TWI580058B - 太陽能電池 - Google Patents

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Description

太陽能電池
本揭露是有關於一種太陽能電池。
對於一般常見的穿隧型太陽能電池來說，在製造過程中，通常會在矽晶片的一側成長氧化矽層來作為穿隧層。然而，此氧化矽層並無法具有良好的鈍化特性，因此需進行高溫退火製程來提高鈍化品質。
上述的高溫退火製程通常在爐管中進行。在高溫的狀態下，上述的氧化矽層會增生而導致其厚度超過2 nm。如此一來，矽晶片內的載子便無法經由穿隧機制而自由傳輸。因此，在進行退火製程前，可於氧化矽層上形成一層經摻雜的非晶矽層來避免氧化矽層增生。然而，在退火製程中，經摻雜的非晶矽層會轉變成經摻雜的多晶矽層，且同時產生穿透經摻雜的多晶矽層與氧化矽層的孔洞。這些孔洞的產生會使得氧化矽層的鈍化能力大幅下降。此外，由於多晶矽的能隙與單晶矽的能隙都接近1.1 eV，因此並不利於鈍化矽晶片的表面缺陷，因而無法有效地提升太陽能電池的開路電壓（Voc）。
本揭露提供一種太陽能電池，其具有較高的開路電壓。
本揭露的太陽能電池包括矽基板、射極、第一電極、摻雜區、鈍化層、經摻雜的多晶矽層、半導體層以及第二電極。矽基板具有彼此相對的第一表面與第二表面。射極配置於所述第一表面上。第一電極配置於所述射極上。摻雜區配置於所述第二表面中。鈍化層配置於所述第二表面上。經摻雜的多晶矽層配置於所述鈍化層上，其中所述經摻雜的多晶矽層與鈍化層中具有孔洞，且所述孔洞暴露出部分所述第二表面。半導體層配置於所述經摻雜的多晶矽層上以及所述孔洞中，其中所述半導體層的能隙大於所述矽基板的能隙。第二電極配置於所述半導體層上。
本揭露的太陽能電池包括第一導電類型的矽基板、第一導電類型的第一摻雜區、第一鈍化層、第一導電類型的第一經摻雜的多晶矽層、第一透明導電層、第一電極、第二導電類型的第二摻雜區、第二鈍化層、第二導電類型的第二經摻雜的多晶矽層、半導體層以及第二電極。第一導電類型的矽基板具有彼此相對的第一表面與第二表面。第一導電類型的第一摻雜區配置於所述第一表面中。第一鈍化層配置於所述第一表面上。第一導電類型的第一經摻雜的多晶矽層配置於所述第一鈍化層上，其中所述第一經摻雜的多晶矽層與第一鈍化層中具有第一孔洞，且所述第一孔洞暴露出部分所述第一表面。第一透明導電層配置於所述第一經摻雜的多晶矽層上以及所述第一孔洞中。第一電極配置於所述第一透明導電層上。第二導電類型的第二摻雜區配置於所述第二表面中。第二鈍化層配置於所述第二表面上。第二導電類型的第二經摻雜的多晶矽層配置於所述第二鈍化層上，其中所述第二經摻雜的多晶矽層與第二鈍化層中具有第二孔洞，且所述第二孔洞暴露出部分所述第二表面。半導體層配置於所述第二經摻雜的多晶矽層上以及所述第二孔洞中，其中所述半導體層的能隙大於所述矽基板的能隙。第二電極配置於所述半導體層上。
基於上述，在本揭露中，由於經摻雜的多晶矽層上以及孔洞中具有能隙大於矽基板的能隙的半導體層，因此能夠有效地建立位能障礙來阻止載子的復合，且可以有效地鈍化經摻雜的多晶矽層的表面以及孔洞所暴露的矽基板的表面。如此一來，可以有效地提高太陽能電池的開路電壓，以提升太陽能電池的效能。
為讓本揭露的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至圖1D為依據本揭露實施例的太陽能電池的製造流程剖面示意圖。首先，請參照圖1A，提供矽基板100。矽基板100例如是矽晶片。矽基板100具有彼此相對的第一表面100a與第二表面100b。在本實施例中，在進行後續製程之前，可先對矽基板100進行清洗處理。上述的清洗處理例如是使用鹽酸及雙氧水混合液（HPM）來進行。
然後，於第二表面100b上形成鈍化層102。鈍化層102例如是氧化矽層，其形成方法例如是對第二表面100b進行氧化處理。鈍化層102的厚度例如是介於1 nm至3 nm之間。鈍化層102用以鈍化第二表面100b的缺陷，以降低載子復合的機會。接著，於鈍化層102上形成經摻雜的非晶矽層104。經摻雜的非晶矽層104的形成方法例如是進行化學氣相沉積製程。經摻雜的非晶矽層104的厚度例如是介於15 nm至300 nm之間。經摻雜的非晶矽層104可用以避免鈍化層102在後續的退火處理中增生而導致厚度過厚，因而影響載子的傳輸。
然後，請參照圖1B，進行退火處理，使經摻雜的非晶矽層104轉變為經摻雜的多晶矽層106。經摻雜的多晶矽層106在太陽能電池的運作過程中可產生背電場，以降低少數載子位於矽晶片100的表面處的數量。此外，由於鈍化層102上預先形成有經摻雜的非晶矽層104，因此在退火的過程中可有效地避免鈍化層102增生，進而避免載子因鈍化層102的厚度過厚而無法傳輸的問題。在進行退火處理之後，除了使經摻雜的非晶矽層104轉變為經摻雜的多晶矽層106之外，經摻雜的非晶矽層104中的摻質也會擴散穿過經摻雜的非晶矽層104與鈍化層102而進入矽基板100的第二表面100b中，形成摻雜區108。此時，經摻雜的多晶矽層106與鈍化層102中會形成有因退火而造成的孔洞110，且孔洞110所暴露的第二表面100b處會形成有因退火而造成的表面缺陷。孔洞110的孔徑例如不超過200 μm。在圖1B中，孔洞110的數量僅為示意之用，並不用以限定本揭露。
接著，請參照圖1C，於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中形成半導體層112。半導體層112的形成方法例如是進行化學氣相沉積製程。重要的是，半導體層112的能隙必須大於矽基板100的能隙。詳細地說，半導體層112可以是經摻雜的非晶矽、經摻雜的碳化矽、氮化矽或氧化矽，或者半導體層112可以是未經摻雜的非晶矽層。在半導體層112為經摻雜的非晶矽、經摻雜的碳化矽、氮化矽或氧化矽的情況下，半導體層112例如介於5 nm至50 nm之間。在半導體層112為未經摻雜的非晶矽層的情況下，由於未經摻雜的非晶矽層的阻值較經摻雜的非晶矽層的阻值高，因此未經摻雜的非晶矽層的厚度需較薄，例如小於10 nm。一般來說，矽基板100的能隙約為1.1 eV，因此半導體層112的能隙較佳為大於1.1 eV。
由於半導體層112的能隙大於矽基板100的能隙，因此能夠有效地建立位能障礙來阻止載子的復合。此外，由於半導體層112形成於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中，因此可以有效地鈍化經摻雜的多晶矽層106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b，以降低經摻雜的多晶矽層106與及孔洞110所暴露的第二表面100b的表面缺陷所帶來的問題。如此一來，可以有效地提高所形成的太陽能電池的開路電壓，以提升太陽能電池的效能。
之後，請參照圖1D，於矽基板100的第一表面100a上形成射極114。射極114的材料例如為非晶矽，其形成方法例如是進行化學氣相沉積製程。在一實施例中，射極114可以是由未經摻雜的非晶矽層與經摻雜的非晶矽層所構成。特別一提的是，在上述經摻雜的各膜層中，矽晶片100、摻雜區108、經摻雜的多晶矽層106以及半導體層112（在經摻雜的情況下）皆為第一導電類型，而射極114則為與上述膜層相反的第二導電類型。舉例來說，第一導電類型可為n型，而第二導電類型則為p型。反之，第一導電類型可為p型，而第二導電類型則為n型。
接著，選擇性地於半導體層112與射極114上分別形成透明導電層116、118。透明導電層116、118的材料例如是氧化銦錫（indium tin oxide），其形成方法例如是進行物理氣相沉積製程。透明導電層116、118的厚度例如是介於50 nm至150 nm之間。之後，於透明導電層116上形成電極120，以及於透明導電層118上形成電極122，以完成本實施例的太陽能電池10的製造。
依據本揭露一實施例之太陽能電池如圖2所示。在本實施例中，與圖1D中相同的元件將採用相同的元件符號。請參照圖2，太陽能電池20包括矽基板100、鈍化層102、經摻雜的多晶矽層106、摻雜區108、半導體層112、射極114、電極120以及電極122。射極114配置於矽基板100的第一表面100a上。電極122配置於射極114上。摻雜區108配置於矽基板100的第二表面100b中。鈍化層102配置於第二表面100b上。經摻雜的多晶矽層106配置於鈍化層102上。經摻雜的多晶矽層106與鈍化層102中具有孔洞110。孔洞110暴露出部分第二表面100b。半導體層112配置於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中。電極120配置於半導體層112上。上述各元件的材料與尺寸已於前文所描述，於此不再另行說明。
在太陽能電池20中，半導體層112的能隙大於矽基板100的能隙，因此可以有效地建立位能障礙來阻止載子的復合。此外，由於半導體層112配置於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中，因此可以有效地鈍化經摻雜的多晶矽層106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b。如此一來，可以有效地提高所形成的太陽能電池20的開路電壓，以提升太陽能電池20的效能。
此外，在另一實施例中，電極122與射極114之間可配置有透明導電層（未繪示），而電極120與半導體層112之間可配置有透明導電層(未繪示)，以進一步太陽能電池的降低電阻值。上述太陽能電池例如為圖1D中的太陽能電池10。
以下將以實驗例來說明本揭露的太陽能電池所帶來的效果。在實驗例中，將以太陽能電池10的結構為例進行說明。
太陽能電池的製造 使用HPM（H 2O：HCl：H 2O 2= 5：1：1）清洗n型矽晶片15分鐘； 使用紫外光照射n型矽晶片5分鐘，以於n型矽晶片的一個表面上成長二氧化矽鈍化層； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，於鈍化層上形成厚度為15 nm至30 nm的n型非晶矽層； 進行爐管退火（850°C）30分鐘，以將n型非晶矽層轉變為n型多晶矽層，且使n型摻質擴散進入n型矽晶片中而形成n型摻雜區，並同時於n型多晶矽層與鈍化層中形成孔洞； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，以於n型多晶矽層上以及孔洞中形成n型非晶矽層； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，以於n型矽晶片的另一個表面上形成未經摻雜的非晶矽層與p型非晶矽層而形成射極； 進行物理氣相沉積製程，以於n型非晶矽層與射極上形成透明導電層； 於n型矽晶片的二側處的透明導電層上分別形成電極。
將以上述製造流程所形成的本揭露的太陽能電池（透明導電層與n型多晶矽層之間具有n型非晶矽層）與一般太陽能電池（透明導電層與n型多晶矽層之間不具有n型非晶矽層）進行開路電壓的測試，本揭露的太陽能電池的開路電壓為693 mV，其明顯高於一般太陽能電池的開路電壓（675 mV）。由此可推知，在本揭露的太陽能電池中，由於透明導電層與n型多晶矽層之間具有n型非晶矽層（其能隙大於n型矽晶片的能隙），因此可以提高鈍化效果，進而提高了太陽能電池的開路電壓。
在以上實施例中，矽基板的一側具有鈍化層與經摻雜的多晶矽層，而矽基板的另一側具有射極，但本發明不限於此。在其他實施例中，也可以是矽基板的二側皆具有鈍化層與經摻雜的多晶矽層。
圖3為依據本揭露實施例的太陽能電池的剖面示意圖。在本實施例中，於圖2相同的元件將以相同的元件符號表示，且這些元件的材料與尺寸已於前文所描述，於此不再另行說明。
請參照圖3，太陽能電池30包括矽基板100、鈍化層102、經摻雜的多晶矽層106、摻雜區108、半導體層112、電極120、電極122、鈍化層302、經摻雜的多晶矽層306、摻雜區308以及透明導電層318。在本實施例中，矽基板100、經摻雜的多晶矽層306、摻雜區308為第一導電類型，而經摻雜的多晶矽層106、摻雜區108以及半導體層112（在經摻雜的情況下）為第二導電類型。
摻雜區108配置於矽基板100的第二表面100b中。鈍化層102配置於第二表面100b上。經摻雜的多晶矽層106配置於鈍化層102上。經摻雜的多晶矽層106與鈍化層102中具有孔洞110。孔洞110暴露出部分第二表面100b。半導體層112配置於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中。電極120配置於半導體層112上。
摻雜區308配置於第一表面100a中。鈍化層302配置於第一表面100a上。鈍化層302與鈍化層102具有相同或相似的材料與厚度。經摻雜的多晶矽層306配置於鈍化層302上。經摻雜的多晶矽層306的厚度例如是介於15 nm至300 nm之間。經摻雜的多晶矽層306與鈍化層302中具有孔洞310，且孔洞310暴露出部分第一表面100a。孔洞310的孔徑例如不超過200 μm。透明導電層318配置於經摻雜的多晶矽層306上以及孔洞310中。透明導電層318的厚度例如是介於50 nm至150 nm之間。電極122配置於透明導電層318上。
在太陽能電池30中，半導體層112的能隙大於矽基板100的能隙，因此可以有效地建立位能障礙來阻止載子的復合。此外，由於半導體層112配置於經摻雜的多晶矽層106上以及孔洞110中，因此可以有效地鈍化經摻雜的多晶矽層106的表面以及孔洞110所暴露的第二表面100b。如此一來，可以有效地提高所形成的太陽能電池30的開路電壓，以提升太陽能電池30的效能。
此外，在另一實施例中，與太陽能電池10相似，電極120與半導體層112之間可配置有透明導電層，以進一步太陽能電池的降低電阻值。
以下將以實驗例來說明本揭露的太陽能電池所帶來的效果。在實驗例中，將以類似於太陽能電池30的結構（電極120與半導體層112之間配置有透明導電層）為例進行說明。
太陽能電池的製造 使用HPM（H 2O：HCl：H 2O 2= 5：1：1）清洗n型矽晶片15分鐘； 使用紫外光照射n型矽晶片5分鐘，以於n型矽晶片的一個表面上成長二氧化矽鈍化層； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，於鈍化層上形成厚度為15 nm至30 nm的n型非晶矽層； 將所得的結構浸泡於1%的HF溶液中1分鐘； 使用紫外光照射n型矽晶片5分鐘，以於n型矽晶片的另一個表面上成長二氧化矽鈍化層； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，於上述鈍化層上形成厚度為15 nm至30 nm的p型非晶矽層； 進行爐管退火（850°C）30分鐘，以將p型非晶矽層與n型非晶矽層分別轉變為p型多晶矽層與n型多晶矽層，且使p型摻質擴散與n型摻質分別擴散進入n型矽晶片中而形成p型摻雜區與n型摻雜區，並同時於為p型多晶矽層、n型多晶矽層與二個鈍化層中形成孔洞； 將所得的結構浸泡於1%的HF溶液中1分鐘； 進行電漿輔助化學氣相沉積製程，以於p型多晶矽層上以及孔洞中形成p型非晶矽層； 進行物理氣相沉積製程，以於p型非晶矽層與n型多晶矽層上形成透明導電層； 於n型矽晶片的二側處的透明導電層上分別形成電極。
將以上述製造流程所形成的本揭露的太陽能電池（透明導電層與p型多晶矽層之間具有p型非晶矽層）與一般太陽能電池（透明導電層與p型多晶矽層之間不具有p型非晶矽層）進行開路電壓的測試，本揭露的太陽能電池的開路電壓為673 mV，其明顯高於一般太陽能電池的開路電壓（650 mV）。由此可推知，在本揭露的太陽能電池中，由於透明導電層與p型多晶矽層之間具有p型非晶矽層（其能隙大於n型矽晶片的能隙），因此可以提高鈍化效果，進而提高了太陽能電池的開路電壓。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30‧‧‧太陽能電池 100‧‧‧矽基板 100a‧‧‧第一表面 100b‧‧‧第二表面 102、302‧‧‧鈍化層 104‧‧‧經摻雜的非晶矽層 106、306‧‧‧經摻雜的多晶矽層 108、308‧‧‧摻雜區 110、310‧‧‧孔洞 112‧‧‧半導體層 114‧‧‧射極 116、118、318‧‧‧透明導電層 120、122‧‧‧電極
圖1A至圖1D為依據本揭露實施例的太陽能電池的製造流程剖面示意圖。 圖2為依據本揭露實施例的太陽能電池的剖面示意圖。 圖3為依據本揭露實施例的太陽能電池的剖面示意圖。
20‧‧‧太陽能電池
100‧‧‧矽基板
100a‧‧‧第一表面
100b‧‧‧第二表面
102‧‧‧鈍化層
106‧‧‧經摻雜的多晶矽層
108‧‧‧摻雜區
110‧‧‧孔洞
112‧‧‧半導體層
114‧‧‧射極
120、122‧‧‧電極

Claims (17)

  1. 一種太陽能電池，包括： 矽基板，具有彼此相對的第一表面與第二表面； 射極，配置於所述第一表面上； 第一電極，配置於所述射極上； 摻雜區，配置於所述第二表面中； 鈍化層，配置於所述第二表面上； 經摻雜的多晶矽層，配置於所述鈍化層上，其中所述經摻雜的多晶矽層與鈍化層中具有孔洞，且所述孔洞暴露出部分所述第二表面； 半導體層，配置於所述經摻雜的多晶矽層上以及所述孔洞中，其中所述半導體層的能隙大於所述矽基板的能隙；以及 第二電極，配置於所述半導體層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的材料為經摻雜的非晶矽、經摻雜的碳化矽、氮化矽或氧化矽。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的厚度介於5 nm至50 nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的材料為未經摻雜的非晶矽。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的厚度小於10 nm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，更包括透明導電層，配置於所述第一電極與所述射極之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，更包括透明導電層，配置於所述第二電極與所述半導體層之間。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的太陽能電池，其中所述孔洞的孔徑不超過200 μm。
  9. 一種太陽能電池，包括： 第一導電類型的矽基板，具有彼此相對的第一表面與第二表面； 第一導電類型的第一摻雜區，配置於所述第一表面中； 第一鈍化層，配置於所述第一表面上； 第一導電類型的第一經摻雜的多晶矽層，配置於所述第一鈍化層上，其中所述第一經摻雜的多晶矽層與第一鈍化層中具有第一孔洞，且所述第一孔洞暴露出部分所述第一表面； 第一透明導電層，配置於所述第一經摻雜的多晶矽層上以及所述第一孔洞中； 第一電極，配置於所述第一透明導電層上； 第二導電類型的第二摻雜區，配置於所述第二表面中； 第二鈍化層，配置於所述第二表面上； 第二導電類型的第二經摻雜的多晶矽層，配置於所述第二鈍化層上，其中所述第二經摻雜的多晶矽層與第二鈍化層中具有第二孔洞，且所述第二孔洞暴露出部分所述第二表面； 半導體層，配置於所述第二經摻雜的多晶矽層上以及所述第二孔洞中，其中所述半導體層的能隙大於所述矽基板的能隙；以及 第二電極，配置於所述半導體層上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述之第一導電類型為n型，第二導電類型為p型。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的材料為經摻雜的非晶矽、經摻雜的碳化矽、氮化矽或氧化矽。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的厚度介於5 nm至50 nm之間。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的材料為未經摻雜的非晶矽。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的太陽能電池，其中所述半導體層的厚度小於10 nm。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，更包括第二透明導電層，配置於所述第二電極與所述半導體層之間。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述第一孔洞的孔徑不超過200 μm。
  17. 如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池，其中所述第二孔洞的孔徑不超過200 μm。
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