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TW201334211A - 薄膜太陽能電池的中間反射結構 - Google Patents

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TW201334211A
TW201334211A TW101148644A TW101148644A TW201334211A TW 201334211 A TW201334211 A TW 201334211A TW 101148644 A TW101148644 A TW 101148644A TW 101148644 A TW101148644 A TW 101148644A TW 201334211 A TW201334211 A TW 201334211A
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Marian Fecioru-Morariu
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Tel Solar Ag
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Abstract

本發明涉及一種高效率及低成本製造的多接面薄膜太陽能電池(70)。多接面薄膜太陽能電池的構成電池(61)當中一個的n層(64、65、66、67)具有在照射光的既定方向上包含如下序列的結構：非晶形氫化矽n層(64)、第一微晶形氫化矽n層(65)、中間反射層(66)及第二微晶形氫化矽n層(67)，其中中間反射層係下列之一者：-單一的基本上微晶形氧化矽層；或-複數個層序列，每個層序列係由在照射光的既定方向上的基本上微晶形氧化矽層、及微晶矽n層所構成。本發明還涉及製造上述n層(64、65、66、67)的方法，及製造上述多接面薄膜太陽能電池(70)的方法。

Description

薄膜太陽能電池的中間反射結構
光伏裝置或太陽能電池係將光轉換成電力的裝置。薄膜太陽能電池現在特別重要，因為它們具有低成本量產的龐大潛力。具體而言，相較於例如非晶矽單一接面太陽能電池，多接面太陽能電池中的非晶形及微晶形或奈米晶形矽的組合因為較佳地使用太陽輻射而提供了可達到超過10%的能量轉換效率的前景。由於使用2個以上的不同能隙的光伏接面，因而能更有效率地使用具有光譜分布廣的照射光(例如太陽輻射)。進一步地，高品質的微晶矽不會受到如非晶矽的光致劣化(Staebler-Wronski效應)；因此相較於「純的」非晶矽單一接面太陽能電池，非晶形-微晶形矽多接面太陽能電池展現出較小的初始轉換效率下降。
定義
本發明概念中的「加工(processing)」包含作用在基板上的任何的化學性、物理性或機械性效應。
本發明概念中的「基板」係要在加工設備中處理的構件(component)、零件(part)或工件(workpiece)。基板包含但不限於具有長方形、正方形或圓形的扁平板狀零件。在本發明的較佳實施例中，係指尺寸>1m2之基本上平面的基板，如薄玻璃板。
「真空加工」或「真空處理」的「系統」或「設備」至少包括給要在比周圍大氣壓低的壓力下處理的基板用的包體(enclosure)。
「CVD」化學氣相沉積係熟知的技術，其可將層沉積在經加熱的基板上。通常為液態或氣態的前驅物材料被饋入加工系統，在該加工系統中該前驅物的熱反應造成該層的沉積。「LPCVD」係低壓CVD的慣用語。
「TCO」代表透明導電氧化物，因此「TCO層」係透明導電層。
用語「層」、「塗層(coating)」、「沉積物(deposit)」及「膜」在本說明書中係可交換使用的，用來代表在真空加工設備中所沉積的膜，該真空加工設備可為CVD、LPCVD(低壓CVD)、電漿強化CVD(PECVD)或PVD(物理氣相沉積)。
「太陽能電池」或「光伏電池(PV Cell)」係電性構件，其可利用光電效應將光(基本上是陽光)直接轉變成電能。
一般概念中的「薄膜太陽能電池」包含在支持基板上之利用半導體化合物的薄膜沉積所建立的至少一個p-i-n接面，其被夾在兩個電極或電極層之間。p-i-n接面或薄膜光電轉換單元包含被夾在p掺雜與n掺雜的半導體化合物層之間的本質半導體化合物層。用語「薄膜」係指所述的層係利用如PECVD、CVD、PVD或其類似者的製程沉積的薄層或膜。薄層基本上指厚度10μm以下的層，特別是低於2μm。
本說明書所載之任何層厚係指與各層的基部垂直所測量的平均厚度；基於足夠標示尺寸數量的測量點予以平均。
可行的a-Si/μc-Si串疊型接面薄膜太陽能電池的基本型態係顯示在第1圖。這種薄膜太陽能電池50通常包含連續堆疊在基板41上的第一或前電極42、一個以上的半導體薄膜p-i-n接面(52~54、51、44~46、43)、及第二或後電極47。每個p-i-n接面51、43或薄膜光電轉換單元包含被夾在p型層52、44與n型層54、46之間的i型層53、45(p型=正型掺雜，n型=負型掺雜)。本文中「大致上本質」係解釋為非有意的掺雜(not intentionally intrinsic)或基本上呈現無掺雜的結果(no resultant doping)。光電轉換主要發生在此i型層；因此它也稱為吸收層。
依i型層53、45的結晶分率(crystalline fraction)(結晶度(crystallinity))而定，將太陽能電池或光伏(轉換)裝置分為非晶形(a-Si，53)或微晶形(μc-Si，45)太陽能電池，而與鄰接的p及n層的結晶度種類無關。就本發明所屬技術領域中的通常知識，微晶形層應理解為在非晶形母體(amorphous matrix)中包括顯著分率的結晶矽(所謂的微結晶)。p-i-n接面的堆疊被稱為串疊型或三重接面光伏電池。非晶形與微晶形p-i-n接面的組合，如第1圖所示，亦稱為非微晶串疊型電池(micromorph tandem cell)。
前電極層42及後電極47層較佳為由ZnO：B(掺雜硼的氧化矽)所製成，該ZnO：B的製備係例如在歐瑞康(Oerlikon)工業TCO系統中利用LPCVD沉積。然而，也 能使用其他的透明導電層，諸如SnO2、ITO及其他。後反射器48較佳為積層在後電極上的白色塑膠箔。然而，以下將更詳細描述的本發明也能成功地使用其他型態的單向或擴散型反射層，諸如金屬反射器、白色塗料或其類似者。
上述及下述發明中的全部Si層能在以1200mm×1400mm電極為特色的KAI工業沉積系統中製備在1100mm×1300mm玻璃上。然而，本發明並不限於此特定的基板尺寸亦不限於此特定的沉積系統。在其他PECVD沉積系統上實施本發明並非發明的成果。
因為串疊型裝置的劣化係取決於非晶矽子裝置而非晶矽子裝置的劣化係取決於它的i層厚度，較佳為讓它盡可能地薄。然而，為了達成高電流，能使用所謂的中間反射器(通常被配置在上下電池53、45之間的低折射率層)，其將部分通過的光反射回非晶形電池以增加那裡被吸收的光量且造成非晶形電池的電流增加。
中間反射器本身係本發明所屬技術領域所熟知而例如能利用如下者來實施：TCO(例如，ZnO；N.Pellaton Vaucher等人；「利用中間反射層管理串疊型電池中的光線(Light Management in tandem cells by an intermediate reflector layer)」，光伏太陽能轉換之第2次世界論壇及展覽，1998年)、或與加寬能隙劑(band gap widening agent)形成合金的矽(例如，SiOx，Tawada等人；1984年US 4,476,346)。
所知的先前技術缺點
上述兩種方式非常適於將光線反射回上電池。從生產的觀點來看，利用TCO的方式是不受期待的，因為它需要在不同的系統中之額外的步驟，此舉顯著增加了生產成本。然而，從生產的觀點來看，矽系中間反射器非常適合。但是，因為它既不適合作為裝置的掺雜層也無益於裝置間的良好接觸，因此它成了裝置之電氣特性的干擾因素(disturbing factor)。因此，必須謹慎地將上下電池的本質層之間的整體結構最佳化。
因此，本發明的目的係至少克服本發明所屬技術領域中的一些上述缺點。
此目的係藉由以下來獲得：包括至少兩個電性串聯的太陽能電池的堆疊配置的多接面薄膜太陽能電池，例如，雙重、三重、或更多重的多接面電池，每個太陽能電池包括p-i-n接面，該p-i-n接面包括被夾在n掺雜的半導體化合物層與p掺雜的半導體化合物層之間的本質半導體化合物層。這些層的每一者可為單一層或包括複數個子層的多層(multilayer)。堆疊的多個太陽能電池當中一個的n層具有多層結構，該多層結構在照射光的既定方向上(換言之，在使用時入射光將通過電池的方向上)包括如下序列：n掺雜的a-Si：H層、第一n掺雜的μc-Si：H層、中間反射層、及第二n掺雜的μc-Si：H層。中間反射層包括複數個層序列，每個層序列在照射光的既定方向上基本上由μc-SiO層及n掺雜的μc-Si：H層所構成。μc-SiO層應解釋為「基本上μc-SiO」或「基本上微晶形 氧化矽層」，因為可能存在小量的其他成分，例如，在使用CO2作為加工中氧的來源的情況下可能有μc-SiC存在。以下亦同。
此舉產生極易製造的高效率電池，因為中間反射層係以多個電池當中一個的n掺雜的層的部分實現，僅藉由將如氧或二氧化碳之氧化氣體添加在與用來沉積其他電池層相同的PECVD設備中。每個基本上微晶形氧化矽層可具有8~18nm的厚度，特別是8~16nm，特別是12~16nm，9~11nm，且每個微晶矽n層可為約2nm厚。在另一實施例中，層序列的數量係2~6，特別是2~5，其在實務上已被證實能帶來好結果。
在替代性實施例中，以單一的μc-Si：H層取代複數個層序列的多層結構之中間反射層。此單一的中間反射層結構同樣產生極易製造的高效率電池，因為中間反射層係以多個電池當中一個的n掺雜的層的部分實現，僅藉由將如氧或二氧化碳之氧化氣體添加在與用來沉積其他電池層相同的PECVD設備中。此單一層可具有至少15~50nm的厚度，特別是20~40nm，且被沉積在第一微晶矽n層。
在一可與上述實施例之任一者組合的實施例中，符合下列條件當中至少一者：-非晶矽n層具有3~8nm的厚度，特別是4~6nm且被沉積在電池之較靠近入射光的本質矽層上，該電池之較靠近入射光的本質矽層係非晶形的；-第一微晶矽n層具有5~50nm的厚度，特別是 5~15nm，特別是6~12nm，特別是6~9nm，且被沉積在該非晶矽n層上；-第二微晶矽n層具有4~8nm的厚度，特別是4~6nm，特別基本上是5nm且在照射光的方向上位於中間反射層後面。
這些層厚在實務上已被證實能帶來好結果。在一可與上述實施例之任一者組合的實施例中，多接面薄膜太陽能電池還包括：前接點，係利用低壓化學氣相沉積由氧化鋅製成作為透明導電氧化物層電極。這可達成通常較薄的中間反射層，因為LPCVD沉積的氧化鋅相當粗糙因此具有良好的光散射性。
在一可與上述實施例之任一者組合的實施例中，位於最靠近照射光的本質半導體化合物層係非晶形，允許快速的上電池沉積。
在包括單一的中間反射層的實施例中，多接面薄膜太陽能電池在照射光的既定方向上包括下列層序列：基板；前電極；p層；a-Si：H的本質層；n掺雜的a-Si：H層；n掺雜的μc-Si：H層；n掺雜的μc-SiOx的中間反射層；n掺雜的μc-Si：H層；p層；μc-Si：H的本質層；n層；後電極；後反射器。
在包括多層中間反射層的替代性實施例中，多接面薄膜太陽能電池在照射光的既定方向上包括下列層序列：基板；前電極；p層；a-Si：H的本質層；n掺雜的a-Si：H層；n掺雜的μc-Si：H層；由複數個層系統所構成的中間反射層，每個層系統係由後面接n掺雜的μc-Si 層之n掺雜的μc-SiOx層所構成；n掺雜的μc-Si：H層；p層；μc-Si：H的本質層；n層；後電極；後反射器。
同樣地，本發明的目的係藉由製造多接面太陽能電池用的n層堆疊之方法來達成，在照射光的既定方向上(即，當電池使用時光將進入電池的方向)包括沉積：a-Si：H n層、第一μc-Si：H n層、中間反射層、及第二μc-Si：H n層。中間反射層包括複數個層序列，每個層序列的沉積係由沉積μc-SiO層及沉積n掺雜的μc-Si：H層所構成，它們係配置在照射光的既定方向上。在本方法的替代性實施例中，中間反射層的沉積包括沉積單一的μc-SiO層而非μc-SiO/n掺雜的μc-Si：H多層結構。
當被併入多接面太陽能電池時，這兩個實施例都產生極易製造的高效率電池，因為中間反射層係以多個電池當中一個的n掺雜的層的部分實現，僅藉由將氧化劑源添加在與用來沉積其他電池層相同的PECVD設備中。所討論的n掺雜的層的指定子層在層間產生良好的附著性，且在電池間產生良好的電性接觸。
在方法的實施例中，非晶矽層係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4(矽烷)流量312sccm；-H2(氫)流量733sccm；-PH3(膦)流量166sccm；-RF功率415W；-RF功率密度25mW/cm2；針對其他基板面積，上述的數值係按面積而線性地 增減；及-壓力0.5mbar；-沉積速率3.1A/s；在方法的實施例中，第一微晶矽n層(65)係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量41sccm；-H2流量4300sccm；-PH3流量51sccm；-RF功率1880W；-RF功率密度112mW/cm2；針對其他基板面積，上述的數值係按面積而線性地增減；及-壓力2.0mbar；-沉積速率0.8A/s；在方法的實施例中，中間反射層係單一的基本上微晶形氧化矽層且在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量60sccm；-H2流量9900sccm；-PH3流量300sccm；-CO2流量115sccm；-RF功率2200W；-RF功率密度131mW/cm2；針對其他基板面積，上述的數值係按面積而線性地增減；及 -壓力2.5mbar；-沉積速率0.9A/s；在方法的實施例中，第二微晶矽n層係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量51sccm；-H2流量4000sccm；-PH3流量250sccm；-RF功率2300W；-RF功率密度137mW/cm2；針對其他基板面積，上述的數值係按面積而線性地增減；及-壓力2.0mbar；-沉積速率1.1A/s；在此，這些數值係對其他基板面積線性地增減。
同樣地，本發明藉由一種製造多接面薄膜太陽能電池的方法來達成，其中第一電池及至少一個第二電池(即，合計2個以上電池)係沉積在基板上，每個電池包括p-i-n接面，該p-i-n接面包含被夾在n掺雜的半導體化合物層與p掺雜的半導體化合物層之間的本質半導體化合物層。多個電池當中一個的n層係依照如上述的製造n層堆疊的方法當中一者來沉積。此應用如上述的本發明的原理至多接面薄膜太陽能電池。
在製造含有單一的中間反射層的多接面薄膜太陽能電池的方法的替代性實施例中，該方法包括在基板上沉積如下的層序列：前電極；p層；a-Si：H的本質層；n掺 雜的a-Si：H層；n掺雜的μc-Si：H層；n掺雜的μc-SiOx的中間反射層；n掺雜的μc-Si：H層；p層；μc-Si：H的本質層；n層；後電極；後反射器。
在製造含有多層中間反射層的多接面薄膜太陽能電池的方法的替代性實施例中，該方法包括在基板上沉積如下的層序列：前電極；p層；a-Si：H的本質層；n掺雜的a-Si：H層；n掺雜的μc-Si：H層；由複數個層系統所構成的中間反射層，每個層系統係由後面接n掺雜的微晶矽層之n掺雜的μc-SiOx層所構成；n掺雜的μc-Si：H層；p層；μc-Si：H的本質層；n層；後電極；後反射器。
在製造含有單一的中間反射層的多接面薄膜太陽能電池的方法的另一替代性實施例中，該方法包括在基板上可選擇地沉積如下的層序列：後反射器；後電極；n層；μc-SiH的本質層；p層；n掺雜的μc-Si：H層；n掺雜的μc-SiOx的中間反射層；n掺雜的μc-Si：H層；n掺雜的a-Si：H層；a-Si：H的本質層；p層；前電極。
在製造含有多層中間反射層的多接面薄膜太陽能電池的方法的另一替代性實施例中，該方法包括在基板上可選擇地沉積如下的層序列：後反射器；後電極；n層；μc-Si：H的本質層；p層；n掺雜的μc-Si：H層；複數個層系統的中間反射層，每個層系統係由後面接n掺雜的μc-SiOx層之n掺雜的微晶矽層所構成；n掺雜的μc-Si：H層；n掺雜的a-Si：H層；a-Si：H的本質層；p層；前電極。
本發明將進一步藉由以下圖式中的非限定性的特定 實施例加以說明。
本發明聚焦於如第3圖所示之非微晶串疊型電池70的非晶形上電池61的n層的設計及特性。然而，它能應用於這種型態的任何薄膜矽多接面電池。在此，非晶形上電池係指從光入射側起之第一電池，其特徵為非晶形i層63(其亦能為漸變或多重的i層只要它們是非晶形的)。
本發明提出將先前技術的n層54修改為多層結構64-67。在最高的初始及穩定的非微晶模組電力(module power)方面，發現兩個n多層結構是最佳的解決方案(BKM)。以下所描述的層沉積序列係在非晶形i層63沉積後開始。選項(variant)3A及3B係分別與其他步驟組合而形成兩個BKM。
1.將厚度3~8nm(較佳為4~6nm)的非晶矽n層(n1、64)沉積在本質非晶形Si層63上。它的主要目的是可作為上電池61用的n層且亦可保護a-Si的i層63抵擋後續的侵蝕性(高RF功率及流量)微晶沉積製程。
2.將厚度5~15nm(較佳為6~12nm或6~9nm)的微晶矽n層(n2、65)沉積在非晶形Si層64上。此層有助於a-Si-n(層64)與後續的IMR之間的接觸。其更有助於IMR(層66)的成核(nucleation)及微晶成長。
3A.將厚度至少15nm至50nm(較佳為20~40nm)的微晶性氧化矽層(IMR，66)沉積在層65(n2，n-μc-Si)上，因而作為中間反射器。
3B.作為替代性方案，多層的總體IMR層(bulk IMR layer)66能由多重的μc-SiO及μc-Si-n序列建立。較佳地，μc-SiO具有厚度8~18nm或8~16nm，較佳為12~16nm或9~11nm，及基本上2nm微晶形n層。可以是多重的層結構(例如，3重：μc-SiO/μc-Si-n/μc-SiO/μc-Si-n/μc-SiO/μc-Si-n)。重點是μc-SiOx層的總厚度(其應在3A給的範圍內)，較不重要的是多層的數量或單一層的厚度。較佳的範圍係2~6或2~5重的μc-SiO及μc-Si-n序列。
相較於上述3A之單一層的總體μc-SiO IMR，利用多層的μc-SiO及利用非常薄且強結晶的μc-Si n層形成中間反射器66改善IMR μc-SiO堆疊的電氣特性。
在600nm處折射率值低於2.2的經強氧化的μc-SiO n掺雜的層，對達成良好的光學特性，例如達成將照射光強力反射回上電池61而言，是較佳的。然而，這種μc-SiO層的導電性隨著層厚增加而強烈地降低，導致太陽能電池的串聯電阻增加，其還可由降低的填充因子(fill factor，FF)獲得證實。
當藉由採用2~6個較薄的μc-SiO層的上述多層結構來改善IMR的電氣特性時，能同時維持低折射率的μc-SiO層的良好光學特性，其中該2~6個較薄的μc-SiO層係以非常薄的、名目上2nm厚的、強結晶的n掺雜的μc-Si層分開而形成上述多層結構。非常薄的n掺雜的μc-Si中間層的沉積條件能為類似那些用於IMR堆疊之第一n掺雜的μc-Si層65(即，n2層)者，其簡化加工。
μc-SiO多層結構的電氣性能的改善顯現在下面的實驗證據，其係和厚度與μc-SiO相同的上述3A之單一的μc-SiO層相比較。對IMR多層結構而言，強結晶及導電性非常高的n-μc-Si中間層(導電度~E+11/Ohm*cm)有助於增加μc-SiO層的結晶度及導電度。結果，如下表所示，包含此IMR多層堆疊的非微晶串疊型電池模組顯示出串聯電阻降低且因此改善了FF。
表1：比較單一層與具有利用方法3A(單一的n-μc-SiO層45nm厚)或方法3B(3個多層，每個n-μc-SiO層15nm厚，n-μc-SiO的總厚度45nm)所形成的IMR之非微晶模組。n-μc-SiO層具有高沉積速率2.4A/sec且在600nm處的折射率2.04。
已觀察到IMR層之μc-SiO的結晶化程度，和影響所及的導電度，就非微晶串疊型太陽能電池的優異結果是重要的。如上述3A之單一的、總體μc-SiO層的結晶度及導電度亦能藉由選擇有利於結晶成長的PECVD製程參數來增加。然而，這些方式需要強H稀釋的SiH4電漿，導致非常低的沉積速率。從製造觀點來看，如此 低的沉積速率是不佳的。上面所呈現的多層解決方案允許以相對高的速率沉積給IMR用的μc-SiO層，IMR層的整體結晶度及導電度藉由併入非常薄且強結晶的μc-Si-n中間層而增加。
4.厚度4~8nm(較佳為4~6nm，基本上為5nm)的微晶矽n層(n3，67)接在分別於3A項或3B項所述的層之後。主要目的係作為中間反射器與後續的下電池43的p層44之間的接觸，及作為給p層44用的成核層。它亦可使上下電池間的隧道復合接面(tunnel recombination junction)較佳。
能在表2看到本發明實施例的詳細沉積條件。在最後的N3層之後，下電池43係以其p層44開始。
表2：n子層用的沉積參數
在此表中，氣體通量(gas flux)及RF功率係根據設計給在1.4m2基板(1100×1300mm2)上沉積用的PECVD平行板反應器來給定。膦PH3，係如通常在本發明所屬技術領域般，在氫中以0.5：100的稀釋運送。本發明的潛在教示能對應其他基板或沉積系統尺寸而增加或縮減規模。沉積速率可被改變(因此表1所給定的通量及RF功率密度值可被改變)，然而各種n掺雜的層的磷原子濃度的絕對值必須基本上保持固定。
磷原子濃度的絕對量應解釋為+/-50%(較佳為+/-20%)的準確度。換言之，不同的n掺雜的層的磷原子濃度的關係n1：n2：n-SiOx：n3=0.5：0.33：3.0：1.4在上述限制及準確度範圍內是本發明的一部分。
表3：由EQE(外部量子效率，external quantum efficiency)測量所導出之有和沒有中間反射器的上下電池電流的比較。
在表3呈現在串疊型接面薄膜矽太陽能電池所產生的電流，包含有和沒有中間反射器的上下電池的個別值。比較例(沒有IMR)中之上下電池的厚度為 220nm/900nm，有IMR者為200nm/1000nm。在此範例，IMR的厚度為33nm。
雖然使用IMR的上電池比比較例薄20nm，但當使用IMR時上電池電流增加超過0.7mA/cm2(即，~7%)。這指出中間反射器成功地發揮作用。下電池電流僅稍微減少則指出因較高的能隙能量所產生之中間反射器的額外的有利效應(對讓光線通過到下電池而言，IMR係比μc-Si n層透明的層)。
EQE資料也顯示出相對於比較例，有IMR的模組的下電池電流極限較強。較薄的上電池連同因IMR所造成之較強的電流極限能使有IMR的模組的光致劣化較低。
表4顯示非微晶迷你模組的IV資料，該非微晶迷你模組包含具有不同結構的上電池n多層。最佳的已知方法(BKM)、與缺少構件層之不同的n層多結構(n-layer multi-structures)在IV參數上的差異亦可由表5獲得證實。
表4：最佳的已知方法的IV資料及缺少關鍵的子層的裝置的IV資料。實驗係基於多重IMR(案例3B)。「薄 的n2」係解釋為1~3nm，約本發明所提出之n2厚度的1/5。
表5：由於缺少關鍵層所造成的IV資料上的差異。實驗係基於多重IMR(案例3B)。
能從表4及5所示之資料看出作為本發明的一部分的n多層結構的必要性。BKM n多層結構獲得最低的串聯電阻及最高的FF。n2層對Voc也有顯著的影響。缺少n1及n3層造成FF及Voc兩者的損失。
如上述，因為中間反射層將部分的光反射回上電池，因此可使用較薄的上電池吸收層而不會損失上電池電流。這促成串疊型電池之光致劣化減少。第2圖顯示上電池中之有不同的n多層結構的非微晶迷你模組的光致劣化曲線。容易觀察到只有適合的n多層結構(如本發明中所述之BKM)能在初始狀況及光致劣化後都達成效率上的增益。相對於沒有IMR的n多層，沒有n1或有非常薄的n2的n多層結構無法在光致劣化後維持初始效率上的小增益。
表6顯示另一個範例，其反映出代表BKM的n多層 結構的優點。在此範例中使用折射率2.1及層厚40nm之不同的IMR層。此外，微晶形下電池用的PECVD製程稍微不同。類似表3所給的範例，相較於有缺少n1層或/及有非常薄的n2層的其他n多層結構，代表BKM的n多層結構具有最佳的IV參數及轉換效率。當缺少n1層時觀察到FF損失，然而薄的n2層也促成FF損失。也能確認了對有BKM n多層結構的電池稍微傾向較高的Voc。依沉積在上電池n多層結構上之後續的下電池的結晶度及結構而定，當使用BKM n多層結構時能觀察到非微晶模組的Voc出現較強的增加。
表6：最佳的已知方法的IV資料及缺少關鍵子層的裝置的IV資料。實驗係基於單一的IMR層(案例3A)
總結
一種多接面薄膜太陽能電池，包括至少兩個電性串聯的太陽能電池的堆疊配置，其中堆疊的多個太陽能電池當中一個的n層具有包括非晶矽n層(n1，64)、微晶矽n層(n2，65)、微晶形氧化矽層(IMR，66)及微晶矽n 層(n3，67)的結構。總體IMR層66能替代性地包含由多重的μc-SiO及μc-Si-n序列所建立的多層。層的順序係面向照射(未被反射的)光的方向。
非晶矽n層(n1，64)具有3~8nm的厚度，較佳為4~6nm且係沉積在電池之較靠近進來的光之本質非晶形Si層63上。微晶矽n層(n2，65)具有5~15nm的厚度，較佳為6~9nm且係沉積在非晶形Si層64上。微晶形氧化矽層(IMR，66)具有至少15nm~50nm的厚度，較佳為20~40nm且係沉積在層65(n2，n-μc-Si)上而作為中間反射器。
取代微晶形氧化矽層(IMR，66)，可為由多重的μc-SiO及μc-Si-n層建立的替代性多層，其特徵如下：μc-SiO層具有8~16nm的厚度，較佳為9~11nm。μc-Si-n層基本上係2nm厚。較佳為使用2~5重的μc-SiO及μc-Si-n序列。
最後，微晶矽n層(n3，67)呈現4~8nm的厚度，較佳為4~6nm，基本上為5nm，跟在微晶形氧化矽層(IMR，66)或多層之後。本發明的層堆疊能在本發明所屬技術領域的PECVD沉積系統中沉積，使用周知且市售之如氫、矽烷、二氧化碳的製程氣體及如膦及硼的掺雜劑。
已發現以由LPCVD沉積的ZnO作為透明導電氧化物層(電極)所製成的前電極是有利的，因為粗糙的TCO允許一般較薄的IMR層。
一種製造如上述的n層堆疊的方法，包括沉積非晶矽n層(n1，64)、微晶矽n層(n2，65)、微晶形氧化矽層 (IMR，66)、及微晶矽n層(n3，67)。總體IMR層66能被替代性地沉積為來自多重的μc-SiO及μc-Si-n序列的多層堆疊。層的順序係面向照射(未被反射的)光的方向。依電池的結構及基礎結構的定向(oreintation)而定，可將沉積順序顛倒(nip或pin接面堆疊)。
本發明的層堆疊能併入串疊型、三重或其他的多接面配置。雖然範例針對薄膜矽層堆疊，但是本發明可廣泛地滿足在薄膜層堆疊中反射光線的需求。因此，本發明的原理也可使用在其他類型的堆疊型太陽能電池配置。
雖然本發明已以特定的實施例加以說明，但是可從它們在由附加的申請專利範圍所定義的發明的範圍內變化。
41‧‧‧基板
42‧‧‧前電極、第一電極
43‧‧‧下電池、p-i-n接面
44‧‧‧p層、p型層
45‧‧‧i層、i型層
46‧‧‧n層、n型層
47‧‧‧後電極、第二電極
48‧‧‧後反射器
50‧‧‧薄膜太陽能電池
51‧‧‧p-i-n接面
52‧‧‧p型層
53‧‧‧i型層
54‧‧‧n型層、n層
61‧‧‧電池、上電池
62‧‧‧p層
63‧‧‧i層、非晶形i層、本質非晶形Si層
64‧‧‧n1層、非晶矽n層、非晶形Si層、非晶形氫化矽n層
65‧‧‧n2層、第一微晶矽n層、微晶矽n層、第一微晶形氫化矽n層
66‧‧‧IMR層、微晶性氧化矽層、總體IMR層、中間反射層
67‧‧‧n3層、第二微晶形氫化矽n層、微晶矽n層
70‧‧‧多接面薄膜太陽能電池、非微晶串疊型電池
第1圖係先前技術的串疊型接面薄膜太陽能電池；第2圖係在上電池中之含有不同的n多層結構的非微晶迷你模組的光致劣化曲線的圖表；及第3圖係本發明的串疊型接面薄膜太陽能電池。
41‧‧‧基板
42‧‧‧前電極
43‧‧‧下電池
44‧‧‧p層
45‧‧‧i層
46‧‧‧n層
47‧‧‧後電極
48‧‧‧後反射器
61‧‧‧上電池
62‧‧‧p層
63‧‧‧i層
64‧‧‧n1層
65‧‧‧n2層
66‧‧‧IMR層
67‧‧‧n3層
70‧‧‧多接面薄膜太陽能電池

Claims (21)

  1. 一種多接面薄膜太陽能電池(70)，包括至少兩個電性串聯的太陽能電池(61；43)的堆疊配置，每個太陽能電池(61；43)包括p-i-n接面，該p-i-n接面包括被夾在n掺雜的半導體化合物層(64、56、66、67；46)與p掺雜的半導體化合物層(62；44)之間的本質半導體化合物層(63；45)，其中該等堆疊的太陽能電池(61；43)當中一個的該n層(64、56、66、67)具有在照射光的既定方向上包括如下序列的結構：非晶形氫化矽n層(64)、第一微晶形氫化矽n層(65)、中間反射層(66)及第二微晶形氫化矽n層(67)，其中該中間反射層包括複數個層序列，每個層序列在照射光的既定方向上由基本上微晶形氧化矽層及微晶矽n層所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中每個層序列在照射光的既定方向上由基本上微晶形氧化矽層及微晶矽n層所構成，每個基本上微晶形氧化矽層具有8~18nm的厚度，特別是8~16nm，更特別是12~16nm，更特別是9~11nm，且每個微晶矽n層基本上係2nm厚，它們係沉積在該第一微晶矽n層(65)上。
  3. 如申請專利範圍第2項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中該複數個係2~6或2~5個。
  4. 一種多接面薄膜太陽能電池(70)，包括至少兩個電性 串聯的太陽能電池(61；43)的堆疊配置，每個太陽能電池(61；43)包括p-i-n接面，該p-i-n接面包括被夾在n掺雜的半導體化合物層(64、56、66、67；46)與p掺雜的半導體化合物層(62；44)之間的本質半導體化合物層(63；45)，其中該等堆疊的太陽能電池(61；43)當中一個的該n層(64、56、66、67)具有在照射光的既定方向上包括如下序列的結構：非晶形氫化矽n層(64)、第一微晶形氫化矽n層(65)、中間反射層(66)及第二微晶形氫化矽n層(67)，其中該中間反射層包括單一的基本上微晶形氧化矽層。
  5. 如申請專利範圍第4項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中該單一的基本上微晶形氧化矽層具有至少15nm~50nm的厚度，特別是20~40nm，它係沉積在該第一微晶矽n層(65)上。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其係下列至少一者：-該非晶矽n層(64)具有3~8nm的厚度，特別是4~6nm且被沉積在該電池之較靠近入射光的該本質矽層(63)上，該電池(61)之較靠近入射光的本質矽層(63)係非晶形；-該第一微晶矽n層(65)具有5~50nm的厚度，特別是5~15nm，特別是6~12nm，更特別是6~9nm，且被沉積在該非晶矽n層(64)上； -該第二微晶矽n層(67)具有4~8nm的厚度，特別是4~6nm，特別基本上是5nm且在照射光的方向上位於該中間反射層(66)後面。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中該多接面薄膜太陽能電池(70)還包括：前接點(42)，係由LPCVD沉積的ZnO製成作為透明導電氧化物層電極。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中位於最靠近照射光的該本質半導體化合物層(63)係非晶形。
  9. 如申請專利範圍第4至8項中任一項之多接面薄膜太陽能電池(70)，其中在照射光的方向上包括：-基板(41)；其上-前電極(42)；其上-p層(62)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-n掺雜的μc-SiOx的中間反射層(66)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上-p層(44)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-n層(46)；其上-後電極(47)；其上-後反射器(48)。
  10. 如申請專利範圍第1至3項或依附第1至3項時之第6~8項中任一項之多接面薄膜太陽能電池，其中在照射光的方向上包括：-基板(41)；其上-前電極(42)；其上-p層(62)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-由複數個層系統所構成的中間反射層(66)，每個層系統係由後面接n掺雜的微晶矽層之n掺雜的μc-SiOx層所構成；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上-p層(44)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-n層(46)；其上-後電極(47)；其上-後反射器(48)。
  11. 一種製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，包括在照射光的既定方向上沉積：非晶形氫化矽n層(64)、第一微晶形氫化矽n層(65)、中間反射層(66)、及第二微晶形氫化矽n層(67)，其中該中間反射層(66)的沉積包括：沉積複數個層序列，每個層序列的沉積係由沉積微晶形氧化矽層、及沉積微晶矽n層所構成。
  12. 一種製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，包括在照射光的既定方向上沉積：非晶形氫化矽n層(64)、第一微晶形氫化矽n層(65)、中間反射層(66)、及第二微晶形氫化矽n層(67)，其中該中間反射層(66)的沉積包括：沉積單一的微晶形氧化矽層。
  13. 如申請專利範圍第11或12項之製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，其中該非晶矽層(64)係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量312sccm；-H2流量733sccm；-PH3流量166sccm；-RF功率415W；-RF功率密度25mW/cm2；針對其他基板面積，這些數值係線性地增減(linearly scaled)；及-壓力0.5mbar；-沉積速率3.1A/s。
  14. 如申請專利範圍第11至13項中任一項之製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，其中該第一微晶矽n層(65)係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量41sccm；-H2流量4300sccm；-PH3流量51sccm； -RF功率1880W；-RF功率密度112mW/cm2；針對其他基板面積，這些數值係線性地增減；及-沉積速率0.8A/s；-壓力2.0mbar。
  15. 如申請專利範圍第11至14項中任一項之製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，其中該中間反射層(66)係單一的基本上微晶形氧化矽層且在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量60sccm；-H2流量9900sccm；-PH3流量300sccm；-CO2流量115sccm；-RF功率2200W；-RF功率密度131mW/cm2；針對其他基板面積，這些數值係線性地增減；及-沉積速率0.9A/s；-壓力2.5mbar。
  16. 如申請專利範圍第11至15項中任一項之製造多接面太陽能電池(70)用的n層堆疊之方法，其中該第二微晶矽n層(67)係在下列條件下利用電漿強化化學氣相沉積來對1.4m2基板沉積：-SiH4流量51sccm；-H2流量4000sccm； -PH3流量250sccm；-RF功率2300W；-RF功率密度137mW/cm2；針對其他基板面積，這些數值係線性地增減；及-沉積速率1.1A/s；-壓力2.0mbar。
  17. 一種製造多接面薄膜太陽能電池(70)之方法，包括在基板上沉積第一電池(61)及至少一個第二電池(43)，每個電池包括p-i-n接面，該p-i-n接面包含被夾在n掺雜的半導體化合物層(64、65、66、67；46)與p掺雜的半導體化合物層(62；44)之間的本質半導體化合物層(63；45)，其中該等電池(61)當中一個的該n層(64、65、66、67)係依照如申請專利範圍第11至16項中任一項之製造n層堆疊之方法沉積。
  18. 如依附申請專利範圍第12項時之第17項之製造多接面薄膜太陽能電池(70)之方法，該方法包括在基板上沉積下列的層序列：-前電極(42)；其上-p層(62)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-n掺雜的μc-SiOx的中間反射層(66)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上 -p層(44)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-n層(46)；其上-後電極(47)；其上-後反射器(48)。
  19. 如依附申請專利範圍第11項時之第17項之製造多接面薄膜太陽能電池之方法，該方法包括在基板上沉積下列的層序列：-前電極(42)；其上-p層(62)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-由複數個層系統所構成的中間反射層(66)，每個層系統係由後面接n掺雜的微晶矽層之n掺雜的μc-SiOx層所構成；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上-p層(44)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-n層(46)；其上-後電極(47)；其上-後反射器(48)。
  20. 如依附申請專利範圍第12項時之第17項之製造多接面薄膜太陽能電池之方法，該方法包括在基板上沉積 下列的層序列：-可選擇的，後反射器(48)；其上-後電極(47)；其上-n層(46)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-p層(44)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上-n掺雜的μc-SiOx的中間反射層(66)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-p層(62)；其上-前電極(42)。
  21. 如依附申請專利範圍第11項時之第17項之製造多接面薄膜太陽能電池之方法，該方法包括在基板上沉積下列的層序列：-可選擇的，後反射器(48)；其上-後電極(47)；其上-n層(46)；其上-μc-Si：H的本質層(45)；其上-p層(44)；其上-n掺雜的μc-Si：H層(67)；其上-複數個層系統的中間反射層(66)，每個層系統係由後面接n掺雜的μc-SiOx層之n掺雜的微晶矽層所構 成；其上-n掺雜的μc-Si：H層(65)；其上-n掺雜的a-Si：H層(64)；其上-a-Si：H的本質層(63)；其上-p層(62)；其上-前電極(42)。
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