TWI426618B - 太陽能電池及其製備方法 - Google Patents

Description

太陽能電池及其製備方法

本發明涉及一種太陽能電池及其製備方法。

太陽能電池係利用半導體材料之光生伏特原理製成的。根據半導體光電轉換材料種類不同，太陽能電池可以分為矽基太陽能電池(請參見太陽能電池及多晶矽之生產，材料與冶金學報，張明傑等，vol6，p33-38(2007))、砷化鎵太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等。

目前，太陽能電池以矽基太陽能電池為主。請參閱圖1，先前技術中之矽基太陽能電池30包括：一背電極32、一P型矽層34、一N型矽層36和一上電極38。所述P型矽層34採用多晶矽或單晶矽製成，具有第一表面342以及與該第一表面342相對設置之第二表面344，該第二表面344為一平面結構。所述背電極32設置於所述P型矽層34之第一表面342，且與該P型矽層34之第一表面342歐姆接觸。所述N型矽層36形成於所述P型矽層34之第二表面344，作為光電轉換之材料。該N型矽層36之表面為一平整的平面結構。所述上電極38設置於所述N型矽層36之表面。所述太陽能電池30中P型矽層34和N型矽層36形成P-N結區。當該太陽能電池30在工作時，光從上電極38一側直接入射至所述上電極38，並經過所述 上電極38和所述N型矽層36到達所述P-N結區，所述P-N結區在光子激發下產生複數電子-空穴對(載流子)，所述電子-空穴對在靜電勢能作用下分離並分別向所述背電極32和上電極38移動。如果在所述太陽能電池30之背電極32與上電極38兩端接上負載，就會有電流通過外電路中之負載。

然而，上述結構中所述光子需要通過所述上電極38和所述N型矽層36之後才到達所述P-N結區，使得一部分入射光線被所述上電極38和N型矽層36吸收，使所述P-N結區對光之吸收率較低，進而減少了P-N結區激發出之載流子之量，降低了太陽能電池30之光電轉換效率。

有鑒於此，提供一種具有較高光電轉換效率之太陽能電池及其製備方法實為必要。

一種太陽能電池，其包括：依次並排且接觸設置之一第一電極層、一P型矽層、一N型矽層及一第二電極層，該P型矽層與該N型矽層接觸並形成一P-N結區，其中，上述各層沿一直線連續設置成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，且該平面結構之表面為該太陽能電池直接接受光線入射之受光端面。

一種太陽能電池，其包括：複數串聯設置之電池單元，每個電池單元包括依次並排且接觸設置之一第一電極層、一P型矽層、一N型矽層及一第二電極層，該P型矽層與該N型矽層接觸並形成一P-N結區，其中，上述每個電池單元中之各層沿一直線連續設置 成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，該平面結構之表面為該電池單元直接接受光線入射之受光端面。

一種太陽能電池之製備方法，其包括以下步驟：提供複數電池預製體，每個電池預製體包括：依次層疊且接觸設置之一第一電極層基材、一P型矽層基材、一N型矽層基材及一第二電極層基材；將上述複數電池預製體沿一個方向層疊設置，使每個電池預製體中之第一電極層基材與相鄰之電池預製體中之第二電極層基材相接觸；沿層疊之方向切割所述複數電池預製體，形成至少一平面結構，該平面結構之表面平行於該切割方向。

相較於先前技術，所述太陽能電池工作時，光可直接入射至所述受光端面，由於該受光端面沒有被電極覆蓋，使得光子不必先經過電極、N型矽層後才到達P-N結區，從而減少了電極和N型矽層對光之吸收，提高了P-N結區之光吸收率，相應地，使得P-N結區可激發出更多之電子-空穴對，提高了整個太陽能電池之光電轉換效率。

10，20‧‧‧太陽能電池

12，22‧‧‧第一電極層

14，24‧‧‧P型矽層

142，242‧‧‧第一表面

144，244‧‧‧第二表面

16，26‧‧‧N型矽層

162，262‧‧‧第三表面

164，264‧‧‧第四表面

17，27‧‧‧受光端面

18，28‧‧‧第二電極層

19，29‧‧‧減反射層

21‧‧‧電池單元

210‧‧‧電池預製體

220‧‧‧第一電極層基材

240‧‧‧P型矽層基材

241‧‧‧第五表面

243‧‧‧第六表面

260‧‧‧N型矽層基材

261‧‧‧第七表面

263‧‧‧第八表面

280‧‧‧第二電極層基材

圖1為先前技術中之太陽能電池之結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供之太陽能電池之主視圖。

圖3為本發明第一實施例提供之太陽能電池之立體結構示意圖。

圖4為本發明第二實施例提供之太陽能電池之主視圖。

圖5為本發明第二實施例提供之太陽能電池之立體結構示意圖。

圖6為本發明第三實施例提供之太陽能電池之製備方法流程圖。

圖7為本發明第三實施例提供之太陽能電池之製備過程流程圖。

下面將結合附圖及具體實施例對本發明之太陽能電池及其製備方法作進一步之詳細說明。

請參閱圖2及圖3，本發明第一實施例提供一種太陽能電池10，包括：依次並排且接觸設置之一第一電極層12、一P型矽層14、一N型矽層16以及一第二電極層18。上述各層沿一直線連續設置成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，該平面結構之表面為該太陽能電池10直接接受光線入射之受光端面17。所述平面結構具體指所述太陽能電池10具有較小之厚度，從而使整個太陽能電池10可看作一面狀結構，所述平面結構之表面與所述太陽能電池10之厚度方向相垂直。具體地，該P型矽層14具有相對之一第一表面142和一第二表面144，該N型矽層16具有相對之一第三表面162和一第四表面164。該第一電極層12設置在該P型矽層14之第一表面142，並與該P型矽層14電接觸，該第二電極層18設置在該N型矽層16之第四表面164，並與該N型矽層16電接觸。該P型矽層14之第二表面144與該N型矽層16之第三表面162接觸並形成一P-N結區。

所述P型矽層14具有一與該第一表面142及第二表面144相連之第一側面(圖未標)，所述N型矽層16具有一與該第三表面162及第四表面164相連之第二側面(圖未標)，所述第一側面和第二側面共同構成所述受光端面17。由於所述P-N結區形成於所述P型矽 層14和N型矽層16之接觸面附近，因此，所述P-N結區通過所述受光端面17同時暴露出P型矽層14和N型矽層16。

所述P型矽層14為一層狀結構，該P型矽層14之材料可以係單晶矽、多晶矽或其他之P型半導體材料。所述P型矽層14沿第一表面142到第二表面144方向之厚度為200微米~300微米。所述第一側面與第一表面142及第二表面144之間之夾角可大於0度且小於180度，優選為，該夾角為90度。本實施例中，所述第一側面與第一表面142及第二表面144垂直，所述P型矽層14為一厚度為200微米之P型單晶矽片。

所述N型矽層16形成於所述P型矽層14之第二表面144，該N型矽層16為一層狀結構。該N型矽層16可以通過向一矽片注入過量之如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述N型矽層16沿第三表面162到第四表面164方向上之厚度為10奈米~1微米。所述第二側面與第一表面142及第二表面144之間之夾角可大於0度且小於180度，優選為，該夾角為90度。本實施例中，所述第二側面與第三表面162和第四表面164垂直，所述N型矽層16之厚度為50奈米。

所述相互接觸之P型矽層14之第二表面144和N型矽層16之第三表面162附近形成所述P-N結區。在該P-N結區中，N型矽層16中之多餘電子趨向P型矽層14，並形成一個由N型矽層16指向P型矽層14之內電場。當所述P-N結區在光之激發下產生複數電子-空穴對時，所述複數電子-空穴對在內電場作用下分離，N型矽層16中之電子向所述第二電極層18移動，P型矽層中之空穴向所述第一電極層12移動，然後分別被所述第一電極層12和第二電極層18收集， 形成電流，從而實現所述太陽能電池10中光能到電能之轉換。

由於入射光不需要穿過所述第一電極層12到達P-N結區，所述第一電極層12可以為一連續之面狀結構覆蓋所述P型矽層14之第一表面142之整個表面，當然，第一電極層12也可為一網格狀或柵格狀結構覆蓋所述第一表面142之部分表面。所述第一電極層12之材料為具有導電性之材料，該材料具體可為金屬、導電聚合物、銦錫氧化物及奈米碳管結構。優選為該第一電極層12由一連續之具有面狀結構之金屬材料層構成，該金屬材料層覆蓋整個所述第一表面142。該金屬材料可為鋁、銅、或銀等。該第一電極層12之厚度不限，優選為50奈米~300奈米。本實施例中，所述第一電極層12為一厚度約為200奈米之鋁箔。

由於入射光不需要穿過所述第二電極層18到達P-N結區，所述第二電極層18可以為一連續之面狀結構覆蓋所述N型矽層16之第四表面164之整個表面，也可為一網格狀或柵格狀結構覆蓋所述第四表面164之部分表面。該第二電極層18之材料為具有導電性之材料，該材料具體可選自金屬、導電聚合物、銦錫氧化物或奈米碳管。優選為該第二電極層18由一連續之具有面狀結構之金屬材料層構成，該金屬材料層覆蓋整個所述第四表面164。所述金屬材料可為鋁、銅、或銀等。該第二電極層18之厚度不限，優選為50奈米~300奈米。本實施例中，所述第二電極層18為一厚度約為200奈米之鋁箔。

所述第一電極層12及第二電極層18可均不透光，從而可以避免光線穿過第一電極層12及第二電極層18，造成光電轉換效率降低。

當該太陽能電池10工作時，不同於傳統之使光照射所述覆蓋有網狀金屬電極或透明電極之第四表面164，而係將第一側面和第二側面作為受光端面17，接受光之入射。由於該受光端面17沒有被第二電極層18覆蓋，即P-N結區直接暴露出P型矽層14和N型矽層16，使得光子可以直接被所述P-N結區吸收，並不必先經過第二電極層18、N型矽層16後才到達P-N結區，從而減少了第二電極層18和N型矽層16對光之吸收，提高了P-N結區對光之吸收率，相應地，使得P-N結區可激發出更多之電子-空穴對。此外，由於所述第二電極層18沒有設置在所述受光端面17上，因此無需考慮第二電極層18阻擋光之影響因素，使得該第二電極層18可設置成任何形狀，甚至可為一面狀結構覆蓋至所述N型矽層16之整個第四表面，從而增大了整個第二電極層18之面積，並減小了P-N結區產生之載流子擴散至所述第二電極層18之長度，減少了載流子之內部損耗，從而提高了整個太陽能電池10之光電轉換效率。

此外，所述受光端面17與所述第四表面164之間之夾角可大於0度且小於180度，優選為該夾角為90度。

進一步地，為減少光之反射，使更多之光能被所述P-N結區吸收，在所述受光端面17可進一步設置一減反射層19，該減反射層19可使光線入射並減少光之反射，且對光之吸收較少，該減反射層19之材料為氮化矽(Si₃N₄)或二氧化矽(SiO₂)等。該減反射層19之厚度可小於150奈米，本實施例中，該減反射層為900埃(Å)之氮化矽層。

上述整個太陽能電池10之厚度為從受光端面17到與該受光端面17 相對之太陽能電池10另一端面之間之距離。當該受光端面17與該第四表面164垂直時，該太陽能電池10之厚度也係所述P型矽層14、N型矽層16、第一電極層12及第二電極層18垂直於該受光端面17方向之寬度。該太陽能電池10之厚度不限，可根據從所述受光端面17入射之光在所述P型矽層14及N型矽層16中之透過率而設定。優選為，該厚度為使光透過率為零時之厚度，從而可使整個太陽能電池10有效利用所吸收之光。本實施例中，該太陽能電池10之厚度為50微米~300微米。

此外，由於無需考慮第一電極層12和第二電極層18對光線之阻擋因素，因此，對該第一電極層12和第二電極層18之形狀、結構要求降低，從而使得製備方法簡單。

請參閱圖4及圖5，本發明第二實施例提供一種太陽能電池20，該太陽能電池20包括複數串聯設置之電池單元21，優選地該複數電池單元21並排且接觸設置。該每個電池單元21包括：依次並排且接觸設置之一第一電極層22、一P型矽層24、一N型矽層26以及一第二電極層28。上述各層沿一直線連續設置成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，該平面結構之表面為該電池單元21直接接受光線入射之受光端面。具體地，該每個電池單元21中之P型矽層24具有相對之一第一表面242和一第二表面244，該N型矽層26具有相對之一第三表面262和一第四表面264。該第一電極層22設置在該P型矽層24之第一表面242，並與該P型矽層24電接觸，該第二電極層28設置在該N型矽層26之第四表面264，並與該N型矽層26電接觸。該P型矽層24之第二表面244與 該N型矽層26之第三表面262接觸並形成一P-N結區。優選地，所述複數電池單元21沿所述直線層疊，且每個電池單元21之第二電極層28與相鄰之電池單元21之第一電極層22接觸。該複數平面結構之表面共同構成該太陽能電池20直接接受光線入射之受光端面27。

所述P型矽層24具有一與該第一表面242及第二表面244相連之第一側面(圖未標)，所述N型矽層26具有一與該第三表面262及第四表面264相連之第二側面(圖未標)，上述複數電池單元21中之複數第一側面和複數第二側面共同構成所述受光端面27。

該每個電池單元21之結構與上述第一實施例之太陽能電池10之結構相同，在此不再詳細贅述。該每個電池單元21之第二電極層28與相鄰之電池單元21之第一電極層22可通過導電黏結劑黏結或相互鍵合，且二者之材料可以相同或不同，當二者之材料相同時，該每個電池單元21之第二電極層28與相鄰之電池單元21之第一電極層22可被鍵合成一體。該複數電池單元21可通過一壓合機壓合在一起。

上述每個電池單元21中，所述第一電極層22優選為覆蓋所述P型矽層24之整個第一表面242之金屬材料層，所述第二電極層28優選為覆蓋所述N型矽層26之整個第四表面264之金屬材料層。

此外，為減少電極對整個太陽能電池20之受光面積之佔用，所述相鄰之兩個電池單元21之間之第一電極層22和第二電極層28之總厚度優選為在100奈米~400奈米之範圍內。本實施例中，該第一 電極層22和第二電極層28沿第一表面242到第二表面244之方向上之總厚度為300奈米。

進一步地，為減少光之反射，使更多之光能被所述P-N結區吸收，在所述太陽能電池20之受光端面27可進一步設置一減反射層29，該減反射層29可使光線入射並減少光之反射，且對光之吸收較少，該減反射層29之材料為氮化矽(Si₃N₄)或二氧化矽(SiO₂)等。該減反射層29之厚度可小於150奈米，本實施例中，該減反射層為900埃(Å)之氮化矽層。

所述太陽能電池20所包括之電池單元21之數量不限，可根據實際需要之輸出電壓而設定，本實施例中，所述太陽能電池20包括100個電池單元21。該太陽能電池單元21之工作電壓為一個電池單元21之整數倍。

請參閱圖6及圖7，本發明進一步提供一種所述太陽能電池20之製備方法，包括以下步驟：S1，提供複數電池預製體210，該每個電池預製體210包括：依次層疊且接觸設置之一第一電極層基材220、一P型矽層基材240、一N型矽層基材260及一第二電極層基材280；S2，將上述複數電池預製體210沿一個方向層疊設置，使每個電池預製體210中之第一電極層基材220與相鄰之電池預製體210中之第二電極層基材280相接觸；S3，沿層疊方向切割所述複數電池預製體210，形成至少一平面結構，該平面結構之表面平行於該切割方向。

在所述S1步驟中，該P型矽層基材240具有相對之第五表面241和第六表面243，該N型矽層基材260具有相對之第七表面261和第八表面263，該第一電極層基材220設置在該P型矽層基材之第五表面241，該第二電極層基材280設置在該N型矽層基材260之第八表面263，該P型矽層基材240之第六表面243與該N型矽層基材260之第七表面261接觸並形成一P-N結區。所述P型矽層基材240為一P型矽片，該P型矽片之材料可以係單晶矽、多晶矽或其他之P型半導體材料。本實施例中，所述P型矽層基材240為一P型單晶矽片。所述P型單晶矽片之厚度可為200微米~300微米。所述P型矽層基材240之面積、形狀不限，可以根據實際需要選擇。所述N型矽層基材260可通過向一矽片基材注入過量之如磷或者砷等N型摻雜材料製備而成。所述N型矽層基材260之厚度為10奈米~1微米。

所述第一電極層基材220和第二電極層基材280之材料可以相同或不同，優選為該第一電極層基材220和第二電極層基材280由具有連續平面結構之金屬材料層成，該金屬材料可為鋁、銅、或銀等。該第一電極層基材220和第二電極層基材280可通過導電黏結劑黏結在該P型矽層基材240和N型矽層基材260之表面，也可通過真空蒸鍍、或磁控濺射等方法形成於所述P型矽層基材240和N型矽層基材260之表面。

在上述步驟S2中，所述相互層疊之電池預製體210可通過導電黏結劑黏結。另外，當相鄰之電池預製體210之第一電極層基材220和第二電極層基材280之材料相同時，可壓合上述複數相互層疊之電池預製體210，從而使相鄰之電池預製體210之電極層相互鍵 合，所述壓合機壓合上述複數相互層疊之電池預製體210之力不限，僅需使相鄰之第一電極層基材220和第二電極層基材280相互鍵合在一起即可。

在上述步驟S3中，切割所述複數相互層疊之電池預製體210之方式和切割方向不限，所述切割方向具體為可穿過該第五表面241、第六表面243、第七表面261及第八表面263，從而形成至少一個平面結構，該平面結構之表面平行於該切割方向，優選為沿垂直於第一電極層基材220和第二電極層基材280所在平面之方向切割所述複數相互層疊之電池預製體210，通過該切割方式，可在每個太陽能電池20上形成一由上述複數相互層疊之P型矽層24及N型矽層26共同構成之直接暴露於所述P型矽層24及N型矽層26外之受光端面27。

進一步地，在上述步驟S3之後，可在每個太陽能電池20之受光端面27上採用真空蒸鍍或磁控濺射等方法形成一減反射層29，該減反射層29可使光線入射並減少光之反射，且對光之吸收較少，該減反射層29之材料為氮化矽(Si₃N₄)或二氧化矽(SiO₂)等。該減反射層29之厚度可小於150奈米，本實施例中，該減反射層為900埃(Å)之氮化矽層。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧太陽能電池

12‧‧‧第一電極層

14‧‧‧P型矽層

142‧‧‧第一表面

144‧‧‧第二表面

16‧‧‧N型矽層

162‧‧‧第三表面

164‧‧‧第四表面

17‧‧‧受光端面

18‧‧‧第二電極層

19‧‧‧減反射層

Claims (17)

1. 一種太陽能電池，其包括：依次並排且接觸設置之一第一電極層、一P型矽層、一N型矽層及一第二電極層，該P型矽層與該N型矽層接觸並形成一P-N結區，其改良在於，上述各層沿一直線連續設置成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，且該平面結構之表面為該太陽能電池直接接受光線入射之受光端面，所述平面結構之厚度為使從所述受光端面入射之光線在所述P型矽層以及N型矽層之透過率為零時之厚度，該厚度為從所述受光端面到與該受光端面相對之太陽能電池之另一端面之間之距離。
2. 如請求項1所述之太陽能電池，其中，該P型矽層具有相對之一第一表面和一第二表面，該N型矽層具有相對之一第三表面和一第四表面，該第一電極層設置在該P型矽層之第一表面，並與該P型矽層電接觸，該第二電極層設置在該N型矽層之第四表面，並與該N型矽層電接觸，該P型矽層進一步具有一與所述第一表面和第二表面相連之第一側面，該N型矽層進一步具有一與所述第三表面和第四表面相連之第二側面，所述第一側面及第二側面共同構成所述受光端面。
3. 如請求項2所述之太陽能電池，其中，該第二電極層為整體覆蓋該N型矽層之第四表面之金屬材料層，該第一電極層為整體覆蓋該P型矽層之第一表面之金屬材料層。
4. 如請求項3所述之太陽能電池，其中，所述金屬材料層不透光。
5. 如請求項2所述之太陽能電池，其中，所述光線從基本垂直於所述受光端面之方向入射至所述受光端面。
6. 如請求項1所述之太陽能電池，其中，所述受光端面進一步覆蓋有一厚度小於150奈米之減反射層。
7. 如請求項6所述之太陽能電池，其中，所述減反射層之材料為氮化矽或二氧化矽。
8. 如請求項1所述之太陽能電池，其中，所述P-N結區通過所述受光端面暴露出所述P型矽層和所述N型矽層。
9. 如請求項1所述之太陽能電池，其中，所述平面結構之厚度為從受光端面到與該受光端面相對之太陽能電池之另一端面之間之距離，該距離為50微米~300微米。
10. 一種太陽能電池，其包括：複數串聯設置之電池單元，每個電池單元包括依次並排且接觸設置之一第一電極層、一P型矽層、一N型矽層及一第二電極層，該P型矽層與該N型矽層接觸並形成一P-N結區，其改良在於，上述每個電池單元中之各層沿一直線連續設置成一排構成一平面結構，所述平面結構具有一表面平行於該直線，該平面結構之表面為該電池單元直接接受光線入射之受光端面，所述平面結構之厚度為使從所述受光端面入射之光線在所述P型矽層以及N型矽層之透過率為零時之厚度，該厚度為從所述受光端面到與該受光端面相對之太陽能電池之另一端面之間之距離。
11. 如請求項10所述之太陽能電池，其中，所述每個電池單元之第二電極層與相鄰之電池單元之第一電極層接觸，該複數平面結構之表面共同構成該太陽能電池直接接受光線入射之受光端面。
12. 如請求項11所述之太陽能電池，其中，所述每個電池單元之P-N結區通過所述受光端面暴露出所述P型矽層和所述N型矽層。
13. 一種太陽能電池之製備方法，其包括以下步驟：提供複數電池預製體，每個電池預製體包括：依次層疊且接觸設置之一第一電極層基材、一P型矽層基材、一N型矽層基材及一第二電極層基材；將上述複數電池預製體沿一個方向層疊設置，使每個電池預製體中之第一電極層基材與相鄰之電池預製體中之第二電極層基材相接觸；沿層疊之方向切割所述複數電池預製體，形成至少一平面結構，該平面結構之表面平行於該切割方向，所述平面結構之厚度為使從所述受光端面入射之光線在所述P型矽層以及N型矽層之透過率為零時之厚度，該厚度為從所述受光端面到與該受光端面相對之太陽能電池之另一端面之間之距離。
14. 如請求項13所述之太陽能電池之製備方法，其中，進一步採用導電黏結劑黏結上述複數電池預製體。
15. 如請求項13所述之太陽能電池之製備方法，其中，所述第一電極層基材和第二電極層基材均由金屬材料層構成，且在層疊上述複數電池預製體後，進一步壓合上述複數相互層疊之電池預製體，從而使相鄰之電池預製體之電極層相互鍵合。
16. 如請求項13所述之太陽能電池之製備方法，其中，該P型矽層基材具有相對之第五表面和第六表面，該N型矽層基材具有相對之第七表面和第八表面，該第一電極層基材與該P型矽層基材之第五表面電接觸，該第二電極層基材與該N型矽層基材之第八表面 電接觸，該P型矽層之第二表面與該N型矽層之第三表面接觸並形成一P-N結區，所述切割方向垂直穿過所述第五表面、第六表面、第七表面及第八表面。
17. 如請求項13所述之太陽能電池之製備方法，其中，進一步在切割面上形成一層減反射層。