TWI497730B - 一種薄膜光伏裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種薄膜光伏裝置及其製造方法，尤其是指一種包含有一鎂合金層的矽薄膜光伏裝置及其製造方法。
近年來溫室效應造成地球暖化已成為世界各國最重視之問題，發展潔淨的能源已是不可避免的趨勢，其中又以太陽能為再生能源技術開發的重點。因為光伏裝置利用光電效應之原理產生電能，由於發電過程中不產生二氧化碳，對於減緩地球溫室效應將會有極大的貢獻。然而半導體、液晶顯示器與太陽光伏產業皆需要使用大量之結晶矽原料，導致結晶矽供應的嚴重短缺，而結晶矽的短缺嚴重影響了結晶矽光伏裝置的發展。因此厚度僅需幾微米的非晶矽薄膜光伏裝置便成為光伏產業大量生產的明日之星。
第1A圖係為先前技術以玻璃作為基板的薄膜光伏裝置的剖面結構示意圖。如第1A圖所示，薄膜光伏裝置1之結構按照在基板上之沉積順序依序包含有：一玻璃基板11、一透明電極層12、一p型半導體層13、一本質半導體層14、一n型半導體層15以及一金屬電極層16。
第1B圖係為先前技術以不鏽鋼作為基板的薄膜光伏裝置的剖面結構示意圖。如第1B圖所示，薄膜光伏裝置10之結構按照在基板上之沉積順序依序包含有：一不鏽鋼基板101、一絕緣層102、一金屬電極層103、一n型半導體層104、一本質半導體層105、一p型半導體層106以及一透明電極層107。
在第1A圖與第1B圖所示之先前技術中，n型半導體層與金屬電極層之間的接觸為蕭特基接觸(Schottky contact)，導致元件具有高阻值而減低效能。因此，如何降低蕭特基接觸而形成電性接觸較良好之歐姆接觸(Ohmic contact)，成為目前薄膜光伏裝置重要的研發方向之一。
另一方面，在製作大面積薄膜光伏裝置的製程技術中，必須運用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)來形成薄膜。如第1A圖與第1B圖所示，基本的薄膜光伏裝置的結構包含p型半導體層、本質半導體層、以及n型半導體層。一般而言，皆以電漿輔助化學氣相沉積的方式來製作此基本的薄膜光伏裝置結構。然而，使用同一製程腔體製作此三層薄膜常會有摻雜氣體交互污染的問題，而導致元件特性的劣化。因為以電漿輔助化學氣相沉積來形成p型半導體層時，會用到B2
H6
氣體，接著要沉積本質半導體層之前，必須先清除沉積腔體內殘留的B2
H6
，否則會污染本質半導體層，增加本質半導體層的結構缺陷，導致電子電洞對的複合機率增加，使元件效率變差。因此，如何在不增加整體元件製程成本的前提下，避免於薄膜製程中摻雜氣體間交互污染的問題，也成為目前薄膜光伏裝置重要的研發方向之一。
綜合上述，因此亟需一種薄膜光伏裝置及其製造方法，藉以解決習知技術的問題。
本發明係提供一種薄膜光伏裝置之結構及其製造方法，尤其是指一種包含有一鎂合金層的矽薄膜光伏裝置及其製造方法。應用該結構可有效增加半導體層與金屬電極層之間的歐姆接觸，藉以改善薄膜光伏裝置之光電特性，並且應用本發明的製造方法，可以避免於化學氣相沉積(CVD)來形成薄膜時摻雜氣體間交互污染的問題。
本發明之薄膜光伏裝置之結構及其製造方法具有下列特性：
1.有效增加半導體層與金屬電極層之間的歐姆接觸，藉以改善薄膜光伏裝置之光電特性；
2.本發明所提供之薄膜光伏裝置，其結構中所包含之鎂合金層亦可以作為背反射層(back reflector)，使經過光吸收層(即本質半導體層)卻未被吸收之電磁輻射被反射而再經過光吸收層，以增加電磁輻射的吸收率；
3.避免化學氣相沉積(CVD)製程中因使用同一製程腔體產生污染，可以有效抑制元件特性劣化問題；
4.於製程中不需使用摻雜氣體，可簡化製程降低元件製作成本。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請參閱第1C圖，其係為J. Kanicki發表於Appl. Phys. Lett. Vol. 53,p1943(1988)之文獻，說明鎂與矽可以形成良好之歐姆接觸(Ohmic contact)。本發明係根據這個原理製作一種薄膜光伏裝置，其係可以有效增加半導體層與金屬電極層之間的歐姆接觸，藉以改善薄膜光伏裝置之光電特性。
第2A圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第一實施例的剖面結構示意圖。在本實施例中，薄膜光伏裝置2係包括：一透明基板21；一透明電極層22，形成於該透明基板21之上；一p型半導體層23，形成於該透明電極層22之上；一本質半導體層24，形成於該p型半導體層23之上；以及一金屬層25，形成於該本質半導體層24之上。
第2B圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第一實施例的製造流程圖，其係包括下列步驟：步驟201：提供一透明之基板；步驟202：以物理氣相沉積(PVD)在該透明基板上沉積一透明電極層；步驟203：以雷射切割該透明電極層形成圖案；步驟204：以物理氣相沉積(PVD)在該透明電極層上沉積一p型半導體層；步驟205：用含氫的電漿處理該p型半導體層以修補其結構缺陷；步驟206：以化學氣相沉積(CVD)在該p型半導體層上沉積一本質半導體層；步驟207：以雷射切割該p型半導體層與本質半導體層形成圖案；步驟208：以物理氣相沉積(PVD)在該本質半導體層上沉積一鎂合金層；步驟209：以雷射切割該鎂合金層形成圖案。
在本實施例中，該透明基板21係可以為玻璃，而該透明電極層22係可以為透明導電氧化物(TCO)，例如氧化鋅、氧化錫或者氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)。
其中，該本質半導體層24係為光吸收層，其可以吸收特定波長範圍之入射電磁輻射並產生電子電洞對，而該p型半導體層23係作為電洞傳導層，可以將所產生的電子電洞對中的電洞傳導至該透明電極層22。在本實施例中，該p型半導體層23與本質半導體層24係可以為含有矽的半導體層。在本實施例中，金屬層25之組成成分係包含鎂，較佳地，該金屬層25係為銅鎂合金。藉由製程中的熱作用使銅鎂合金中的鎂向外擴散，進而形成金屬電極，並與該本質矽半導體層24間形成良好的歐姆電性接觸，以降低習知技術蕭特基接觸所造成的高阻值，提升薄膜光伏裝置2的性能。本發明的主要原理係以銅鎂合金組成的金屬層25取代習知技術中之n型半導體層作為電子傳導層，同時該銅鎂合金金屬層25本身亦具有導電電極的功用可以傳導所產生的電子電洞對中的電子。
另一方面，本實施例的製程係使用物理濺鍍方式沉積p型矽半導體層23以及金屬層25，不需使用摻雜氣體，可以避免以電漿輔助化學氣相沉積形成該本質半導體層24時，因使用同一製程腔體所造成的摻雜氣體間污染問題，進而導致元件特性劣化，影響製程的良率。
第3A圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第二實施例的剖面結構示意圖。在本實施例中，薄膜光伏裝置3係包括：一透明基板31；一金屬層32，形成於該透明基板31之上；一本質半導體層33，形成於該金屬層32之上；一p型半導體層34，形成於該本質半導體層33之上；以及一透明電極層35，形成於該p型半導體層34之上。
第3B圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第二實施例的製造流程圖，其係包括下列步驟：步驟301：提供一透明之基板；步驟302：以物理氣相沉積(PVD)在該透明基板上沉積一鎂合金層；步驟303：以雷射切割該鎂合金層形成圖案。
步驟304：以化學氣相沉積(CVD)在該鎂合金層上沉積一本質半導體層；步驟305：以物理氣相沉積(PVD)在該本質半導體層上沉積一p型半導體層；步驟306：用含氫的電漿處理該p型半導體層以修補其結構缺陷；步驟307：以雷射切割該本質半導體層與p型半導體層形成圖案；步驟308：以物理氣相沉積(PVD)在該p型半導體層上沉積一透明電極層；步驟309：以雷射切割該透明電極層形成圖案。
在本實施例中，該透明基板31係可以為玻璃，而該透明電極層35係可以為透明導電氧化物(TCO)，例如氧化鋅、氧化錫或者氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)。
其中，該本質半導體層33係為光吸收層，其可以吸收特定波長範圍之入射電磁輻射並產生電子電洞對，而該p型半導體層34係作為電洞傳導層，可以將所產生的電子電洞對中的電洞傳導至該透明電極層35。在本實施例中，該p型半導體層34與本質半導體層33係可以為含有矽的半導體層。在本實施例中，金屬層32之組成成分係包含鎂，較佳地，該金屬層32係為銅鎂合金。藉由製程中的熱作用使銅鎂合金中的鎂向外擴散，進而形成金屬電極，並與該本質矽半導體層33間形成良好的歐姆電性接觸，以降低習知技術蕭特基接觸所造成的高阻值，提升薄膜光伏裝置3的性能。本發明的主要原理係以銅鎂合金組成的金屬層32取代習知技術中之n型半導體層作為電子傳導層，同時該銅鎂合金金屬層32本身亦具有導電電極的功用可以傳導所產生的電子電洞對中的電子。
另一方面，本實施例的製程係使用物理濺鍍方式沉積p型矽半導體層34以及金屬層32，不需使用摻雜氣體，可以避免以電漿輔助化學氣相沉積形成該本質半導體層33時，因使用同一製程腔體所造成的摻雜氣體間污染問題，進而導致元件特性劣化，影響製程的良率。
第4A圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第三實施例的剖面結構示意圖。在本實施例中，薄膜光伏裝置4係包括：一不鏽鋼基板41；一絕緣層42，形成於該不鏽鋼基板41之上；一金屬層43，形成於該絕緣層42之上；一本質半導體層44，形成於該金屬層43之上；一p型半導體層45，形成於該本質半導體層44之上；以及一透明電極層46，形成於該p型半導體層45之上。
第4B圖係顯示本發明之薄膜光伏裝置第三實施例的製造流程圖，其係包括下列步驟：步驟401：提供一不鏽鋼基板；步驟402：以物理氣相沉積(PVD)在該不鏽鋼基板上沉積一絕緣層；步驟403：以物理氣相沉積(PVD)在該絕緣層上沉積一鎂合金層；步驟404：以雷射切割該鎂合金層形成圖案。
步驟405：以化學氣相沉積(CVD)在該鎂合金層上沉積一本質半導體層；步驟406：以物理氣相沉積(PVD)在該本質半導體層上沉積一p型半導體層；步驟407：用含氫的電漿處理該p型半導體層以修補其結構缺陷；步驟408：以雷射切割該本質半導體層與p型半導體層形成圖案；步驟409：以物理氣相沉積(PVD)在該p型半導體層上沉積一透明電極層；步驟410：以雷射切割該透明電極層形成圖案。
在本實施例中，該不鏽鋼基板41係可以為可撓式基板，該絕緣層42係可以為二氧化矽(SiO2
)，其係用以電性隔絕該不鏽鋼基板41與金屬層43，而該透明電極層46係可以為透明導電氧化物(TCO)，例如氧化鋅、氧化錫或者氧化铟锡(ITO，Indium tin oxide)。
其中，該本質半導體層44係為光吸收層，其可以吸收特定波長範圍之入射電磁輻射並產生電子電洞對，而該p型半導體層45係作為電洞傳導層，可以將所產生的電子電洞對中的電洞傳導至該透明電極層46。在本實施例中，該p型半導體層45與本質半導體層44係可以為含有矽的半導體層。在本實施例中，金屬層43之組成成分係包含鎂，較佳地，該金屬層43係為銅鎂合金。藉由製程中的熱作用使銅鎂合金中的鎂向外擴散，進而形成金屬電極，並與該本質矽半導體層44間形成良好的歐姆電性接觸，以降低習知技術蕭特基接觸所造成的高阻值，提升薄膜光伏裝置4的性能。本發明的主要原理係以銅鎂合金組成的金屬層43取代習知技術中之n型半導體層作為電子傳導層，同時該銅鎂合金金屬層43本身亦具有導電電極的功用可以傳導所產生的電子電洞對中的電子。
另一方面，本實施例的製程係使用物理濺鍍方式沉積p型矽半導體層45以及金屬層43，不需使用摻雜氣體，可以避免以電漿輔助化學氣相沉積形成該本質半導體層44時，因使用同一製程腔體所造成的摻雜氣體間污染問題，進而導致元件特性劣化，影響製程的良率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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內，當可作些許之更動與潤飾，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。
1．．．薄膜光伏裝置
11．．．玻璃基板
12．．．透明電極層
13．．．p型半導體層
14．．．本質半導體層
15．．．n型半導體層
16．．．金屬電極層
10．．．薄膜光伏裝置
101．．．不鏽鋼基板
102．．．絕緣層
103．．．金屬電極層
104．．．n型半導體層
105．．．本質半導體層
106．．．p型半導體層
107．．．透明電極層
2．．．薄膜光伏裝置
21．．．透明基板
22．．．透明電極層
23．．．p型半導體層
24．．．本質半導體層
25．．．鎂合金層
201、202、203、204、205、206、207、208、209．．．製造步驟
3．．．薄膜光伏裝置
31．．．透明基板
32．．．鎂合金層
33‧‧‧本質半導體層
34‧‧‧p型半導體層
35‧‧‧透明電極層
301、302、303、304、305、306、307、308、309‧‧‧製造步驟
4‧‧‧薄膜光伏裝置
41‧‧‧不鏽鋼基板
42‧‧‧絕緣層
43‧‧‧鎂合金層
44‧‧‧本質半導體層
45‧‧‧p型半導體層
46‧‧‧透明電極層
401、402、403、404、405、406、407、408、409、410‧‧‧製造步驟
第1A圖係為先前技術以玻璃作為基板的薄膜光伏裝置的剖面結構示意圖；
第1B圖係為先前技術以不鏽鋼作為基板的薄膜光伏裝置的剖面結構示意圖；
第1C圖係為J. Kanicki發表於Appl. Phys. Lett. Vol. 53,p1943(1988)之文獻，說明鎂與矽可以形成良好之歐姆接觸；
第2A圖係為本發明之薄膜光伏裝置第一實施例的剖面結構示意圖；
第2B圖係為本發明之薄膜光伏裝置第一實施例的製造流程圖；
第3A圖係為本發明之薄膜光伏裝置第二實施例的剖面結構示意圖；
第3B圖係為本發明之薄膜光伏裝置第二實施例的製造流程圖；
第4A圖係為本發明之薄膜光伏裝置第三實施例的剖面結構示意圖；
第4B圖係為本發明之薄膜光伏裝置第三實施例的製造流程圖。
2．．．薄膜光伏裝置
21．．．透明基板
22．．．透明電極層
23．．．p型半導體層
24．．．本質半導體層
25．．．鎂合金層
Claims (5)
- 一種薄膜光伏裝置，其係包括：一透明基板；一透明電極層，形成於該透明基板之上；一p型半導體層，形成於該透明電極層之上；一本質半導體層，形成於該p型半導體層之上；以及一金屬電極及一歐姆電性接觸，其係由一受熱作用的銅鎂合金所形成於該本質半導體層之上，其中，該金屬電極為上述熱作用使得該銅鎂合金中的鎂向外擴散所形成，且上述熱作用使得該銅鎂合金中的鎂向外擴散而與該本質矽半導體層之間形成該歐姆電性接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜光伏裝置，其中該本質半導體層係為光吸收層，可以吸收特定波長範圍之入射電磁輻射並產生電子電洞對，該p型半導體層係作為電洞傳導層，可以將所產生的電子電洞對中的電洞傳導至該透明電極層。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜光伏裝置，其中該透明基板係為玻璃。
- 如申請專利範圍第1項所述之薄膜光伏裝置，其中該p型半導體層以及本質半導體層係為含有矽的半導體層。
- 一種薄膜光伏裝置的製造方法，其係包括下列步驟：步驟1：提供一透明之基板；步驟2：以物理氣相沉積在該透明基板上沉積一透明電極層；步驟3：以雷射切割該透明電極層形成圖案；步驟4：以物理氣相沉積在該透明電極層上沉積一p型半導 體層；步驟5：用含氫的電漿處理該p型半導體層以修補其結構缺陷；步驟6：以化學氣相沉積在該p型半導體層上沉積一本質半導體層；步驟7：以雷射切割該p型半導體層與本質半導體層形成圖案；步驟8：以物理氣相沉積在該本質半導體層上沉積一銅鎂合金；步驟9：施加熱作用於該銅鎂合金，使得該銅鎂合金中的鎂向外擴散，其中，該銅鎂合金中向外擴散的鎂形成一金屬電極，並與該本質矽半導體層之間形成一歐姆電性接觸；步驟10：以雷射切割該金屬電極形成圖案。
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