TWM453962U - 異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置 - Google Patents

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Description

異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置
本創作係有關於一種太陽能電池，特別是有關於一種可提高電洞遷移率且增加電池轉換效率之異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置。
太陽能電池係一種將光能轉換為電能的光電元件，其由於低污染、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。太陽能電池之基本構造是運用P型半導體與N型半導體接合而成。半導體之基本材料為「矽」，其為不導電材料，若摻雜不同的雜質(dopant)至半導體中，可分別形成P型與N型半導體，P型半導體與N型半導體之接面即稱為PN接面，而上述將光能轉換成電流的反應則稱為光伏效應(photovoltaic effect)。

當陽光照射至太陽能電池時，光能係激發出矽原子中之電子而產生電子和電洞的對流，且這些電子及電洞受P型半導體之電洞與N型半導體之電子構成的內建電場影響而分別受N型半導體及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時可使用電極連接太陽能電池外部，以形成迴路，進而產生電流，此過程即為太陽電池發電的原理。

請參閱第1圖，其係為日本三陽電機提出之矽異質接面太陽能電池之橫切面圖。如圖所示，矽異質接面太陽能電池1包含N型單晶矽基材11(n-type single crystal silicon substrate)、分別形成於N型單晶矽基材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層16和第二透明導電層17，以及分別形成於第一透明導電層16和第二透明導電層17外側的第一電極18和第二電極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」(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer solar cell)。

其中，習知矽異質接面太陽能電池1之高光電轉換效率主要係因為其結構設置有本質非晶矽層。然而，由於本質非晶矽層具有非常多懸鍵(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，懸鍵係形成載子的缺陷而成為天然的抓載子器，使得習知矽異質接面太陽能電池1之電池轉換效率降低。

請參閱第2圖，其係為另一習知異質接面太陽能電池之橫切面圖。如圖所示，習知異質接面太陽能電池2包含P型半導體基材21、N型半導體層22、抗反射層23、金屬層24、第一電極25及第二電極26。N型半導體層22係利用擴散法，將第N型摻雜物植入P型半導體基材21中，以於P型半導體基材21內部形成摻雜N型摻雜物之N型半導體層22，且N型半導體層22之周緣係經由絕緣處理而形成絕緣部211；抗反射層23係以化學氣相沉積法(CVD)沉積於N型半導體層22之上；金屬層24係位於P型半導體基材21之下表面上；第一電極25係位於抗反射層23之上；第二電極26係位於P型半導體基材21之下表面之上且露出於金屬層24外。

然而，於習知太陽能電池2中，若電子接收足夠之外界能量而成為自由電子時，自由電子係由P型半導體基材往N型半導體層方向移動，此時自由電子係處於不穩定狀態。於習知太陽能電池2之結構中之自由電子容易因摩擦、碰撞或半導體層及抗反射層之缺陷而損失能量，最後自由電子將受電洞吸引而復合且無法利用，使得習知太陽能電池2之結構的電池轉換效率不佳。此外，習知太陽能電池2之結構需使用磷擴散製程且於電極燒結製程中需使用800~900度之高溫製程，因此其熱預算(thermal budget)所需成本較高。

有鑒於此，本創作之創作人思索並設計一種異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。
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異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置，以解決習知太陽能電池之結構需使用高溫製程之問題，且進一步提升太陽能電池之電洞遷移率以及電池轉換效率。

根據本創作之目的，提出一種異質接面太陽能電池，其包含N型基材、IGZO導電層、第一電極以及第二電極。IGZO導電層位於N型基材之上表面之上。第一電極位於IGZO導電層之上。第二電極位於N型基材之下表面之上。

較佳地，N型基材之上表面可包含複數條紋理。

較佳地，N型基材之上表面的周緣可以化學蝕刻或雷射切割而形成絕緣部。

較佳地，異質接面太陽能電池可更包含抗反射層，其可位於IGZO導電層之上，且第二電極可位於抗反射層之上。

較佳地，第一電極及第二電極之材料可包含銀，抗反射層之材料可包含二氧化矽(SiO2 )、氮氧化矽(SiON)或氮化矽(SiN)。

根據本創作之目的，再提出一種太陽能裝置，其包含座體及複數個太陽能電池。座體具有受光面。複數個太陽能電池設置於受光面上，且各太陽能電池分別包含N型基材、IGZO導電層、第一電極及第二電極。IGZO導電層位於N型基材之上表面之上。第一電極位於IGZO導電層之上。第二電極設置於N型基材之下表面之上。

承上所述，依本創作之異質接面太陽能電池及使用其之太陽能裝置，其可具有一或多個下述優點：

(1) 本創作之異質接面太陽能電池之結構係採用具有高品質介面層性質之IGZO導電層與N型基材形成異質接面太陽能電池，與使用非晶矽層結構之異質接面太陽能電池相比，可提升10倍以上之電洞遷移率，且增加電池轉換效率。

(2) 本創作之異質接面太陽能電池之結構於製造上無需磷擴散與高溫燒結以將電極燒穿非晶矽層之製程，因此可不需使用800~900度之高溫製程，以有效節省熱預算成本。

(3) 本創作之異質接面太陽能電池由於生產製程較簡化，因此可減少生產元件於各製程間搬移造成的損壞機率，以增加生產良率。
〔習知〕
１‧‧‧矽異質接面太陽能電池
１１‧‧‧N型單晶矽基材
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‧‧‧第一透明導電層
１７‧‧‧第二透明導電層
１８、２５‧‧‧第一電極
１９、２６‧‧‧第二電極
２‧‧‧異質接面太陽能電池
２１‧‧‧P型半導體基材
２１１‧‧‧絕緣部
２２‧‧‧N型半導體層
２３‧‧‧抗反射層
２４‧‧‧金屬層
〔本創作〕
３‧‧‧異質接面太陽能電池
３１‧‧‧Ｎ型基材
３１１‧‧‧絕緣部
３２‧‧‧ＩＧＺＯ導電層
３３‧‧‧抗反射層
３４‧‧‧第一電極
３５‧‧‧第二電極
Ｓ１～Ｓ７‧‧‧步驟流程
第1圖係為習知矽異質接面太陽能電池之橫切面圖。
第2圖係為另一習知異質接面太陽能電池之橫切面圖。
第3圖係本創作之異質接面太陽能電池之第一實施例之橫切面圖。
第4圖係本創作之異質接面太陽能電池之第二實施例之橫切面圖。
第5圖係本創作之異質接面太陽能電池之製造流程圖。
為利 貴審查員瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

在下列詳細描述中，將藉由簡單地說明而顯示及描述本創作之部份例示性實施例。如同所屬技術領域具有通常知識者所理解的是，所描述的實施例可在不脫離本創作之精神與範疇下以不同形式而修改。因此，圖式與說明僅視為自然說明性質而非限制於特定之實施模式。此外，當元件被稱為在另一元件“上”時，其可直接地位於另一元件上或可具有一或多個中介元件插設於其間而間接地位於另一元件上。當一元件被稱為“連接”另一元件時，其可直接地連接另一元件，或可具有一或多個中介元件插設於其間而間接地連接另一元件。下文中，相同的參考符號表示相同的元件。於圖式中，為了更清楚說明，層及區域之大小及相對大小可能被誇大。

請參閱第3圖，其係為本創作之異質接面太陽能電池之第一實施例之橫切面圖。如圖所示，本創作之異質接面太陽能電池3包含N型基材31、IGZO導電層32、第一電極34以及第二電極35。其中，IGZO導電層32位於N型基材31之上表面之上。第一電極34位於IGZO導電層32之上。第二電極35位於N型基材31之下表面之上。

於此實施例中，N型基材31之上表面可執行織構化(Texturization)製程，使用蝕刻設備(或蝕刻槽)以KOH等鹼蝕刻液或In-line式的酸蝕刻等化學蝕刻方法將N型基材31之上表面織構化(Texturization)以形成複數條紋理，以增加N型基材31之上表面的表面積，使得其上表面更容吸收光線。

值得一提的是，IGZO導電層32係使用物理氣相沉積法(PVD) 形成，其係以濺鍍機(sputter)濺擊具有In-Ga-Zn-O系複合氧化物之靶材，使IGZO氧化物沉積於N型基材之上表面之上，以形成包含銦(In)、鎵(Ga)、鋅(An)及氧(O)之非晶態透明氧化物半導體層(亦即IGZO導電層32)，並形成PN異質接面(heterojunction)於N型基材31與IGZO導電層32之間。因IGZO導電層32具有高電洞遷移率以及光穿透率等優點，使得本創作之異質接面太陽能電池3可提高電池轉換效率。

順帶一提的是，由於本創作之異質接面太陽能電池3之結構係使用物理氣相沉積法將IGZO導電層32沈積於N型基材31之上，因此可使用200度左右之低溫製程製造，相較於習知矽異質接面太陽能電池1之結構需使用800~900度之磷擴散及電極燒結製程，可有效節省熱預算成本。

於IGZO導電層32形成於N型基材31上之後，再以化學蝕刻(例如HF, HNO3 , HCl, H2 SOx )或雷射沿著第IGZO導電層32周緣劃溝，去除IGZO導電層32之周緣的銦鎵鋅氧化物而形成環繞IGZO導電層32之周緣的絕緣部311。

最後，再以電極網印(Screen Printing)處理，使用網印機在本創作之異質接面太陽能電池3之頂面及底面印上銀膠，鋁膠等材料並經預烤乾燥，以做為第一電極34以及第二電極35之用。然後再利用電極燒結(Firing)處理，使用紅外線燒結爐(IR Furnace)，將印好的銀膠、鋁膠等，以約200度之溫度快速的熱處理使其固化，並分別與N型基材31及IGZO導電層32做良好的結合。

藉此，當本創作之異質接面太陽能電池3受光線照射時，來自太陽光之能量可將IGZO導電層32中之電子激發出來。此時，電子將因內建電位而朝N型基材31方向移動，電洞則朝IGZO導電層32方向移動，且由於IGZO導電層32為高品質介面層，因此可提升電洞遷移率以及增加電池轉換效率。另外，若本實施例之異質接面太陽能電池3之單體無法得到足夠大的輸出電流時，可利用配線材料串連多個異質接面太陽能電池3，以獲得較大之電流輸出。

請進一步參閱第4圖，其係為本創作之異質接面太陽能電池之第二實施例之橫切面圖。於此實施例中，與第3圖之異質接面太陽能電池3不同的是，第二實施例之異質接面太陽能電池3於IGZO導電層32之上更額外沉積有抗反射層33，以取得較佳的抗反射率及電池轉換率。

於此實施例中，抗反射層33之形成係使用化學氣相沉積機台，以化學氣相沉積法(CVD)將抗反射材料沉積於IGZO層32之上而形成抗反射層33。其中，抗反射層33可由二氧化矽、氮氧化矽或氮化矽形成，但本創作並不對此設限。本實施例中各層之間的配置關係與第一實施例類似，於此便不在贅述。

請參閱第5圖，其係為本創作之異質接面太陽能電池之製造方法的流程圖。如圖所示，本創作之異質接面太陽能電池之製造方法包含下列步驟：

（S1）提供N型基材；

（S2）藉由化學蝕刻處理N型基材之上表面，以形成複數條紋理；

（S3）形成IGZO導電層於N型基材之上表面之上；

（S4）藉由化學蝕刻或雷射切除IGZO導電層周緣的一部分，以形成絕緣部；

（S5）形成抗反射層於IGZO導電層之上；

（S6）形成第一電極於抗反射層之上；以及

（S7）形成第二電極於N型基材之下表面之上。

本創作之異質接面太陽能電池之製造方法的詳細說明以及實施方式已於前面敘述本創作之異質接面太陽能電池之第一實施例及第二實施例時描述過，在此為了簡略說明便不再敘述。

綜上所述，本創作之異質接面太陽能電池係採用具有高品質介面層性質之IGZO導電層與N型基材形成異質接面之結構，相較於使用非晶矽層結構之異質接面太陽能電池，可提升10倍以上之電洞遷移率，且增加電池轉換效率。此外，本創作之異質接面太陽能電池之結構於製造上可不需使用800~900度之高溫製程，以有效節省熱預算成本，且由於製程較簡化，減少了生產元件於各製程間搬移造成的損壞機率，進而增加生產良率。

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。
3‧‧‧異質接面太陽能電池
31‧‧‧N型基材
311‧‧‧絕緣部
32‧‧‧IGZO導電層
33‧‧‧抗反射層
34‧‧‧第一電極
35‧‧‧第二電極

Claims (10)

  1. 一種異質接面太陽能電池，其包含：
    一N型基材；
    一IGZO導電層，係位於該N型基材之一上表面之上；
    一第一電極，係位於該IGZO導電層之上；以及
    一第二電極，係位於該N型基材之一下表面之上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池，其中該N型基材之該上表面係包含複數條紋理。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池，其中該IGZO導電層的周緣係以化學蝕刻或雷射切割而形成一絕緣部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池，其更包含一抗反射層，係位於該IGZO導電層之上，且該第二電極係位於該抗反射層之上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之異質接面太陽能電池，其中該第一電極及該第二電極之材料係包含銀，該抗反射層之材料係包含二氧化矽、氮氧化矽或氮化矽。
  6. 一種太陽能裝置，其包含：
    一座體，其具有一受光面；以及
    複數個太陽能電池，設置於該受光面上，其中各該太陽能電池分別包含：
    一N型基材；
    一IGZO導電層，係位於該N型基材之一上表面之上；
    一第一電極，係位於該IGZO導電層之上；以及
    一第二電極，係設置於該N型基材之一下表面之上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能裝置，其中該N型基材之該上表面係包含複數條紋理。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能裝置，其中該IGZO導電層的周緣係以化學蝕刻或雷射切割而形成一絕緣部。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能裝置，其更包含一抗反射層，係位於該IGZO導電層之上，且該第二電極係位於該抗反射層之上。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能裝置，其中該第一電極及該第二電極之材料係包含銀，該抗反射層之材料係包含二氧化矽、氮氧化矽或氮化矽。
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