TWI733970B

TWI733970B - 太陽能電池及其操作方法

Info

Publication number: TWI733970B
Application number: TW106145578A
Authority: TW
Inventors: 林宸澂; 林昭正; 陳俊亨; 許世朋; 陳松裕
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-07-21
Also published as: TW201929250A

Abstract

一種太陽能電池及其操作方法，所述太陽能電池包括一矽基板、一正面電極、一電荷儲存層、一鈍化層、一背面電極與一加壓電極。正面電極位於矽基板的正面，電荷儲存層位於矽基板的背面並露出部份矽基板，而鈍化層位於電荷儲存層與矽基板的背面之間並露出上述部份矽基板。背面電極則設置在上述露出部份矽基板上並與矽基板的背面接觸。加壓電極位於電荷儲存層上且不與背面電極接觸。

Description

太陽能電池及其操作方法

本發明是有關於一種太陽能電池(solar cell)技術，且特別是有關於一種太陽能電池及其操作方法。

太陽能是一種具有永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺的問題時，一直是最受矚目的焦點。太陽能電池可直接將太陽能轉換為電能，而成為目前相當重要的研究課題。

傳統鈍化接觸式太陽能電池具有表面鈍化結構，然而在鈍化結構開孔（露出部份矽基板）的過程會對周圍材料造成損傷，因此會增加金屬電極接觸區域的複合，導致太陽能電池之填充因子的損失。

因此，需要尋求一種既可降低金屬接觸區域的複合還能提升電池整體效率的鈍化接觸太陽能電池。

本發明提供一種太陽能電池，能減少開孔（露出部份矽基板）的面積、降低表面複合，並利用電荷儲存層以及氧化層來增加元件電荷量，提升整體電池效率。

本發明另提供一種太陽能電池的操作方法，係於太陽能電池運作前所施加的一外部電壓程序，藉以使引入的電荷儲存於電荷儲存層，以提升整體電池效率。

本發明的太陽能電池包括一矽基板、一正面電極、一電荷儲存層、一鈍化層、一背面電極與一加壓電極。正面電極位於矽基板的正面，電荷儲存層位於矽基板的背面並露出部份的矽基板，而鈍化層位於電荷儲存層與矽基板的背面之間，並露出上述部份的矽基板。背面電極則設置在露出的部份的矽基板上並與矽基板的背面接觸。加壓電極位於電荷儲存層上且不與背面電極接觸。

在本發明的一實施例中，上述電荷儲存層包括SiN_x 、AlO_y 或HfO_z ，且0＜x≦4/3、0＜y＜3/2、0＜z≦2。

在本發明的一實施例中，上述電荷儲存層的厚度例如在50nm~200nm之間。

在本發明的一實施例中，上述鈍化層包括Al₂ O₃ 、SiO_x N_y 、SiO₂ 或其組合，且0＜x≦1、0＜y≦1。

在本發明的一實施例中，上述鈍化層的厚度例如在5nm~50nm之間。

在本發明的一實施例中，上述加壓電極的寬度例如在50µm~1450µm之間。

在本發明的一實施例中，上述鈍化層的開孔面積佔比在50%以下。

在本發明的一實施例中，上述背面電極與加壓電極為金屬電極。

在本發明的一實施例中，上述背面電極還可延伸至電荷儲存層的部分表面。

本發明的上述太陽能電池的操作方法，包括對上述加壓電極施加一外部電壓，使電荷儲存層捕捉太陽能電池的內部電荷。

在本發明的另一實施例中，上述外部電壓例如3V~20V。

基於上述，本發明藉由特定的電荷儲存層及電極結構設計，來提升元件內部電荷捕捉數量，且改善電極結構來提升元件整體效率。

為讓本發明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。

請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本發明，但是本發明仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池的剖面示意圖。

請參照圖1A，第一實施例的太陽能電池至少包括一矽基板100、一正面電極102、一電荷儲存層104、一鈍化層106、一背面電極108與一加壓電極110。矽基板100具有正面100a和背面100b，正面電極102即位於矽基板100的正面100a，且矽基板100若為p型基板，則其正面100a內會有n+擴散層112，其中矽基板100的p型摻質可以選自元素週期表中的第三族元素，例如硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等等；n+擴散層112的n型摻質可以選自元素週期表中的第五族元素，例如磷(P)、砷(As)或是銻(Sb)等等。當光自正面100a入射後，於矽基板100內的pn半導體接面產生電子電洞對，並因pn半導體接面由n指向p的內建電場，而使電子將會受電場作用而移動至n+擴散層112，電洞則移動至p型的矽基板100，因此在兩側累積電荷，若以導線連接，則可產生電流。另外，在矽基板100的正面100a還可設有抗反射層114，以防止光線反射，其中抗反射層114例如氧化钛、氧化铝或是氮化矽，且於抗反射層114與矽基板100的正面100a之間還可加設一層薄氧化層(未繪示)，以加強於抗反射層114與矽基板100之間的結合。

在圖1A中，電荷儲存層104是位於矽基板100的背面100b並露出部份的矽基板100，而鈍化層106則位於電荷儲存層104與矽基板100的背面100b之間也是露出部份的矽基板100。電荷儲存層104例如SiN_x 、AlO_y 或HfO_z ，且0＜x≦4/3、0＜y＜3/2、0＜z≦2。而且電荷儲存層104的厚度不超過200nm，例如在50nm~200nm之間。鈍化層106例如Al₂ O₃ 、SiO_x N_y (0＜x≦1、0＜y≦1)、SiO₂ 或其組合，因此鈍化層106可為單一層或多層結構，如SiO₂ 層與Al₂ O₃ 層的雙層結構，但本發明並不限於此。鈍化層106也可與電荷儲存層104採用相同的材料，但組成比例略有不同，例如鈍化層106為Al₂ O₃ 而電荷儲存層104是AlO_y (0＜y＜3/2)。鈍化層106的厚度約數十奈米，例如在5nm~50nm之間。至於背面電極108則設置在露出的部份的矽基板100上並與矽基板100的背面100b接觸。在本實施例中，為讓鈍化層106(電荷儲存層104)可達到降低表面複合的效果，因此鈍化層106(電荷儲存層104)愈大面積愈好，但是也不能太大必須要保留出背面電極108的位置，因此露出部份的矽基板100的面積則稱為「開孔面積佔比」，在一實施例中鈍化層106的開孔面積佔比（指的是露出部分矽基板的面積）約為50%以下。

加壓電極110則是位於電荷儲存層104上且不與背面電極108接觸，加壓電極110也是愈大愈好，因為當加壓電極110覆蓋電荷儲存層104（鈍化層106）的面積愈大，則可將電荷引入電荷儲存層104（鈍化層106）的面積愈大，因此鈍化層106的鈍化效果會愈好。在一實施例中，加壓電極110的寬度W例如在50µm~1450µm之間，可達到降低表面複合的功效。背面電極108與加壓電極110為金屬電極，且可藉由同一道塗佈製程(如網印)形成，所以背面電極108與加壓電極110可為相同的材料，如鋁。

圖1B是第一實施例的另一種太陽能電池的剖面示意圖。

在圖1B中，背面電極116還延伸至電荷儲存層104的部分表面104a，且加壓電極118的寬度較大，所以背面電極116與加壓電極118的間距較圖1A的小。也就是說，本發明的矽基板100的背面100b之各層結構能依照需求作變更，不限於圖1A或者圖1B所示的內容。

圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池的操作示意圖，其中使用的一實施例的元件符號來表示相同的構件，且其詳細內容可參照上述實施例。

請參照圖2，第二實施例的方法是以操作圖1A的太陽能電池為例，其包括對加壓電極施加一外部電壓V，使電荷儲存層104捕捉太陽能電池的內部電荷，其中外部電壓V例如3V~20V。然後，才進行太陽能電池的運作(照光發電)。

以下列舉實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。

〈實驗例〉

製作一個如圖3所示的太陽能電池，其包括正面具有n+擴散區302的矽基板300、SiN_x 抗反射層304、正面銀電極306、1nm厚的SiO₂ 鈍化層308a、20nm厚的Al₂ O₃ 鈍化層308b、70nm厚的SiN_x 電荷儲存層310、20µm厚且360µm寬的背面鋁電極312和20µm厚且460µm寬的加壓鋁電極314。開孔面積佔比約為5.5%。

對圖3的太陽能電池進行太陽能電池轉換效率的測量，其結果顯示於下表1。然後，分別對圖3的太陽能電池之加壓鋁電極314施加5V、6V和7V的電壓後，再度進行太陽能電池轉換效率的測量，其結果亦顯示於下表1。

〈比較例〉

製作一個鈍化射極與背電極太陽能電池(passivated emitter rear cell，PERC)，其與圖3的差別在於太陽能電池背面是具有兩分離的電極，一為引入電荷的電極314、開孔面積佔比為5.5%，如圖3所示。然後，對比較例的太陽能電池進行太陽能電池轉換效率的測量，其結果顯示於下表1。

表1總結了比較例與實驗例在開路電壓(Voc)、短路電流(J sc)、填充因子(FF)以及光電轉換效率(Efficiency，η)的數值。

表1

從上表1可得到，比較例與實驗例之最大差異是在開路電壓上，比較例約為649mV，實驗例則可以增加到660mV以上。短路電流則可以從38.72mA提升到39mA以上。而且，在經過加電壓而使電荷注入後，可以看到開路電壓及填充因子都明顯增加，使得效率可以提升到20.13%，整體效率增加了1.52%，此結果顯示本發明的實驗例在開孔面積佔比縮減的情況下，能透過電荷儲存層有效增加開路電壓及填充因子。

綜上所述，本發明藉由特定的電荷儲存層及電極結構設計，能提升元件內部電荷捕捉數量。而且，若是在太陽能電池運作前，對其進行加電壓的步驟，還能在開孔面積佔比縮減的情況下，提升整體電池開路電壓及效率。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、300‧‧‧矽基板100a‧‧‧正面100b‧‧‧背面102、304‧‧‧正面電極104、310‧‧‧電荷儲存層104a‧‧‧頂面106、308a、308b‧‧‧鈍化層108、116、312‧‧‧背面電極110、118、314‧‧‧加壓電極112、302‧‧‧n+擴散區114、306‧‧‧抗反射層V‧‧‧外部電壓W‧‧‧寬度

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種太陽能電池的剖面示意圖。圖1B是第一實施例的另一種太陽能電池的剖面示意圖。圖2是依照本發明的第二實施例的一種太陽能電池的操作示意圖。圖3是實驗例的太陽能電池的剖面示意圖。

100‧‧‧矽基板

100a‧‧‧正面

100b‧‧‧背面

102‧‧‧正面電極

104‧‧‧電荷儲存層

106‧‧‧鈍化層

108‧‧‧背面電極

110‧‧‧加壓電極

112‧‧‧n+擴散區

114‧‧‧抗反射層

W‧‧‧寬度

Claims

一種太陽能電池，包括：一矽基板，具有一正面和一背面；一正面電極，位於該矽基板的該正面；一電荷儲存層，位於該矽基板的該背面並露出部份的該矽基板，其中該電荷儲存層包括SiN_x、AlO_y或HfO_z，且0<x≦4/3、0<y<3/2、0<z≦2；一鈍化層，位於該電荷儲存層與該矽基板的該背面之間，並露出該部份的該矽基板；一背面電極，設置在露出的該部份的該矽基板上並與該矽基板的該背面接觸；以及一加壓電極，位於該電荷儲存層上且不與該背面電極接觸。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該電荷儲存層的厚度在50nm~200nm之間。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該鈍化層包括Al₂O₃、SiO_xN_y、SiO₂或其組合，且0<x≦1、0<y≦1。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該鈍化層的厚度在5nm~50nm之間。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該加壓電極的寬度在50μm~1450μm之間。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該鈍化層的開孔面積佔比在50%以下。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該背面電極與該加壓電極為金屬電極。
如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該背面電極更包括延伸至該電荷儲存層的部分表面。
一種如申請專利範圍第1~8項中任一項所述的太陽能電池的操作方法，包括：對該加壓電極施加一外部電壓，使該電荷儲存層捕捉該太陽能電池的內部電荷。
如申請專利範圍第9項所述的太陽能電池的操作方法，其中該外部電壓為3V~20V。