TWI401812B

TWI401812B - Solar battery

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Publication number: TWI401812B
Application number: TW98146346A
Authority: TW
Original assignee: Metal Ind Res Anddevelopment Ct
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2013-07-11
Also published as: TW201123486A

Description

太陽能電池

本發明是有關於一種太陽能電池，特別是指一種非晶矽太陽能電池。

太陽輻射之光譜，主要是以可見光為中心，其分佈範圍以0.3微米(μm)之紫外光到數微米之紅外光為主，若換算成光子的能量，則約在0.4eV(電子伏特)到4eV之間。一般來說，理想的太陽電池材料必須具備有下列特性：能隙在1.1eV到1.7eV之間、直接能隙半導體、組成的材料無毒性、可利用薄膜沉積的技術、並可大面積製造、有良好的光電轉換效率，及具有長時期的穩定性；而矽的能隙為1.12eV，且矽為間接能隙半導體，它對光的吸收性不好，所以矽在這方面並非是最理想的材料，但是矽為地球上蘊含量第二豐富的元素，且矽本身無毒性、其氧化物穩定又不具水溶性，因此目前太陽電池仍舊以矽為主要材料。

矽原子依據不同的結晶方式，可區分成單晶矽、多晶矽及非晶矽，用單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上；多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成，因其製程簡單、成本較低，因此，目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超越單晶矽的太陽電池；非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可循。一般非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡稱PECVD)，在玻璃等基板上成長厚度約1微米(μm)左右的非晶矽薄膜，因為非晶矽對光的吸收性比矽強約500倍，所以對非晶矽而言只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效的吸收，而且不需要使用價格昂貴的結晶矽基板，改採用價格較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積的太陽電池成為可能。

參閱圖1，一般非晶矽太陽電池結構包含一基板11、一沉積成長於該基板11上的非晶矽薄膜12，及一與該非晶矽薄膜12相歐姆接觸的頂電極13。

該基板11具有一由玻璃構成的基材111，及一形成在該基材111表面，且由氧化銦錫(ITO)構成的透明導電膜112，該非晶矽薄膜12形成在該透明導電膜112上並與該透明導電膜112為歐姆接觸，可在照光時以光伏特效應產生電能，該頂電極13形成在該非晶矽薄膜12上，可與該透明導電膜112相互配合將由該非晶矽薄膜12產生的電能向外輸出。

該非晶矽薄膜12具有經過摻雜(doping)而具有能階差的一P型(positive-type)半導體123、一N型(negative-type)半導體125，及一能階位於該P、N型半導體123、125的能階之間的純質(intrinsic)半導體124，當該非晶矽薄膜太陽電池照光時，該P型半導體123、純質半導體124，及N型半導體125會吸收光子產生電子-電洞對，電子-電洞對因內建電塲分離而形成光電流，該頂電極13與該透明導電膜112相互配合，將產生的光電流向外輸出。

但是近幾年非晶矽太陽能電池的生產比例有逐漸下滑的趨勢，而其中影響非晶矽太陽電池發展的主要因素就是穩定度的問題。由於非晶矽材料含有大量的缺陷以及未鍵結的矽懸鍵(Dangling Bond)，因此，在強烈的光線照射下，將會產生缺陷而導致電流下降(即所謂的Staebler-Wronski效應)，發生供電不穩定的問題，且隨著照光時間的增加，非晶矽薄膜太陽電池效率亦會快速衰減。雖然目前有採用雙重接面(a-Si/a-SiGe)電池來提升非晶矽薄膜太陽電池的穩定度，但是，仍有持續努力發展的空間。

因此，如何發展出可降低非晶矽薄膜不穩定的缺點及適合太陽能電池能隙的材料，以提升非晶矽太陽電池的穩定性及光利用效率，一直是太陽能技術領域者持續努力的重要目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有高穩定性，及高光利用率的非晶矽太陽能電池。

於是，本發明一種太陽能電池，包含一基板、一非晶矽薄膜，及一頂電極。

該基板是可導電。

該非晶矽薄膜形成在該透明導電膜上且與該基板為歐姆接觸，包括經過摻雜而有能階差的一P型半導體、一N型半導體，及一能階位於該P、N型半導體的能階之間的本質半導體，該本質半導體具有一結晶區及一非結晶區，該結晶區的比例是佔該本質半導體的25~45%、晶粒尺寸不大於30nm，且位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔該結晶區的35~60%，該具有奈米晶矽之非晶矽薄膜可在接收太陽光能時以光伏特效應將光能轉換成電能。

該頂電極，形成在該非晶矽薄膜上，可與該基板相互配合將該非晶矽薄膜產生之電能向外輸出。

本發明之功效在於：利用結晶度介於25~45%之間，且控制該成結晶態的晶粒尺寸不大於30nm，並令位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度佔該結晶區的35~60%的本質半導體，不僅可減低非晶矽太陽能電池因照光後效率衰減的問題，且能形成多能隙結構，以增加不同波長的光吸收能力，而可增加輸出之光電流。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明太陽能電池之較佳實施例的結構與習知之非晶矽太陽能電池類似，是包含一基板2、一非晶矽薄膜3，及一頂電極4。

該基板2具有一基材21，及一形成在該基材21表面的透明導電膜22，由於該基材21，及該透明導電膜22的相關製程及材料為本技術領域者所周知，且非為本發明之重點，因此不再多加贅述，於本較佳實施例中，該基材21是玻璃，且該透明導電膜22是由含摻雜載子之氧化鋅為材料所構成，厚度介於50～800nm之間、表面粗糙度介於5~25nm於可見光之穿透率係大於85%且片電阻值係介於5Ω/□至15Ω/□之間。

值得一提的是，當該透明導電膜22的摻雜載子濃度不足或載子移動率過低時，均會導致導電性能不佳而影響輸出效率，因此，較佳地，該經摻雜的氧化鋅其摻雜載子濃度為1×10¹⁹ ~4×10²⁰ cm^-3 、結晶尺寸為5~15nm且載子移動率係為5~250cm² /V-s。

參閱表一，表一為在不同比例之O₂ :Ar的製程氣體所得到具有不同載子濃度、載子移動率、結晶尺寸及片電阻值的導電膜。

該非晶矽薄膜3形成在該透明導電膜22上，表面粗糙度介於2~15nm，且與該透明導電膜22為歐姆接觸，可在接收太陽光能時以光伏特效應將光能轉換成電能，包括經過摻雜而有能階差的一P型半導體31、一N型半導體33，及一能階位於該P、N型半導體31、33的能階之間的本質半導體32。

特別的是，該本質半導體32具有一結晶區及一非結晶區，該結晶區的比例是佔該本質半導體的25~65%，即該本質半導體32的結晶度是25~65%，且晶粒尺寸不大於30nm。

要說明的是，由於該本質半導體之結晶區的結晶型態對該本質半導體32的能隙及效率有極大之影響，當結晶區內之結晶愈緻密、缺陷愈少，則量子效率愈佳，而由Si-H鍵結於FT-IR的分析可知，結晶度較為緻密的Si-H鍵會在2070~2100cm^-1 之間有較強的吸收而出現峰值，因此，較佳地，該本質半導體32位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔該結晶區的35~60%之間。

特別說明的是，當奈米晶矽之晶粒小於30nm時，可形成量子侷限效應，且可由尺寸調整能隙的變化，當電子受到量子侷限效應的影響，使得原本連續的能帶結構變為分裂的能階結構，進而使矽原來的間接能隙變為接近直接能隙的能帶結構。此外，量子侷限效應更可藉以改良電特性，以增加可吸收之入射光能譜範圍，但是，當結晶區所佔的比例大於50%時，該本質半導體32的漏電流將隨之提升；反之，當結晶區比例過小，載子移動率亦將隨之下降，因此，較佳地，該結晶區的比例介於25%~50%之間，更佳地，該結晶區的比例介於25%~45%之間。

藉由控制該本質半導體32的結晶比例是介於25~65%之間且晶粒尺寸不大於30nm，可在本質半導體32引進更多的能帶，形成多能隙結構，以增加不同波長的光吸收，而可增加輸出之光電流。

此外，可再同時於該N型半導體33及P型半導體31導入微晶矽結構，不僅可提升太陽能電池的照光穩定性，且可將本發明太陽能電池的非晶矽薄膜3之高、中、低不同能階中，更進一步形成多能隙、多能帶的結構，可更有效的增加不同波長的光吸收，而可提升輸出之光電流；較佳地，該N型半導體的結晶度是介於50~80%之間，表面粗糙度為2~15nm，且該成結晶態的晶粒尺寸介於10nm~100nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔結晶比例之45~85%之間，該P型半導體的結晶度是介於10~30%之間，且該成結晶態的晶粒尺寸介於5nm~20nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔結晶比例之15~35%之間。

茲將沉積製程壓力為20mtorr，在不同之沉積功率及沉積氣體比例製得之非晶矽半導體膜的表面粗糙度和載子移動率，及本質半導體的結晶度分別整理如表二、表三所示。

於本較佳實施例中，該P型半導體31及該N型半導體33分別是經由III族及V族元素摻雜的P-型非晶矽及N-型非晶矽，該本質半導體32由矽基材料構成，結晶態為奈米晶矽，非結晶態為非晶矽，該N型半導體的結晶度是介於50~80%之間，該成結晶態的晶粒尺寸介於10nm~100nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔結晶比例之45~85%之間，該P型半導體的結晶度是介於10~30%之間，該成結晶態的晶粒尺寸介於5nm~20nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔結晶比例之15~35%之間，而可得到能階依序約為1.5~1.8eV、1.3~1.6eV，及1.2~1.4eV的P型半導體31、本質半導體32，及N型本質半導體33之非晶矽薄膜3結構。

該頂電極4，形成在該非晶矽薄膜3上，可與該透明導電膜22相互配合將該非晶矽薄膜3產生之電能向外輸出，於本較佳實施例中，該頂電極4是選自鋁且具有2~15nm的表面粗糙度。

本發明該本質半導體32的奈米晶矽是位於該非晶矽之中，而由於奈米晶矽具有比非晶矽更佳的導電性-奈米晶矽之載子遷移率(Carrier mobility)比一般非晶矽薄膜高出1~2個數量級，而暗電導值則介於10^-5 ~10^-7 (S.cm^-1 )之間，較一般非晶矽高出3~4個數量級，同時，奈米晶矽具有比非晶矽更佳的光吸收特性與照光穩定性，因此可防止非晶矽之缺陷結構中電子、電洞的複合，而可提升太陽能電池的開路(open circuit)電壓，提高非晶矽太陽電池的轉換效率，同時也可減低非晶矽結構中大量的缺陷以及未鍵結的矽懸鍵，在強烈的光線照射下，電池效率衰減的問題，而可提升太陽能電池的使用壽命。

參閱圖3、圖4，圖3所示為射頻功率密度為0.55W/cm² ，在不同氫氣稀釋比值R(R=H₂ /SiH₄ )，所製得之本質半導體的拉曼頻譜圖，圖4則為R=30、射頻功率1200W，及沉積壓力為30mtorr的條件下製得之本質半導體的FT-IR分析圖譜。

由圖3可知在R=10、R=20、R=30之峰值都介於480cm^-1 左右。在R=40時，圖中開始出現510~520 cm^-1 之峰值，對照其結晶度，可發現當氫稀釋比逐漸提高至R=40時，結晶度會緩慢上升，其中，R=H₂ /SiH₄ 。

參閱圖4，圖4中曲線1為該本質半導體的FT-IR圖譜，曲線2和曲線3為該本質半導體的結晶區，曲線4和曲線5則為該本質半導體的非結晶區，曲線4的吸收峰值代表的是非晶矽(a-Si：H)的Si-H鍵結，曲線5的吸收峰值則為該本質半導體於沉積過程中之矽甲烷(SiH₄ )因為解離不完全或於反應過程中形成之團聚物(SiH₃ )的Si-H鍵結，而吸收峰值位於2070~2100cm^-1 之間的曲線2代表的則是該結晶區中較為緻密且缺陷較少的微晶矽和奈米晶矽的Si-H鍵結，曲線3的吸收峰值則表示該結晶區中結晶結構較為鬆散且缺陷較多的Si-H鍵結，而由各區的Si-H光譜分析結果可知，本實施例位於2070~2100cm^-1 之間的Si-H鍵結約佔該為56%。

綜上所述，本發明藉由分別或同時控制該本質半導體、N型半導體及P型半導體之結晶度及該呈結晶態之晶粒尺寸，不僅可提升太陽能電池的照光穩定性，且可將太陽能電池的非晶矽薄膜之高、中、低不同能階中，更進一步形成多能隙、多能帶的結構，可更有效的增加不同波長的光吸收，而可提升輸出之光電流，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧基板

21‧‧‧基材

22‧‧‧透明導電膜

3‧‧‧非晶矽薄膜

31‧‧‧P型半導體

32‧‧‧本質半導體

33‧‧‧N型半導體

4‧‧‧頂電極

圖1是一示意圖，說明習知非晶矽薄膜太陽能電池結構；圖2是一示意圖，說明本發明太陽能電池之一較佳實施例；圖3是一拉曼頻譜圖，說明本發明該較佳實施例之本質半導體；及圖4是一FT-IR光譜圖，說明本發明該較佳實施例之本質半導體不同Si-H鍵結的吸收峰值。

2．．．基板

21．．．基材

22．．．透明導電膜

3．．．非晶矽薄膜

31．．．P型半導體

32．．．本質半導體

33．．．N型半導體

4．．．頂電極

Claims

一種太陽能電池，包含：一可導電的基板，具有一基材，及一形成在該基材表面的透明導電膜；一非晶矽薄膜，形成在該基板上且與該透明導電膜為歐姆接觸，包括經過摻雜而有能階差的一P型半導體、一N型半導體，及一能階位於該P、N型半導體的能階之間的本質半導體，該本質半導體具有一結晶區及一非結晶區，該結晶區的比例是佔該本質半導體的25~65%、晶粒尺寸不大於30nm，且位於2070~2100 cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔該結晶區的35~60%，該具有奈米晶矽之非晶矽薄膜可在接收太陽光能時以光伏特效應將光能轉換成電能；及一頂電極，形成在該非晶矽薄膜上，可與該基板相互配合將該非晶矽薄膜產生之電能向外輸出。
依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該該結晶區的比例是佔該本質半導體的25~45%。
依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該透明導電膜與該頂電極之表面粗糙度係介於5~25nm。
依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該N型半導體的結晶度是介於50~80%之間，且該成結晶態的晶粒尺寸介於10nm~100nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度是佔結晶比例之45~85%之間。
依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該 P型半導體的結晶度是介於10~30%之間，且該成結晶態的晶粒尺寸介於5nm~20nm，而其位於2070~2100cm^-1 之Si-H鍵結強度係佔結晶比例之15~35%之間。
依據申請專利範圍第1項所述的太陽能電池，其中，該可導電的基板具有一透明導電膜，該透明導電膜是由具摻雜載子的金屬氧化物所構成。
依據申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中，該透明導電膜之結晶尺寸為5~15nm，且該摻雜載子的濃度為1×10¹⁹ ~4×10²⁰ cm^-3 之間。
依據申請專利範圍第7項所述的太陽能電池，其中，該透明導電膜是由氧化鋅為材料所構成，厚度介於50~800nm之間，於可見光之穿透率不小於85%，且片電阻值係介於5Ω/□至15Ω/□之間。
依據申請專利範圍第6項所述的太陽能電池，其中，該摻雜載子的移動率係為5~250cm² /V-s。
依據申請專利範圍第2項所述的太陽能電池，其中，該非晶矽薄膜之表面粗糙度介於2~15nm之間。