上表面之周緣的一部分，以形成絕緣部的步驟。

較佳地，抗反射層可更包含第二氧化矽層，電容式太陽能電池之製造方法可更包含形成第二氧化矽層於氮化矽層之上的步驟。

較佳地，電容式太陽能電池之製造方法可形成金屬層於第一電性半導體基材之下表面之上，且第二電極可設置於金屬層之上，並可穿設金屬層以連通至第一電性半導體基材。

承上所述，本發明之電容式太陽能電池及其製造方法因為抗反射層係設計為雙層或三層等多層結構，由於多層結構之抗反射層之中可設置具有介電質性質的氧化矽層，因此當太陽能電池中之電子吸收外界能量而成為自由電子，且往N型半導體層方向移動時，自由電子可較為穩定地儲存於氧化矽層中，使得自由電子較不易因摩擦、碰撞或半導體層及抗反射層之缺陷而損失能量而與電洞復合，進而提高電子存活率及電池轉換效率。

1‧‧‧習知太陽能電池

11、21‧‧‧第一電性半導體基材

111、211‧‧‧絕緣部

12、22‧‧‧第二電性半導體層

13、23‧‧‧抗反射層

14、24‧‧‧金屬層

15、25‧‧‧第一電極

16、26‧‧‧第二電極

2‧‧‧電容式太陽能電池

231‧‧‧第一氧化矽層

232‧‧‧氮化矽層

233‧‧‧第二氧化矽層

3、4‧‧‧二極體

5‧‧‧電容

S1~S8‧‧‧步驟流程

第1圖係為習知太陽能電池之橫切面圖。

第2圖係為本發明之電容式太陽能電池之第一實施例之橫切面圖。

第3圖係為本發明之電容式太陽能電池之第二實施例之橫切面圖。

第4圖係為本發明之電容式太陽能電池與習知太陽能電池之反射率比較圖。

第5圖係為習知太陽能電池及本發明之電容式太陽能電池之等效電路圖。

第6圖係為本發明之電容式太陽能電池之製造方法流程圖。

為利貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

在下列詳細描述中，將藉由簡單地說明而顯示及描述本發明之部份例示性實施例。如同所屬技術領域具有通常知識者所理解的是，所描述的實施例可在不脫離本發明之精神與範疇下以不同形式而修改。因此，圖式與說明僅視為自然說明性質而非限制於特定之實施模式。此外，當元件被稱為在另一元件“上”時，其可直接地位於另一元件上或可具有一或多個中介元件插設於其間而間接地位於另一元件上。此外，當一元件被稱為“連接”另一元件時，其可直接地連接另一元件，或可具有一或多個中介元件插設於其間而間接地連接另一元件。下文中，相同的參考符號表示相同的元件。於圖式中，為了更清楚說明，層及區域之大小及相對大小可能被誇大。

請參閱第2圖，其係為本發明之電容式太陽能電池之第一實施例之橫切面圖。如圖所示，本發明之電容式太陽能電池2包含第一電性半導體基材21、第二電性半導體層22、抗反射層23、金屬層24、第一電極25及第二電極26。抗反射層23包含第一氧化矽層231以及氮化矽層232。其中，第一電性半導體基材21可為P型半導體基材，第二電性半導體層22可為N型半導體層，第一氧化矽層231可由二氧化矽(SiO₂)、氮氧化矽(SiON)或矽氧化物(SiOx)形成，氮化矽層232可由氮化矽(SiNx)形成，金屬層24可為鋁，但本發明並不對此設限，且應理解的是任何未脫離本發明之精神與技術範疇而進行之所有變化、等效物及替代物均應涵括於此處。

於此實施例中，第一電性半導體基材21之上表面係首先利用蝕刻設備(或蝕刻槽)，以KOH等鹼蝕刻液或In-line式的酸蝕刻等化學蝕刻方法形成複數條紋理，以增加第一電性半導體基材21之上表面的表面積，使得其上表面更容吸收光線。

之後，再使用擴散爐管(Diffusion Furnace)，亦即石英爐管，以氮氣帶入磷醯氯(POCl₃)，以利用其中的磷(P)將第一電性半導體基材21之上表面至內部擴散成第二電性半導體層22(換言之，即從該第一電性半導體基材21之上表面植入第二電性摻雜物)，並形成異質接面(heterojunction)於第一電性半導體基材21中。

接著，再以化學蝕刻(例如HF,HNO₃,HCl,H₂SO_x)或雷射沿著第一電性半導體基材21周緣劃溝，以切斷在擴散磷醯氯時形成於第一電性半導體基材21周緣之第二電性半導體，進而達到絕緣之功效。其中，此絕緣處理係形成環繞該表面之周緣的絕緣部211。

然後，使用化學氣相沉積機台，以化學氣相沉積法(CVD)將抗反射材料沉積於第一電性半導體基材21之上，以形成抗反射層23。其中，抗反射層23係包含第一氧化矽層231以及氮化矽層232，於形成抗反射層23之步驟中，係首先將二氧化矽(SiO₂)、氮氧化矽(SiON)或矽氧化物(SiOx)沉積於第一電性半導體基材21之上表面之上，以形成第一氧化矽層231，之後再將氮化矽(SiNx)沉積於第一氧化矽層231之上，以形成氮化矽層232。

接著再分別設置第一電極25與第二電極26於抗反射層23之上與第一電性半導體基材21之下表面之上。其中，第一電極25與第二電極26之設置係首先藉由電極網印(Screen Printing)處理，使用網印機在本發明之電容式太陽能電池2正反面印上銀膠，鋁膠等材料並經預烤乾燥，以做為電極(25及26)之用。然後再利用電極燒結(Firing)處理，使用紅外線燒結爐(IR Furnace)，將上面印好的銀膠、鋁膠等，以約800至900度高溫快速的熱處理使其固化且穿透抗反射層23，並與第一電性半導體基材21做良好的結合。

最後再沉積金屬層24於第一電性半導體基材21之下表面之上，且不覆蓋於第二電極26。其中，當第一電性半導體基材21為P型基材時，此金屬層24係包含P+型金屬，因此可進一步提升電池轉換效率。

換言之，製造廠商於製造本發明之電容式太陽能電池2時，係首先執行織構化(Texturization)製程，將第一電性半導體基材21(如P型半導體基材)之上表面織構化(Texturization)以形成複數條紋理。接著再執行磷擴散(Diffusion)製程，將磷擴散至第一電性半導體基材21內部，以形成第二電性半導體層22(如N型半導體層)，然後再執行化學或雷射絕緣處理第二電性半導體層22之周緣，以形成絕緣部211。接著再以化學氣相沉積法，依序沉積第一氧化矽層231及氮化矽層232於第二電性半導體層22上，然後分別設置第一電極25及第二電極26於抗反射層23之上及第一電性半導體基材21之下表面上，以及沉積金屬層24於第一電性半導體基材21之下表面上。

值得一提的是，由於本發明之電容式太陽能電池2相較於習知太陽能電池1係具有雙層結構之抗反射層23，由於抗反射層23之中的第一氧化矽層231具介電質性質，因此當太陽能電池中之電子吸收外界能量而成為自由電子，且往第二電性半導體層22方向移動時，自由電子可較為穩定地儲存於第一氧化矽層231中，使得自由電子較不易因摩擦、碰撞或半導體層及抗反射層之缺陷而損失能量而與電洞復合，進而提高電子存活率及電池轉換效率。

請參閱第3圖，其係為本發明之電容式太陽能電池之第二實施例之橫切面圖。於此實施例中，與第2圖之電容式太陽能電池2不同的是，第二實施例之電容式太陽能電池2於第一氧化矽層231及氮化矽層232之上更額外沉積有第二氧化矽層233，以形成具有三層結構之抗反射層23，進而取的更佳的抗反射率及電池轉換率。本實施例中各層之間的配置關係與第一實施例類似，於此便不在贅述。

請進一步參閱第4圖，其係為本發明之電容式太陽能電池與習知太陽能電池之反射率比較圖。由圖中可得知，本發明之電容式太陽能電池2於短波長之反射率明顯較習知太陽能電池1於短波長之反射率低，因此具有雙層結構之抗反射層23之電容式太陽能電池2相較於習知太陽能電池1可增加太陽能之使用率，進而提高電池轉換效率。

請進一步參閱表1，其係為本發明之電容式太陽能電池與習知太陽能電池之實驗數據比較表。由表中可得知，本發明之電容式太陽能電池2之平均開路電壓(VOC)相較於習知太陽能電池1之平均開路電壓較接近於理想開路電壓0.7，並且本發明之電容式太陽能電池2之平均短路電流(ISC)亦較習知太陽能電池高1，而本發明之電容式太陽能電池2之串連電阻(RS)則較習知太陽能電池1為低。此外，本發明之電容式太陽能電池2之平均轉換效率為17.765%，其較習知太陽能電池1之平均轉換效率 17.389%高。因此，設置具有第一氧化矽層231及氮化矽層232之雙層結構的抗反射層23於太陽能電池上，可具有較好的電池轉換效率。

請進一步參閱第5圖，其係分別為習知太陽能電池及本發明之電容式太陽能電池之等效電路圖。如第4(a)圖所示，習知太陽能電池1之等效電路符號可表示為二極體3之型式，然而本發明之電容式太陽能電池2之等效電路符號係可表示為第4(b)圖中之虛線內之二極體4及串接於二極體4右方(亦即電流之流向)之電容5之型式。由此可知，本發明之電容式太陽能電池與習知太陽能電池之結構係不相同。

請參閱第6圖，其係為電容式太陽能電池之製造方法之流程圖。如圖所示，本發明之電容式太陽能電池之製造方法包含下列步驟：(S1)提供第一電性半導體基材；(S2)藉由化學蝕刻處理第一電性半導體基材之上表面，以形成複數條紋理；(S3)形成第二電性半導體層於第一電性半導體基材之內部且靠近第一電性半導體基材之上表面處； (S4)藉由化學蝕刻或雷射切除第一電性半導體基材之上表面之周緣的一部分，以形成絕緣部；(S5)形成抗反射層於第一電性半導體基材之上表面之上；(S6)形成第一電極於抗反射層之上；(S7)形成第二電極於第一電性半導體基材之下表面之上；以及(S8)形成金屬層於第一電性半導體基材之下表面之上，且第二電極係位於金屬層之上，並穿設金屬層以連通至第一電性半導體基材。

本發明之電容式太陽能電池之製造方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本發明之電容式太陽能電池時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本發明之電容式太陽能電池可藉由額外設置具有第一氧化矽層以及氮化矽層之雙層結構的抗反射層於N型半導體層之上，使得自由電子由P型半導體基材往N型半導體層方向移動時，可較穩定地儲存於第一氧化矽層之中，以減少自由電子因摩擦、碰撞或半導體層之缺陷而損失能量而與電洞復合的機會，進而提高電子存活率及增加電池轉換效率。此外，本發明之電容式太陽能電池之抗反射層之層狀結構亦可設計為三層結構，係於氮化矽層上再沉積一層第二氧化矽層，以取得更佳地抗反射率及電池轉換效率。

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。

2‧‧‧電容式太陽能電池

21‧‧‧第一電性半導體基材

211‧‧‧絕緣部

22‧‧‧第二電性半導體層

23‧‧‧抗反射層

231‧‧‧第一氧化矽層

232‧‧‧氮化矽層

24‧‧‧金屬層

25‧‧‧第一電極

26‧‧‧第二電極

Claims

一種電容式太陽能電池，其包含：一第一電性半導體基材；一第二電性半導體層，係位於該第一電性半導體基材之內部且靠近該第一電性半導體基材之一上表面處；一抗反射層，其包含一第一氧化矽層、氮化矽層及一第二氧化矽層，該抗反射層係位於該第一電性半導體基材之該上表面之上，且該第一氧化矽層係連接該第二電性半導體層相對該第一電性半導體基材之一面上，該氮化矽層係連接於該第一氧化矽層相對該第二電性半導體層之一面上，該第二氧化矽層則連接於該氮化矽層相對該第一氧化矽層之一面上；一第一電極，係位於該抗反射層之上；以及一第二電極，係位於該第一電性半導體基材之一下表面之上。
如申請專利範圍第1項所述之電容式太陽能電池，其中該第一電性半導體基材之該上表面係經由化學蝕刻以形成複數條紋理。
如申請專利範圍第1項所述之電容式太陽能電池，其中該第一電性半導體基材之該上表面之周緣的一部份係經由化學蝕刻或雷射切除以形成一絕緣部。
如申請專利範圍第1項所述之電容式太陽能電池，其更包含一金屬層，係位於該第一電性半導體基材之該下表面之上，且該第二電極係位於該金屬層之上，並穿設該金屬層以連通至該第一電性半導體基材。
一種電容式太陽能電池之製造方法，其包含下列步驟：提供一第一電性半導體基材；形成一第二電性半導體層於該第一電性半導體基材之內部且靠近該第一電性半導體基材之一上表面處；形成一抗反射層於該第一電性半導體基材之該上表面之上；形成一第一電極於該抗反射層之上；以及形成一第二電極於該第一電性半導體基材之一下表面之上；其中，該抗反射層包含一第一氧化矽層、一氮化矽層及一第二氧化矽層，該抗反射層係位於該第一電性半導體基材之該上表面之上，且該第一氧化矽層係連接該第二電性半導體層相對該第一電性半導體基材之一面上，該氮化矽層係連接於該第一氧化矽層相對該第二電性半導體層之一面上，該第二氧化矽層則係連接於該氮化矽層相對該第一氧化矽層之一面上。
如申請專利範圍第5項所述之電容式太陽能電池之製造方法，其中該抗反射層係包含一第一氧化矽層及氮化矽層，該方法更包含下列步驟：形成該第一氧化矽層於該第二電性半導體層之上，再形成該氮化矽層於該第一氧化矽層之上。
如申請專利範圍第6項所述之電容式太陽能電池之製造方法，其更包含下列步驟：藉由化學蝕刻處理該第一電性半導體基材之該上表面，以形成複數條紋理；以及藉由化學蝕刻或雷射切除該第一電性半導體基材之該上表面之周緣的一部分，以形成一絕緣部。
如申請專利範圍第6項所述之電容式太陽能電池之製造方法，其更包含下列步驟：形成一金屬層於該第一電性半導體基材之該下表面之上，且該第二電極係設置於該金屬層之上，並穿設該金屬以連通至該第一電性半導體基材。