TWI753084B - 太陽能電池 - Google Patents

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TWI753084B TW107101354A TW107101354A TWI753084B TW I753084 B TWI753084 B TW I753084B TW 107101354 A TW107101354 A TW 107101354A TW 107101354 A TW107101354 A TW 107101354A TW I753084 B TWI753084 B TW I753084B
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陳俊亨
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Abstract

一種太陽能電池，包括光電轉換層、摻雜層、第一鈍化層、第一透明導電層、正面電極以及背面電極。摻雜層位於光電轉換層的正面。第一鈍化層位於摻雜層上，第一鈍化層具有多個開孔，開孔暴露出部分該摻雜層。第一透明導電層位於第一鈍化層上與開孔中，且經由開孔直接與暴露出的摻雜層接觸，其中開孔的面積與第一透明導電層的面積的比為0.01~0.5。正面電極位於第一透明導電層上。背面電極位於該光電轉換層的背面。

Description

太陽能電池
本發明是有關於一種太陽能電池(solar cell)的技術，且特別是有關於一種異質接面的太陽能電池。
現今開發中的穿隧型太陽能電池如異質接面矽太陽能電池屬於一種高效率太陽能電池，其發電量能大幅提升，以降低發電成本。
以一般的異質接面矽太陽能電池來說，在製造過程中為了導電，會在作為鈍化層的多晶矽表面形成透明導電(transparent conductive oxide layer, TCO)層，但是TCO層的沉積對多晶矽的表面會造成損傷，反而使得鈍化效果降低。因此目前為了避免上述問題，會在多晶矽表面先形成一層緩衝層。然而，形成此緩衝層的設備不同於沉積TCO層的設備，所以會增加設備成本。
因此，需要尋求一種既可降低TCO層沉積時對多晶矽所造成的損傷，還能提升電池整體效率的太陽能電池。
本發明提供一種太陽能電池，具有能兼顧光的吸收與鈍化效果的結構，並能進一步提升其短路電流、開路電壓以及轉換效率。
本發明的太陽能電池，包括一光電轉換層、一摻雜層、一第一鈍化層、一第一透明導電層、一正面電極與一背面電極。摻雜層位於光電轉換層的正面。第一鈍化層位於摻雜層上，第一鈍化層具有多個開孔，開孔暴露出部分摻雜層。第一透明導電層則位於第一鈍化層上與開孔中，且經由開孔直接與暴露出的摻雜層接觸，其中所有開孔的面積與第一透明導電層的面積的比為0.01~0.5。正面電極位於第一透明導電層上，背面電極則位於光電轉換層的背面。
在本發明的一實施例中，上述摻雜層的材料包括摻雜的多晶矽、摻雜的非晶矽或摻雜的單晶矽。
在本發明的一實施例中，上述第一鈍化層的材料包括SiNx 、SiONSiO2 、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 或a-Si，其中x≦4/3。
在本發明的一實施例中，上述第一鈍化層的厚度為10 nm~100 nm之間。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池還可包括一第一穿隧層，位於光電轉換層與摻雜層之間。
在本發明的一實施例中，上述第一穿隧層的材料包括氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或氮化矽。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池還可包括一本質非晶矽層，位於光電轉換層與摻雜層之間。
在本發明的一實施例中，上述正面電極的材料包括金屬。
在本發明的一實施例中，上述背面電極包括一第二透明導電層及一金屬電極，且第二透明導電層位於光電轉換層與金屬電極之間。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池還可包括一第二穿隧層，位於光電轉換層的背面與第二透明導電層之間。
在本發明的一實施例中，上述第二穿隧層的材料包括氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或氮化矽。
在本發明的一實施例中，上述太陽能電池還可包括一第二鈍化層，位於第二穿隧層與第二透明導電層之間。
在本發明的一實施例中，上述第二鈍化層的材料包括SiNx 、SiON、SiO2 、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 或a-Si，其中x≦4/3。
在本發明的一實施例中，上述光電轉換層的材料包括碳化矽（SiC）、矽（Si）、硫化鎘、銅銦鎵二硒、銅銦二硒、碲化鎘或有機材料。
基於上述，本發明藉由具有開孔的鈍化層以及開孔與透明導電層的特定面積比，來提升鈍化效果與增加短路電流，進而提升太陽能電池的整體效率。
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是依照本發明的一實施例的一種太陽能電池的示意圖。
請參照圖1A，本實施例的太陽能電池100至少包括一光電轉換層102、一摻雜層104、一第一鈍化層106、一第一透明導電層108、一正面電極110與一背面電極112。光電轉換層102具有正面102a和背面102b，其中光電轉換層102的材料例如是碳化矽（SiC）、矽（Si）、硫化鎘、銅銦鎵二硒、銅銦二硒、碲化鎘或有機材料。摻雜層104位於光電轉換層102的正面102a，其中摻雜層104的材料例如是摻雜的多晶矽、摻雜的非晶矽或摻雜的單晶矽。摻雜層104所摻雜的元素例如三價的鋁、硼、鎵等；或五價的砷、磷、銻等。
在圖1A中，第一鈍化層106位於摻雜層104上方，而且第一鈍化層106具有多個開孔106a，其中第一鈍化層106的厚度T約數十奈米，例如在10 nm~100 nm之間；在另一實施例中，第一鈍化層106的厚度T在30 nm~55 nm之間。第一鈍化層106的材料例如是SiNx 、SiON、SiO2 、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 或非晶矽(a-Si），其中x≦4/3。而且各個開孔106a暴露出部分摻雜層104。
在本實施例中，第一透明導電(transparent conductive oxide, TCO)層108位於第一鈍化層106上方，其中第一透明導電層108的材料例如是銦錫氧化物(indium tin oxide, ITO)、銦鋅氧化物(indium zinc oxide, IZO)、氧化鋁鋅(Al doped ZnO, AZO)、摻鎵氧化鋅(Ga doped zinc oxide, GZO)、氧化銦(In2 O3 )、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2 )、二氧化錫(SnO2 )或是其他透明導電材料。而且第一透明導電層108穿過各個開孔106a直接與暴露出的摻雜層104接觸。在本實施例中，所有開孔106a的面積與第一透明導電層108的面積比為0.01~0.5，當前述面積比在0.01以上時，能降低沉積第一透明導電層108所使用的電漿對摻雜層104轟擊的傷害；當前述面積比在0.5以下，能確保太陽能電池100的短路電流增加。在本文中，所謂的「面積比」是指開孔106a的面積的總和除以第一透明導電層108的面積。正面電極110位於第一透明導電層108上，其中正面電極110為金屬電極，例如鋁、銀、鉬、金、鉑、鎳或銅等，其可藉由濺鍍製程、電鍍或塗佈製程(如網印)形成。而背面電極112則位於光電轉換層102的背面102b。
請繼續參照圖1A，本實施例是以穿隧太陽能電池為例，因此於光電轉換層102與摻雜層104之間還可具有一第一穿隧層114，其材料例如氧化矽（SiO2 ）、氮氧化矽（SiON）、氧化鋁（Al2 O3 ）或氮化矽（SiN），且摻雜層104為摻雜多晶矽層。然而，本發明並不限於此，如圖1B所示的是本實施例的一種變形例。圖1B與圖1A的結構差異在於，光電轉換層102與摻雜層104之間的是一本質非晶矽層116，且摻雜層104為摻雜非晶矽層，其中摻雜層104所摻雜的元素例如三價的鋁、硼、鎵等；或五價的砷、磷、銻等。也就是說，本發明的光電轉換層102與摻雜層104之間的結構能依照需求作變更，不限於圖1A或者圖1B所示的內容。
請繼續參照圖1A，背面電極112例如第二透明導電層118和金屬電極120的組合，其中第二透明導電層118位於光電轉換層102與金屬電極120之間，第二透明導電層118的材料可以和第一透明導電層108相同或不同，且金屬電極120的材料可和正面電極112相同或不同。此外，由於本實施例是以異質接面的穿隧太陽能電池為例，因此於光電轉換層102的背面102b與第二透明導電層118之間還可設有一第二穿隧層122，且第二穿隧層122的材料可和第一穿隧層114相同或不同，如氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或氮化矽。而在第二透明導電層118與第二穿隧層122之間還可設有一第二鈍化層124，以確保鈍化效果，且第二鈍化層124的材料可和第一鈍化層106相同或不同，如SiNx 、SiON、SiO2 、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 或a-Si，其中x≦4/3。
以下列舉實驗來驗證本發明實施例的功效，但本發明的範圍並不侷限於以下內容。
〈模擬實驗一〉
模擬實驗一的太陽能電池如圖1A所示，其中第一透明導電層以及背面電極中的第二透明導電層均為銦錫氧化物(indium tin oxide, ITO)、第一和第二鈍化層均為SiNx 、摻雜層為摻雜多晶矽、第一和第二穿隧層均為氧化矽（SiO2 ）、正面電極以及背面電極中的金屬電極皆為銀，改變開孔的面積與第一透明導電層的面積的比來進行模擬，以便分析面積比對太陽能電池的影響，結果顯示於圖2。
模擬的過程是先在未考量光學效應的情況下(無第一鈍化層；面積比為0)，模擬出的效率增加106%。
然後，若是在考量光學效應的情況下(有第一鈍化層；面積比如為0.05)，則開孔的貢獻(只有ITO當抗反射層)= 0.05×106%= 5.3%；非開孔區的貢獻(ITO與SiNx)= (1-0.05)×106%×95%/93.6%= 102.2%。因此，總效率增加：(5.3+102.2)%= 107.5%。
從圖2可以發現，當面積比在0.01以上，電池效率均有提升，而且當面積比在0.01~0.5之間有顯著的效率提升效果，如面積比為0.05時，電池效率提升的比率可高達107.5%。
〈模擬實驗二〉
以模擬實驗一的太陽能電池為模擬對象，並固定開孔的面積與第一透明導電層的面積的比為0.05。然後，第一透明導電層的厚度固定為40 nm，並改變第一鈍化層的厚度如下表1來進行如同模擬實驗一的模擬，結果同樣顯示於下表1。
〈模擬比較例〉
採用與模擬實驗二相同的模擬方式，但其中的太陽能電池並無第一鈍化層(SiNx)，而只改變第一透明導電層(ITO)的厚度作分析，結果顯示於下表2。
表1總結了40 nm厚度的第一透明導電層(ITO)及不同厚度的第一鈍化層(SiNx)在反射的光電流百分比(JR )、ITO吸收所佔的百分比(JA )以及實際光電轉換層(矽基板)吸收的百分比(JG )的數值。
表1
Figure 107101354-A0304-0001
 ITO厚度為40nm。
表2總結了不同厚度的第一透明導電層(ITO)在反射的光電流百分比(JR )、ITO吸收所佔的百分比(JA )以及實際矽基板吸收的百分比(JG )的數值。
表2
Figure 107101354-A0304-0002
從上表1和表2可得到，模擬實驗二和模擬比較例之主要差異是在實際矽基板吸收率，模擬比較例約為92%~94%之間，模擬實驗二則是在94%以上，最佳可達到95%。而且，在相同厚度的條件下，例如表1中SiNx厚度40 nm(ITO厚度40nm)和表2中ITO厚度80 nm的結果，可以看到反射的光電流百分比及ITO吸收所佔的光電流百分比都明顯降低，使得效率提升到95.00%，整體增加了1.9%，此結果顯示本發明的結構在有具開孔的鈍化層的情況下，能提升電池轉換效率。
〈實驗例〉
實際製作一個模擬實驗一的太陽能電池，其中第一透明導電層(ITO)的厚度為40nm、第一鈍化層(SiNx )的厚度為40nm。然後實際量測形成ITO前、後的隱開路電壓(iVOC )和矽基板吸收率，結果顯示於下表3。
〈比較例〉
實際製作一個模擬比較例的太陽能電池，其中第一透明導電層(ITO)的厚度為65nm。然後實際量測形成ITO前、後的隱開路電壓(iVOC )和矽基板吸收率，結果顯示於下表3。
表3
Figure 107101354-A0304-0003
從表3可以發現，本發明的結構擁有較好的鈍化效果與光學特性。
綜上所述，本發明藉由具有開孔的鈍化層以及開孔與透明導電層的特定面積比，不但可以降低電漿轟擊摻雜層所造成的傷害，也能具有改善鈍化效果、增加光學吸收的益處，還能因此使具有上述結構的太陽能電池能產生高轉換效率的功效。
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‧‧‧太陽能電池102‧‧‧光電轉換層104‧‧‧摻雜層106‧‧‧第一鈍化層106a‧‧‧開孔108‧‧‧第一透明導電層110‧‧‧正面電極112‧‧‧背面電極114‧‧‧第一穿隧層116‧‧‧本質非晶矽層118‧‧‧第二透明導電層120‧‧‧金屬電極122‧‧‧第二穿隧層124‧‧‧第二鈍化層T‧‧‧厚度
圖1A是依照本發明的一實施例的一種太陽能電池的示意圖。 圖1B是所述實施例的太陽能電池的另一種變形例的示意圖。 圖2是模擬實驗一的太陽能電池中的開孔與第一透明導電層的面積比之光電轉換效率提升之曲線圖。
100‧‧‧太陽能電池
102‧‧‧光電轉換層
104‧‧‧摻雜層
106‧‧‧第一鈍化層
106a‧‧‧開孔
108‧‧‧第一透明導電層
110‧‧‧正面電極
112‧‧‧背面電極
114‧‧‧第一穿隧層
118‧‧‧第二透明導電層
120‧‧‧金屬電極
122‧‧‧第二穿隧層
124‧‧‧第二鈍化層
T‧‧‧厚度

Claims (12)

  1. 一種太陽能電池，包括：一光電轉換層，具有一正面和一背面；一摻雜層，位於該光電轉換層的該正面；一第一鈍化層，位於該摻雜層上，且該第一鈍化層具有多數個開孔，該些開孔暴露出部分該摻雜層；一第一透明導電層，位於該第一鈍化層上與該些開孔中，且經由該些開孔直接與暴露出的該摻雜層接觸，其中該些開孔的面積與該第一透明導電層的面積的比為0.01~0.5；一正面電極，位於該第一透明導電層上；一背面電極，位於該光電轉換層的該背面；以及一第一穿隧層，位於該光電轉換層的該正面與該摻雜層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該摻雜層的材料包括摻雜的多晶矽、摻雜的非晶矽或摻雜的單晶矽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該第一鈍化層的材料包括SiNx、SiON、SiO2、Al2O3、HfO2、ZrO2或a-Si，其中x≦4/3。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該第一鈍化層的厚度為10nm~100nm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該第一穿隧層的材料包括氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或氮化矽。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該正面電極的材料包括金屬。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該背面電極包括一第二透明導電層以及一金屬電極，其中該第二透明導電層位於該光電轉換層的該背面與該金屬電極之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的太陽能電池，更包括一第二穿隧層，位於該光電轉換層的該背面與該第二透明導電層之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，其中該第二穿隧層的材料包括氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或氮化矽。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的太陽能電池，更包括一第二鈍化層，位於該第二穿隧層與該第二透明導電層之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的太陽能電池，其中該第二鈍化層的材料包括SiNx、SiON、SiO2、Al2O3、HfO2、ZrO2或a-Si，其中x≦4/3。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中該光電轉換層的材料包括碳化矽(SiC)、矽(Si)、硫化鎘、銅銦鎵二硒、銅銦二硒、碲化鎘或有機材料。
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