TWM446973U - 太陽能電池結構層及其太陽能電池裝置 - Google Patents

Description

太陽能電池結構層及其太陽能電池裝置

本創作是有關於一種太陽能電池，特別是有關於一種太陽能電池結構層以及應用此太陽能電池結構層之太陽能電池裝置。

太陽能電池由於其低污染、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。其中，所謂的太陽能電池係為一種將光能轉換成電能之光電元件。最簡單的太陽能電池構造包含一P型半導體層以及一N型半導體層，此兩者可形成一PN接面。當陽光照射至太陽能電池時，來自太陽光的能量可將半導體層中的電子激發出來，電子會因為內建電場而朝N型半導體方向移動，因此當P型半導體和N型半導體接上外部電路形成迴路時，就會產生電流。而上述將光能轉換成電流的反應則稱為光伏效應(photovoltaic effect)。

請參考第1圖，其係為習知技術提出之矽異質接面太陽能電池的結構示意圖。其中，矽異質接面太陽能電池結構1包含N型單晶矽基板11(n-type single crystal silicon substrate)、分別形成於該N型單晶矽基板11之兩側的第一本質非晶矽層12(intrinsic amorphous silicon layer)和第二本質非晶矽層13、分別形成於第一本質非晶矽層12與第二本質非晶矽層13外側的P型非晶矽層14和N+型非晶矽層15、分別形成於P型非晶矽層14和N+型非晶矽層15外側的第一透明導電性氧化物(transparent conductive oxide, TCO)層16和第二透明導電性氧化物17，以及分別形成於第一透明導電性氧化物層16和第二透明導電性氧化物層17外側的第一電極層18和第二電極層19。由於上述太陽能電池具有矽異質接面與矽本質層，因此又被稱為「HIT太陽能電池」(Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer solar cell)。HIT太陽能電池因具備高光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency)，且可於200℃之低溫接合，因此在太陽能市場中備受矚目。

其中，HIT太陽能電池之高光電轉換效率之成因主要為其本質非晶矽層之設置。然而，本質非晶矽層本身具有非常多的懸鍵(dangling bonds)，亦即未反應的鍵結。而這些懸鍵在電子或電洞的電位能上，是比較低的。因此，當載子經過時，懸鍵會形成載子的缺陷，變成天然的抓載子器，降低HIT太陽能電池的光電轉換效率。

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之目的就是在提供一種太陽能電池結構層以及其太陽能電池裝置，藉由改進本質非晶矽層之結構配置，以有效提昇異質接面太陽能電池的光電轉換效率。

根據本創作之其中之一目的，提出一種太陽能電池結構層，其包含第一電性基板、第二電性半導體層、第一電性半導體層、複數個本質半導體層以及電極結構。其中，第一電性基板具有互為相對之第一面以及第二面。第二電性半導體層設置於第一面，第一電性半導體層設置於第二面。電極結構電性連接第二電性半導體層或第一電性半導體層。複數個本質半導體層分別設置於第一面與第二電性半導體層之間以及第二面與第一電性半導體層之間，各本質半導體層包含第一層狀區域以及第二層狀區域，其中第一層狀區域設置於第二層狀區域與第一電性基板之間，且第一層狀區域之緻密度係大於第二層狀區域之緻密度。

較佳地，第二層狀區域之厚度可大於第一層狀區域。

較佳地，太陽能電池結構層可更包含反射層，設置於第一電性半導體層面向第二面之另一面上。

較佳地，太陽能電池結構層可更包含第一導電性氧化物層，設置於第一電性半導體層與反射層之間，以及第二導電性氧化物層，設置於第二電性半導體層面向第一面之另一面上。

較佳地，各本質半導體層可為本質非晶矽層(intrinsic amorphous silicon)。

較佳地，第一電性基板可為N型單晶矽基板，第二電性半導體層係可為P型矽層，第一電性半導體層可為重摻雜之N型矽層。

較佳的，電極結構可為銅。

根據本創作之另一目的，提出一種太陽能電池裝置，其包含座體，複數個太陽能電池單元以及傳導單元。其中，座體具有受光面，各太陽能電池單元設置於受光面上，且各太陽能電池單元具有太陽能電池結構層。傳導單元串連各太陽能電池單元。其中，太陽能電池結構層包含第一電性基板、第二電性半導體層、第一電性半導體層、複數個本質半導體層以及電極結構。第一電性基板具有互為相對之第一面以及第二面，且第二面面對受光面。第二電性半導體層設置於第一面，第一電性半導體層設置於第二面。電極結構電性連接第二電性半導體層或第一電性半導體層。複數個本質半導體層分別設置於第一面與第二電性半導體層之間以及第二面與第一電性半導體層之間，各本質半導體層包含第一層狀區域以及第二層狀區域，其中第一層狀區域設置於第二層狀區域與第一電性基板之間，且第一層狀區域之緻密度係大於第二層狀區域之緻密度。

承上所述，本創作之太陽能電池結構層及其太陽能電池裝置因為其本質半導體層具有疏密程度不同之層狀結構，且較密之層狀區域靠近第一電性基板，因此可提供較佳的介面品質，減少載子通過時被捕捉的機率。除此之外，較疏之層狀區域可另外再摻雜N型或P型之雜質，以降低本質半導體層之阻抗。

以下將參照相關圖式，說明依本創作之太陽能電池結構層以及太陽能電池裝置之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

其中，本創作所指之「第一電性」與「第二電性」指的是N型摻雜或P型摻雜。亦即，若第一電性為N型，則第二電性則為P型；若第一電性為P型，則第二電性則為N型。另外，在本說明書中，重摻雜指的是N+或P+摻雜。為使便於理解，以下實施例中，第一電性預設為N型，第二電性預設為P型，但本創作不以此為限。

請參閱第2圖，其係為本創作之太陽能電池結構層之第一實施例之剖面示意圖。如圖所示，太陽能電池結構層10包含第一電性基板110、第二電性半導體層120、第一電性半導體層130、第一本質半導體層141以及第二本質半導體層142以及電極結構150。

其中，第一電性基板110具有互為相對之第一面111與第二面112，第二電性半導體層120設置於第一面111上，第一電性半導體層130設置於第二面112上。第一本質半導體層141設置於第一面111以及第二電性半導體層120之間，第二本質半導體層142設置於第二面112以及第一電性半導體層130之間。

如此一來，當本創作之太陽能電池結構層10受光線照射時，來自太陽光之能量可將第一電性基板110中之電子激發出來。此時，電子將因內建電位而朝第一電性半導體層130移動。亦即，電子將朝N型半導體層移動。電洞則朝第二電性半導體層120移動，即為朝P型半導體層移動。另外，若本實施例之太陽能電池結構層10之單體無法得到足夠大的輸出電流時，可將太陽能電池結構層10通過配線材料連接而串連多個太陽能電池結構層10，以獲得較大的電流輸出。

其中，本創作之第一電性基板110可為N型結晶矽基板，亦即為N型單晶矽基板(single crystal silicon substrate)或為N型多晶矽基板(polycrystal substrate)。第二電性半導體層120為P型矽基板，而第一電性半導體層130為重摻雜之N型矽基板，但不以此為限。在本創作之其它實施例中，第二電性半導體層120也可作成重摻雜型之P型矽基板。

電極結構150電性連接第二電性半導體層120，當太陽能電池結構層10之電極結構150與外部形成迴路時，朝向第二電性半導體層120流動之載子可因而由電極結構150傳導而出，形成電流。在此處要說明的是，本創作之電極結構150並不以連接至第二電性半導體層120為限。在本創作之其它實施例中，電極結構150可電性連接至第一電性半導體層130，或者是同時電性連接第二電性半導體層120以及第一電性半導體層130，本創作之電極結構150之設置可依產品實際製造時之需求而作調整。

第一本質半導體層141更包含有第一層狀區域1411以及第二層狀區域1412。第一層狀區域1411設置於第二層狀區域1412與第一電性基板110之間，且第一層狀區域1411之緻密度大於第二層狀區域1412之緻密度。其中，本創作之第一本質半導體層141為本質非晶矽層(intrinsic amorphous silicon)。由於本創作之本質非晶矽層之第一層狀區域1411之緻密度較大，即本創作之第一層狀區域1411具有較第二層狀區域1412緊密的非晶矽排列，故在第一電性基板110與第一層狀區域1411之間可具有較佳的介面品質，使得載子在通過第一層狀區域1411時較不會被非晶矽層中之缺陷捕捉，因此緊密排列的非晶矽層狀結構可有效提高本創作之太陽能電池結構層之發電效率。

其次，較鬆散之第二層狀區域1412於成形時可用較快速的沈積速率製成，因此可有效降低太陽能電池結構層10之整體製造時間以及製造成本。另外，在本實施例中，於第二層狀區域1412中可適當的摻雜P型雜質，使得第二層狀區域1412之阻抗降低，讓載子較易通過。

值得注意的是，本實施例之第二層狀區域1412之厚度係大於第一層狀區域1411之厚度。因此，在製成此本質非晶矽層時，方可同時兼顧良好的介面品質以及降低製程時間以及製程成本之功效，且可於第二層狀區域1412中摻雜P型雜質以降低阻抗。其中，第二層狀區域1412以及第一層狀區域1411之間之厚度比值可以是6：4至9：1之間，其厚度之限制係以產品實際需求為主。

另外，本實施例之第一本質半導體層141層係區分為第一層狀區域1411以及第二層狀區域1412，但並不限於此。在本創作之其它實施例中，第一本質半導體層141可更包含三個以上之層狀區域。其中，若第一本質半導體層141為多層結構時，其接近於第一電性基板110之層狀區域之緻密度係大於遠離第一電性基板110之層狀區域之緻密度。

第二本質半導體層142包含第三層狀區域1423以及第四層狀區域1424。第三層狀區域1423設置於第四層狀區域1424以及第一電性基板110之間，且第三層狀區域1423之緻密度係大於第四層狀區域1424之緻密度。本實施例之第二本質半導體142之材質及功效與第一本質半導體141之材質及功效類似，在此便不贅述。

值得注意的是，第四層狀區域1424之厚度係大於第三層狀區域1423。因此，第二本質半導體層142如同第一本質半導體層141一樣可兼顧良好的介面品質以及降低製程時間及成本之功效。其中，第三層狀區域1423以及第四層狀區域1424之間之厚度之比值可為6：4至9：1之間，其厚度之限制係以產品實際需求為主。

另外，本實施例之第二本質半導體層142係區分為第三層狀區域1423以及第四層狀區域1424，但並不限於此。在本創作之其它實施例中，第二本質半導體層142可為多層結構，例如可包含三個以上之層狀區域。其中，若第二本質半導體層142為多層結構時，其接近於第一電性基板110之層狀區域之緻密度係大於遠離第一電性基板110之層狀區域之緻密度。

請繼續參考第2圖，本實施例之太陽能電池結構層10可更包含反射層160，其設置於第一電性半導體層130面向第二面112之另一面上。本實施例之反射層160之材質可為鋁(Al)或銀(Ag)，其係用以反射光線用，以增加太陽光線之使用率。

除此之外，為了使載子可有效地收集至電極結構150上，本實施例更可包含第一導電性氧化物層170以及第二導電性氧化物層180。第一導電性氧化物層170設置於第一電性半導體層130與反射層160之間，第二導電性氧化物層180設置於第二電性半導體層120面向第一面111之另一面上。本實施例之電極結構150則插設於第二導電性氧化物180中以與第二電性半導體層120電性連接。

值得一提的是，本實施例之電極結構150之材質為銅，但並不以此為限。在本創作之其它實施例中，電極結構150之材質可為銀或其它導電性物質。

接著請參考第3圖，其係為本創作之太陽能電池結構層之第二實施例之剖面示意圖。如圖所示，太陽能電池結構層20包含第一電性基板110、第二電性半導體層120、第一電性半導體層130、第一本質半導體層141以及第二本質半導體層142、第一導電性氧化物層170、第二導電性氧化物層180以及電極結構250及260。

其中，第二實施例以及第一實施例之不同在於，第二實施例於太陽能電池結構層20之兩側面上分別具有電極結構250及260。其中，電極結構250係插設於第二導電性氧化物層180上，並與第二電性半導體層120電性連接。電極結構260係插設於第一導電性氧化物層170上，並與第一電性半導體層130電性連接。另外，本實施例之太陽能電池結構層20之單體若無法得到足夠大的電流輸出時，可藉由配線材料連接多個太陽能電池結構層以獲得較大的電流輸出。

值得一提的是，於第二實施例中，可節省第一實施例之反射層160之結構，以進一步節省製程之物料成本。

接著請參考第4圖，其係為本創作之太陽能電池結構層之一實施例應用於太陽能電池裝置之示意圖。如圖所示，太陽能電池裝置30包含有座體301、複數個太陽能電池單元302以及第一傳導單元303與第二傳導單元304。其中，座體301係具有受光面3011，而各太陽能電池單元302係設置於受光面3011上，且第一傳導單元303以及第二傳導單元304係串連各太陽能電池單元302。

其中，太陽能電池裝置30中之各太陽能電池單元302係具有第一實施例之太陽能電池結構層10，且各太陽能電池結構層10之第一電性基板110之第二面112係面對受光面3011，但不以此為限。在本創作之其它實施例中，各太陽能電池單元302可具有第二實施例之太陽能電池結構層20。

為使更於理解，以下將說明本創作之太陽能電結構層之第一實施例之製造流程圖。

首先，請參考第5圖。先製備第一電性基板110。其中，本創作之第一電性基板110可為N型單晶矽基板，或是N型多晶矽基板。

接著，請參考第6圖。利用鹼性溶液蝕刻第一電性基板110之第一面111以及第二面112，以及去除第一電性基板110表面之切割損傷層(Saw Damage Layer)，並且在沉積本質半導體層之前，預先清洗第一面111以及第二面112。

接著，請參考第7圖。沉積第一本質半導體層141於第一電性基板110之第一面111，以及沉積第二本質半導體層142於第一電性基板110之第二面112。其中，沉積第一本質半導體層141以及第二本質半導體層142之製程中，更包含慢速沉積以及快速沉積兩種程序。

更詳細而言，利用慢速沉積之程序沉積出排列較緊密之第一層狀區域1411以及第三層狀區域1423，即沉積出排列較緊密的本質半導體層。接著，利用快速沉積之程序沉積出排列較鬆散之第二層狀區域1412以及第四層狀區域1424。其中，沉積第一本質半導體層141以及第二本質半導體層142可利用化學氣相沉積法形成，但不以此為限。

值得注意的是，本創作之第一層狀區域1411之厚度係小於第二層狀區域1412之厚度，第三層狀區域1423之厚度係小於第四層狀區域1424之厚度。因此，利用先沉積一層較薄的本質半導體層後，再以快速成膜之方法沉積另一層較厚之本質半導體層，可有效地減少本質半導體層之形成時間。

接著，請參考第8圖。沉積第二電性半導體層120於第一本質半導體層141上，以及沉積第一電性半導體層130於第二本質半導體層142上。其中，第二電性半導體層120可為P型矽層，第一電性半導體層130可為重摻雜之N型矽層，但不以此為限。

接著，請參考第9圖。利用網版印刷(screen printing)形成鎳金屬層190於第二電性半導體120上，但不以為限。在本創作之部分實施例中，也可利用網版印刷而形成銀等其它金屬。

接著，請參考第10圖。形成第一導電性氧化物層170覆蓋第一電性半導體層130以及形成第二導電性氧化物層180覆蓋第二電性半導體層120與鎳金屬層190。其中，本創作之第一導電性氧化物層170以及第二導電性氧化物層180之形成可利用物理氣相沈積法(Physical Vapor Deposition, PVD)形成，但不以此為限。

接著，請參考第11圖。利用網版印刷或物理氣相沈積法形成反射層160於第一導電性氧化物層170上。其中，本創作之反射層160之材質可為銀(Ag)或鋁(Al)，但不以此為限。

接著，請參考第12圖。利用雷射蝕刻第二導電性氧化物層180覆蓋鎳金屬層190之位置，以曝露鎳金屬層190。其中，本創作可利用雷射蝕刻直接去除第二導電性氧化物層180對應鎳金屬層190之位置。

接著，請參考第13圖。以雷射蝕刻完第二導電性氧化物層180後，可將被曝露之鎳金屬層190置入電鍍液中，已長出所需之金屬電極。其中，本創作係置入銅電鍍液中，以使得銅離子可依附於鎳金屬層190上而長出電極結構150。

其中，值得一提的是，相較於利用銀電極，本創作之銅電極更為節省成本。除此之外，於第12圖至第13圖之製程中，只需利用雷射蝕刻以及浸泡電鍍液之兩種步驟即完成銅電極之形成，相較於市面上尚須以塗佈光阻劑等蝕刻方式相較，本創作更提供一種簡單快速之製程方式。

綜上所述，本創作之太陽能電池結構層以及應用此太陽能電池結構層之太陽能電池裝置因為其本質半導體層中具有疏密程度不同之層狀區域，其中靠近第一電性基板處為較密之層狀區域，遠離第一電性基板處為較疏之層狀區域。因此，本創作可有效的利用較密的層狀區域而提供高品質的連接介面，以減少載子通過本質半導體層時被捕捉之機率，藉以增大太陽能電池結構層及其太陽能電池裝置之發電效率。除此之外，較疏之層狀區域可利用較快之沉積程序完成，因此可以減少本質半導體層之形成時間，又可於較疏之層裝區域中參雜P型或N型雜質，以降低較疏之層狀區域之阻抗，使載子可以順利通過。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，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。

1‧‧‧矽異質接面太陽能電池結構
11‧‧‧N型單晶矽基板
12‧‧‧第一本質非晶矽層
13‧‧‧第二本質非晶矽層
14‧‧‧P型非晶矽層
15‧‧‧N+型非晶矽層
16‧‧‧第一透明導電性氧化物層
17‧‧‧第二透明導電性氧化物層
18‧‧‧第一電極層
19‧‧‧第二電極層
10、20‧‧‧太陽能電池結構層
30‧‧‧太陽能電池裝置
110‧‧‧第一電性基板
111‧‧‧第一面
112‧‧‧第二面
120‧‧‧第二電性半導體層
130‧‧‧第一電性半導體層
141‧‧‧第一本質半導體層
1411‧‧‧第一層狀區域
1412‧‧‧第二層狀區域
142‧‧‧第二本質半導體層
1423‧‧‧第三層狀區域
1424‧‧‧第四層狀區域
150、250、260‧‧‧電極結構
160‧‧‧反射層
170‧‧‧第一導電性氧化物層
180‧‧‧第二導電性氧化物層
190‧‧‧鎳金屬層
301‧‧‧座體
3011‧‧‧受光面
302‧‧‧太陽能電池單元
303‧‧‧第一傳導單元
304‧‧‧第二傳導單元

第1圖其係為習知之矽異質接面太陽能電池的結構示意圖。
第2圖其係為本創作之太陽能電池結構層之第一實施例之剖面示意圖。
第3圖其係為本創作之太陽能電池結構層之第二實施例之剖面示意圖。
第4圖其係為本創作之太陽能電池裝置之一實施例之示意圖。
第5圖至第13圖其係為本創作之第一實施例之太陽能電池結構層之製造流程圖。

10‧‧‧太陽能電池結構層

110‧‧‧第一電性基板

111‧‧‧第一面

112‧‧‧第二面

120‧‧‧第二電性半導體層

130‧‧‧第一電性半導體層

141‧‧‧第一本質半導體層

1411‧‧‧第一層狀區域

1412‧‧‧第二層狀區域

142‧‧‧第二本質半導體層

1423‧‧‧第三層狀區域

1424‧‧‧第四層狀區域

150‧‧‧電極結構

160‧‧‧反射層

170‧‧‧第一導電性氧化物層

180‧‧‧第二導電性氧化物層

Claims (14)

1. 一種太陽能電池結構層，其包含：
   一第一電性基板，其具有互為相對之一第一面以及一第二面；
   一第二電性半導體層，設置於該第一面；
   一第一電性半導體層，設置於該第二面；
   複數個本質半導體層，分別設置於該第一面及該第二電性半導體層之間與該第二面及該第一電性半導體層之間，各該本質半導體層包含：
       一第一層狀區域；以及
       一第二層狀區域，且該第一層狀區域設置於該第二層狀區域與該第一電性基板之間，該第一層狀區域之緻密度係大於該第二層狀區域之緻密度；以及
   一電極結構，電性連接該第二電性半導體層或該第一電性半導體層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構層，其中該第二層狀區域之厚度大於該第一層狀區域之厚度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構層，更包含一反射層，其設置於該第一電性半導體層面向該第二面之另一面上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能電池結構層，更包含一第一導電性氧化物層，設置於該第一電性半導體層與該反射層之間，以及一第二導電性氧化物層，設置於該第二電性半導體層面向該第一面之另一面上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構層，其中該些本質半導體層係為本質非晶矽層(intrinsic amorphous silicon)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構層，其中該第一電性基板係為N型單晶矽基板，該第二電性半導體層係為P型矽層，該第一電性半導體層係為重摻雜之N型矽層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池結構層，其中該電極結構係為銅。
8. 一種太陽能電池裝置，其包含：
   一座體，其具有一受光面；
   複數個太陽能電池單元，設置於該受光面上，其中各該太陽能電池單元具有一太陽能電池結構層，該太陽能電池結構層包含：
   一第一電性基板，其具有互為相對之一第一面以及一第二面，其中該第二面係面對該受光面；
   一第二電性半導體層，設置於該第一面；
   一第一電性半導體層，設置於該第二面；
   複數個本質半導體層，分別設置於該第一面及該第二電性半導體層之間與該第二面及該第一電性半導體層之間，各該本質半導體層包含：
   一第一層狀區域；以及
   一第二層狀區域，且該第一層狀區域設置於該第二層狀區域與該第一電性基板之間，該第一層狀區域之緻密度係大於該第二層狀區域之緻密度；
   一電極結構，電性連接該第二電性半導體層或該第一電性半導體層；
   一傳導單元，係串連該些太陽能電池單元。
   
   
9. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池裝置，其中該第二層狀區域之厚度大於該第一層狀區域之厚度。
10. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池裝置，更包含一反射層，其設置於該第一電性半導體層面向該第二面之另一面上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之太陽能電池裝置，更包含一第一導電性氧化物層，設置於該第一電性半導體層與該反射層之間，以及一第二導電性氧化物層，設置於該第二電性半導體層面向該第一面之另一面上。
12. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池裝置，其中該些本質半導體層係為本質非晶矽層(intrinsic amorphous)。
13. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池裝置，其中該第一電性基板係為N型單晶矽基板，該第二電性半導體層係為P型矽層，該第一電性半導體層係為重摻雜的N型矽層。
14. 如申請專利範圍第8項所述之太陽能電池裝置，其中該電極結構係為銅。