太陽能電池及其製作方法

2023-05-03 09:18:26 2

專利名稱：太陽能電池及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池及其製作方法，尤其涉及一種具有高光電轉換效率的 太陽能電池及其製作方法。
背景技術：
現今人類使用的能源主要來自於石油資源，但由於地球石油資源有限，因此近年 來對於替代能源的需求與日俱增，而在各式替代能源中又以太陽能最具發展潛力。然而現有太陽能電池，例如異質接面薄本質層(hetrojunction withlntrinsic Thin-layer)太陽能電池，受限於工藝條件不易控制與接口缺陷(interface trap)過多等 影響，具有較低的開路電壓而使得光電轉換效率無法進一步提升，嚴重影響了太陽能電池 的發展。

發明內容
本發明的目的之一在於提供一種太陽能電池及其製作方法，以提升太陽能電池的 光電轉換效率。本發明的一較佳實施例提供一種太陽能電池，其包括一結晶半導體基底、一第一 結晶半導體層、一非晶半導體層、一第一金屬電極層以及一第二金屬電極層。結晶半導體基 底具有一第一表面與一第二表面，且結晶半導體基底具有一第一摻雜型式。第一結晶半導 體層設置於結晶半導體基底的第一表面，其中第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且 第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。非晶半導體層設置於第一結晶半導體層上，且非晶半 導體層具有第二摻雜型式。第一金屬電極層設置於非晶半導體層上。第二金屬電極層設置 於結晶半導體基底的第二表面。其中，結晶半導體基底與該第一結晶半導體層其中至少一者的材料包括一單晶矽 材料或一多晶矽材料。其中，該第一結晶半導體層的一厚度小於500納米。其中，該非晶半導體層的一厚度介於1納米至20納米之間。其中，該非結晶半導體層的一摻雜濃度高於該第一結晶半導體層的一摻雜濃度。其中，另包括一第二半導體層，設置於該結晶半導體基底與該第二金屬電極層之 間並與該結晶半導體基底與該第二金屬電極層電性連接，其中該第二半導體層具有該第一 摻雜型式，且該第二半導體層的一摻雜濃度高於該結晶半導體基底的一摻雜濃度。其中，該第二半導體層的材料包括非晶矽材料。其中，另包括一保護層，設置於該非晶半導體層與該第一金屬電極層之間。本發明的一較佳實施例提供一種製作太陽能電池的方法，包括下列步驟提供一 結晶半導體基底，其中結晶半導體基底具有一第一摻雜型式。於結晶半導體基底的一第一 表面形成一第一結晶半導體層，其中第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且第二摻雜 型式相反於第一摻雜型式。於第一結晶半導體層上形成一非晶半導體層，其中非晶半導體層具有第二摻雜型式。於非晶半導體層上形成一第一金屬電極層。於結晶半導體基底的一 第二表面形成一第二金屬電極層。其中，於該結晶半導體基底的該第一表面形成該第一結晶半導體層的步驟包括於該結晶半導體基底的該第一表面形成該非晶半導體層；以及進行一退火工藝，以於該結晶半導體基底內形成該第一結晶半導體層。其中，該結晶半導體基底與該第一結晶半導體層其中至少一者的材料包括一單晶 矽材料或一多晶矽材料。其中，該非結晶半導體層的一摻雜濃度高於該第一結晶半導體層的一摻雜濃度。其中，另包括於該結晶半導體基底與該第二金屬電極層之間形成一第二半導體 層，其中該第二半導體層具有該第一摻雜型式，且該第二半導體層的一摻雜濃度高於該結 晶半導體基底的一摻雜濃度。其中，該第二半導體層的材料包括一非晶矽材料。其中，另包括於該非晶半導體層與該第一金屬電極層之間形成一保護層。本發明的太陽能電池可提升太陽能電池的光電轉換效率。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。


圖1繪示了本發明的一較佳實施例之太陽能電池的示意圖。圖2至圖4繪示了本發明的一較佳實施例的製作太陽能電池的方法示意圖。圖5與圖6繪示了本發明的另一較佳實施例的製作太陽能電池的方法示意圖。圖7顯示了本發明的太陽能電池的暗電流密度與外加電壓的仿真圖。圖8顯示了本發明的太陽能電池的開路電壓Voc與第一結晶半導體層的厚度X的 模擬圖。圖9顯示了本發明的太陽能電池的電流密度Jsc與第一結晶半導體層的厚度X的 模擬圖。圖10顯示了本發明的太陽能電池的光電轉換效率與第一結晶半導體層的厚度X 的模擬圖。其中，附圖標記10 太陽能電池121 第一表面14 第一結晶半導體層18:第一金屬電極層22 保護層Voc 開路電壓X 厚度A，B，C，D，E，F，1，1，，2，2，，3，3，曲線
具體實施例方式為使本領域技術人員能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明的較佳實施例，
12 結晶半導體基底 122 第二表面 16 非晶半導體層 20 第二金屬電極層 24 第二半導體層 Jsc 電流密度並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成的功效。請參考圖1。圖1繪示了本發明的一較佳實施例的太陽能電池的示意圖。如圖1 所示，本實施例的太陽能電池10包括一結晶半導體基底12、一第一結晶半導體層14、一非 晶半導體層16、一第一金屬電極層18以及一第二金屬電極層20。結晶半導體基底12具有 一第一表面121與一第二表面122，且結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。結晶半導 體基底12的晶格方向可為例如(1，0，0)、(1,1,0)或(1，1，1)等，但不以此為限，且結晶半 導體基底12可為晶圓(wafer)、晶方(die)或其它各種型式的半導體基底。第一結晶半導 體層14設置於結晶半導體基底12的第一表面121，其中第一結晶半導體層14具有一第二 摻雜型式，且第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。舉例而言，在本實施例中，第一摻雜型式 可為例如P型摻雜型式，而第二摻雜型式可為N型摻雜型式，但不以此為限。例如第一摻雜 型式也可為例如N型摻雜型式，而第二摻雜型式可為P型摻雜型式。由於結晶半導體基底 12與第一結晶半導體層14具有不同的摻雜型式，因此會形成一 PN接面。在本實施例中， 結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14均為結晶半導體材料，例如結晶半導體基底12 與第一結晶半導體層14中的至少一者的材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。精確地 說，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14較佳可為相同的材料，例如結晶半導體基底 12與第一結晶半導體層14的材料均為單晶矽材料，或是結晶半導體基底12與第一結晶半 導體層14的材料均為多晶矽材料。當然，結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14也可 為不同的材料，但是光電轉換效率可能會較不出色。此外，第一結晶半導體層14的摻雜濃 度實質上可與結晶半導體基底12的摻雜濃度實質上相同，但不以此為限。當然，第一結晶 半導體層14的摻雜濃度實質上可與結晶半導體基底12的摻雜濃度實質上不同，但是光電 轉換效率可能會較不出色。例如在本實施例中，結晶半導體基底12的摻雜濃度實質上介 於IO14 atoms/cm2至1017atOmS/Cm2之間，而第一結晶半導體層14的摻雜濃度大體上介於 1017atOmS/Cm2至1021atOmS/Cm2之間，但不以此為限。另外，結晶半導體基底12的厚度大體 上介於50微米(μπι)至500微米(μπι)之間，但不以此為限。第一結晶半導體層14的厚 度實質上大於0且小於500納米(nm)，例如較佳大於0且小於等於200納米(nm)，且更佳 為約15納米(nm)，但不以此為限。非晶半導體層16設置於第一結晶半導體層14上，且非 晶半導體層16具有第二摻雜型式。在本實施例中，非晶半導體層16的厚度實質上介於1 納米(nm)至20納米(nm)之間，但不以此為限。此外，非結晶半導體層16的摻雜濃度實質 上高於第一結晶半導體層14的摻雜濃度。例如在本實施例中，非晶半導體層16的摻雜濃 度大體上介於lO^toms/cm2至1021atomS/Cm2之間。第一金屬電極層18設置於非晶半導體 層18上，且第二金屬電極層20設置於結晶半導體基底12的第二表面122。第一金屬電極 層18與第二金屬電極層20的材料可為各式導電性佳的金屬例如鋁、銀、鉬、金，或是上述材 料的合金，或是其它合適的材料，但不以此為限。另外，第一金屬電極層18與第二金屬電極 層20的厚度、面積與圖案等可視需求加以調整。太陽能電池10可另包括一保護層22設置於非晶半導體層14與第一金屬電極層 18之間。保護層22可為單層或多層結構，其材料可包含透明導電材料例如氧化銦錫(ITO)、 氧化銦鋅(IZO)、氧化錫銻(ATO)、氧化鋁鋅(AZO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等，但不以此為限。 透明導電材料的厚度例如可介於10納米至500納米之間。此外，保護層22的材料也可包 括抗反射材料，例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽，但不以此為限。另請注意此保護層22需要使用實質上透光的材料所構成，若使用不可透光的材料時，將會讓太陽能電池10無法進行 光電轉換。太陽能電池10也可另包括一第二半導體層M設置於結晶半導體基底12與第 二金屬電極層20之間並與結晶半導體基底12與第二金屬電極層20電性連接，用以降低接 觸電阻。當然，若沒有接觸電阻的問題，則此第二半導體層對就不需要採用。第二半導體 層M的材料可包括非晶矽材料，且第二半導體層M的厚度實質上介於1微米(μ m)至50 微米(Pm)之間，但不以此為限。第二半導體層M具有第一摻雜型式，且第二半導體層的 一摻雜濃度較佳高於結晶半導體基底12的摻雜濃度。例如在本實施例中，第二半導體層M 的摻雜濃度實質上介於1017atomS/Cm2至1021atomS/Cm2之間，但不以此為限。在本實施例 中，為了增加入光量，太陽能電池10的各膜層的接面，例如結晶半導體基底12與第一結晶 半導體層14的接面、第一結晶半導體層14與非晶半導體層16的接面，以及結晶半導體基 底12與第二半導體層對可選擇性地具有粗糙化(textured)處理，但不以此為限。若太陽 能電池10光電轉換效率較高時，可以考慮不用粗糙化處理。當然，若在此情況下有採用，則 轉換效率更好。在本實施例中，太陽能電池10的PN接面形成於結晶半導體基底12與第一結晶半 導體層14之間，也即空乏區為結晶半導體基底12與第一結晶半導體層14的界面。由於結 晶半導體基底12與第一結晶半導體層14之間具有同質接面(homo-junction)，因此，不易 產生接口缺陷(interface trap) 0另一方面，第一結晶半導體層14與非晶半導體層16之 間具有異質接面(hetero-jimction)，因此容易產生接口缺陷，但由於空乏區遠離第一結晶 半導體層14與非晶半導體層16之間具有異質接面，因此可降低電子-電洞對的複合，進而 使開路電壓上升，而可提升光電轉換效果。下文將針對本發明的製作太陽能電池的方法進行說明，且為了簡化說明，在下文 的實施例中使用相同的符號標註相同的組件，並不再對重複部分進行贅述。請參考圖2至 圖4。圖2至圖4繪示了本發明的一較佳實施例的製作太陽能電池的方法示意圖。如圖2 所示，首先提供一結晶半導體基底12，其中結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。為了 增加入光量，可對結晶半導體基底12的第一表面121進行粗糙化處理。當然，如上所述可 以不採用。接著於結晶半導體基底12的第一表面121上形成一非晶半導體層16，其中非晶 半導體層16具有第二摻雜型式。如圖3所示，接著進行一退火(annealing)工藝，將非晶半導體層16的摻質向下 擴散以於結晶半導體基底12內形成一第一結晶半導體層14。第一結晶半導體層14與結晶 半導體基底12具有相同的晶格型態但具有相反的摻雜型式，因此，結晶半導體基底12與第 一結晶半導體層14之間會形成一 PN接面，也即空乏區為結晶半導體基底12與第一結晶半 導體層14的界面。如圖4所示，隨後可選擇性地於非晶半導體層16上形成一保護層22，以及於保護 層22上形成一第一金屬電極層18。另外，可選擇性地於對結晶半導體基底12的第二表面 122進行粗糙化處理，並於結晶半導體基底12的第二表面122形成一第二半導體層24，以 及於第二半導體層M上形成一第二金屬電極層20。通過上述步驟，即可製作出本實施例的 太陽能電池40。請再參考圖5與圖6。圖5與圖6繪示了本發明的另一較佳實施例的製作太陽能 電池的方法示意圖。如圖5所示，首先提供一結晶半導體基底12，其中結晶半導體基底12具有一第一摻雜型式。接著於結晶半導體基底12的第一表面121形成一第一結晶半導體 層14。第一結晶半導體層14與結晶半導體基底12具有相反的摻雜型式。結晶半導體基底 12與第一結晶半導體層14可為相同的材料。當然，結晶半導體基底12與第一結晶半導體 層14也可為不同的材料，但是光電轉換效率可能會較不出色。如圖6所示，接著於第一結晶半導體層14上形成一非晶半導體層16，其中非晶半 導體層16具有該第二摻雜型式。隨後可選擇性地於非晶半導體層16上形成一保護層22， 以及於保護層22上形成一第一金屬電極層18。另外，可選擇性地於結晶半導體基底12的 第二表面122形成一第二半導體層24，以及於第二半導體層M上形成一第二金屬電極層 20。通過上述步驟，即可製作出本實施例的太陽能電池50。請參考圖7。圖7顯示了本發明的太陽能電池的暗電流密度與外加電壓的仿真圖。 本仿真是以接口缺陷密度(interface trap density,Dit)約為5*1013(#/cm2eV)的條件下 進行，且曲線A代表了第一結晶半導體層的厚度為0時(也即第一結晶半導體層不存在)的 暗電流密度與外加電壓的關係，而曲線B-F則分別代表面第一結晶半導體層的厚度約為15 納米(nm)、25納米(nm)、50納米(nm)、100納米(nm)與200納米(nm)時的暗電流密度與 外加電壓的關係。如圖7所示，在未照光的狀況下，對設置有第一結晶半導體層的太陽能電 池施加相同的外加電壓所產生的暗電流密度(如曲線B-F所示)明顯地低於對未設置有第 一結晶半導體層的太陽能電池施加相同的外加電壓所產生的暗電流密度(如曲線A所示)。 因此可證明本發明的第一結晶半導體層可有效地減少暗電流密度。請參考圖8。圖8顯示了本發明的太陽能電池的開路電壓Voc與第一結晶半導體 層的厚度X的仿真圖，其中曲線1是在接口缺陷密度約為2*1013(#/cm2eV)的條件下進行，而 曲線1』是在接口缺陷密度約為2.5*1013(#/cm2eV)的條件下進行。如圖8所示，在照光的 狀況下，當第一結晶半導體層的厚度X介於約大於0且小於等於200納米(nm)的範圍內， 太陽能電池的開路電壓Voc約介於620mV至700mV之間。請參考圖9。圖9顯示了本發明的太陽能電池的電流密度Jsc與第一結晶半導體 層的厚度X的仿真圖，其中曲線2是在接口缺陷密度約為2*1013 (#/cm2eV)的條件下進行，而 曲線2』是在接口缺陷密度約為2.5*1013(#/cm2eV)的條件下進行。如圖9所示，在照光的 狀況下，當第一結晶半導體層的厚度X介於約大於0且小於等於200納米(nm)的範圍內， 太陽能電池的開路電壓Jsc約介於^mA/cm2至32mA/cm2之間。請參考圖10。圖10顯示了本發明的太陽能電池的光電轉換效率與第一結晶半導 體層的厚度X的仿真圖，其中曲線3是在接口缺陷密度約為2*1013(#/cm2eV)的條件下進行， 而曲線3』是在接口缺陷密度約為2. 5*1013(#/cm2eV)的條件下進行。如圖9所示，在照光的 狀況下，當第一結晶半導體層的厚度X介於約大於0且小於等於200納米(nm)的範圍內， 太陽能電池的光電轉換效率約介於15%至17. 5%之間。特別是在第一結晶半導體層的厚 度X約介於10納米(nm)至20納米(nm)的範圍內，例如約15納米(nm)，太陽能電池的光 電轉換效率可達到約17. 5%。綜上所述，本發明的太陽能電池的空乏區是為結晶半導體基底與第一結晶半導體 層之間的同質接面，且空乏區遠離第一結晶半導體層與非晶半導體層之間具有異質接面， 因此，可降低電子-電洞對的複合，進而使開路電壓上升，而可提升光電轉換效果。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形 都應屬於本發明權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種太陽能電池，其特徵在於，包括一結晶半導體基底，具有一第一表面與一第二表面，其中該結晶半導體基底具有一第 一摻雜型式；一第一結晶半導體層，設置於該結晶半導體基底的該第一表面，其中該第一結晶半導 體層具有一第二摻雜型式，且該第二摻雜型式相反於該第一摻雜型式；一非晶半導體層，設置於該第一結晶半導體層上，其中該非晶半導體層具有該第二摻 雜型式；一第一金屬電極層，設置於該非晶半導體層上；以及一第二金屬電極層，設置於該結晶半導體基底的該第二表面。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，結晶半導體基底與該第一結晶半 導體層其中至少一者的材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，該第一結晶半導體層的一厚度小 於500納米。
4.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，該非晶半導體層的一厚度介於1納 米至20納米之間。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，該非結晶半導體層的一摻雜濃度 高於該第一結晶半導體層的一摻雜濃度。
6.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，另包括一第二半導體層，設置於該 結晶半導體基底與該第二金屬電極層之間並與該結晶半導體基底與該第二金屬電極層電 性連接，其中該第二半導體層具有該第一摻雜型式，且該第二半導體層的一摻雜濃度高於 該結晶半導體基底的一摻雜濃度。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池，其特徵在於，該第二半導體層的材料包括非晶 矽材料。
8.根據權利要求1所述的太陽能電池，其特徵在於，另包括一保護層，設置於該非晶半 導體層與該第一金屬電極層之間。
9.一種製作太陽能電池的方法，其特徵在於，包括提供一結晶半導體基底，其中該結晶半導體基底具有一第一摻雜型式；於該結晶半導體基底的一第一表面形成一第一結晶半導體層，其中該第一結晶半導體 層具有一第二摻雜型式，且該第二摻雜型式相反於該第一摻雜型式；於該第一結晶半導體層上形成一非晶半導體層，其中該非晶半導體層具有該第二摻雜 型式；於該非晶半導體層上形成一第一金屬電極層；以及於該結晶半導體基底的一第二表面形成一第二金屬電極層。
10.根據權利要求9所述的製作太陽能電池的方法，其特徵在於，於該結晶半導體基底 的該第一表面形成該第一結晶半導體層的步驟包括於該結晶半導體基底的該第一表面形成該非晶半導體層；以及進行一退火工藝，以於該結晶半導體基底內形成該第一結晶半導體層。
11.根據權利要求9所述的製作太陽能電池的方法，其特徵在於，該結晶半導體基底與 該第一結晶半導體層其中至少一者的材料包括一單晶矽材料或一多晶矽材料。
12.根據權利要求9所述的太陽能電池的方法，其特徵在於，該非結晶半導體層的一摻 雜濃度高於該第一結晶半導體層的一摻雜濃度。
13.根據權利要求9所述的製作太陽能電池的方法，其特徵在於，另包括於該結晶半導 體基底與該第二金屬電極層之間形成一第二半導體層，其中該第二半導體層具有該第一摻 雜型式，且該第二半導體層的一摻雜濃度高於該結晶半導體基底的一摻雜濃度。
14.根據權利要求13所述的製作太陽能電池的方法，其特徵在於，該第二半導體層的 材料包括一非晶矽材料。
15.根據權利要求9所述的製作太陽能電池的方法，其特徵在於，另包括於該非晶半導 體層與該第一金屬電極層之間形成一保護層。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能電池及其製造方法，該太陽能電池包括一結晶半導體基底、一第一結晶半導體層、一非晶半導體層、一第一金屬電極層以及一第二金屬電極層。結晶半導體基底具有一第一表面與一第二表面，且結晶半導體基底具有一第一摻雜型式。第一結晶半導體層設置於結晶半導體基底的第一表面，其中第一結晶半導體層具有一第二摻雜型式，且第二摻雜型式相反於第一摻雜型式。非晶半導體層設置於第一結晶半導體層上，且非晶半導體層具有第二摻雜型式。第一金屬電極層設置於非晶半導體層上。第二金屬電極層設置於結晶半導體基底的第二表面。本發明的太陽能電池可提升太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/0352GK102064211SQ20101053576
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者何偉碩, 劉致為, 古峻源, 吳振誠, 梁碩瑋, 賴忠威, 陳人傑, 陳宗保, 陳彥瑜 申請人:友達光電股份有限公司