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TWI435454B - 太陽能電池 - Google Patents

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TWI435454B
TWI435454B TW099136353A TW99136353A TWI435454B TW I435454 B TWI435454 B TW I435454B TW 099136353 A TW099136353 A TW 099136353A TW 99136353 A TW99136353 A TW 99136353A TW I435454 B TWI435454 B TW I435454B
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Peng Chen
Tsung Pao Chen
Shuo Wei Liang
Zhen Cheng Wu
Chien Jen Chen
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Au Optronics Corp
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Description

太陽能電池
本發明是有關於一種太陽能電池，且特別是有關於一種太陽能電池於內部具有較佳反射效率。
矽基太陽能電池為業界常見的一種太陽能電池。矽基太陽能電池的原理是將高純度的半導體材料(矽)加入摻質物使其呈現不同的性質，以形成p型半導體及n型半導體，並將pn兩型半導體相接合，如此即可形成一p-n接面。當太陽光照射到一個p-n結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來產生電子-電洞對。藉由電極的設置使電洞往電場的方向移動並使電子則往相反的方向移動，如此即可構成太陽能電池。一般來說，要對太陽能電池進行改良，衝昂是從提升其光電轉換效率著手。
然而習知太陽能電池中，倘若半導體材料的厚度越薄，則對於光線的反射效率就越低，意即光線通過半導體材料的通過率偏高，則會使得在太陽能電池內的光線再利率，即在太陽能電池內的光線反射率偏低，就會損失光線的吸收率。因而，導致太陽能電池的光電轉換率偏低。
本發明提供一種太陽能電池，其對於光線(例如：紅外光光線)具有較佳反射效率。
本發明提出一種太陽能電池，其包括半導體基材、摻雜層、抗反射層、電極、鈍化堆疊層以及接觸層。半導體基材具有前表面以及後表面。摻雜層位於半導體基材之前表面上。抗反射層位於摻雜層上。電極位於抗反射層上且與摻雜層電性連接。鈍化堆疊層位於半導體基材的後表面上，且鈍化堆疊層包括第一介電層、第二介電層以及夾於第一介電層與第二介電層之間的中間介電層。特別是，中間介電層的介電常數實質上低於第一介電層的介電常數以及第二介電層的介電常數。接觸層覆蓋鈍化堆疊層且與半導體基材的後表面電性接觸。
基於上述，本發明之太陽能電池之鈍化堆疊層包括第一介電層、中間介電層以及第二介電層，其中中間介電層的介電常數實質上低於第一介電層的介電常數以及第二介電層的介電常數。由於中間介電層的介電常數夠低，因此可以提昇光線(例如紅外光光線)在太陽能電池內的反射效率，進而提高太陽能電池的效能。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是根據本發明一實施例之太陽能電池的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之太陽能電池包括半導體基材102、摻雜層104、抗反射層106、電極107、鈍化堆疊層108以及接觸層110。
半導體基材102具有前表面102a以及後表面102b。在本實施例中，半導體基材102例如是摻雜有P型摻質之半導體材料。所述P型摻質可以是選自元素週期表中三族元素的群組，例如是硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)等等。另外，半導體基材102之材料可為矽、硫化鎘(CdS)、銅銦鎵二硒(CuInGaSe2 ，CIGS)、銅銦二硒(CuInSe2 ，CIS)、碲化鎘(CdTe)、半導體有機材料(organic material)或上述材料堆疊之多層結構。上述之矽包括單晶矽(single crystal silicon)、多晶矽(polycrystal silicon)、非晶矽(amorphous silicon)或是微晶矽(microcrystal silicon)。
摻雜層104是位於半導體基材102之前表面102a上。在本實施例中，摻雜層104例如是摻雜有N型摻質之半導體材料。所述N型摻質可以是選自元素週期表中的第五族元素，例如磷(P)、砷(As)或是銻(Sb)等等。類似地，摻雜層104之材料可為矽、硫化鎘、銅銦鎵二硒、銅銦二硒、碲化鎘、半導體有機材料或上述材料堆疊之多層結構。上述之矽包括單晶矽、多晶矽、非晶矽或是微晶矽。
抗反射層106是位於摻雜層104上。抗反射層106可為單層或多層結構，且其材質例如是氮氧化矽、氮化矽或是其他的抗反射材料、或上述之組合。
電極107位於抗反射層106上並且與摻雜層104電性連接。更詳細而言，電極107是貫穿抗反射層106而與摻雜層104電性連接。電極107可為單層或多層結構，且其材料可包括金屬材料(如鋁、金、銀、銅、鉬、鈦、鉭等)或透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。所述透明導電氧化物例如是氧化鋁鋅(AZO)、銦鋅氧化物(IZO)、銦錫氧化物(ITO)、氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2 )、氧化銦(In2 O3 )或是其他透明導電材質。
鈍化堆疊層108是位於半導體基材102的後表面102b上，且鈍化堆疊層108包括第一介電層108a、第二介電層108c以及夾於第一介電層108a與第二介電層108c之間的中間介電層108b。特別是，中間介電層108c的介電常數實質上低於第一介電層108a的介電常數，且中間介電層108c的介電常數實質上低於第二介電層的介電常數。
根據本實施例，第一介電層108a以及第二介電層108c可為氧化矽、氮化矽或是氮氧化矽、或是其它合適的材料為範例，但不以此為限。本發明是以第一介電層108a以及第二介電層108c實質上皆為同一材料為範例。然而，於其它實施例中，第一介電層108a以及第二介電層108c可為不同的材料。再者，第一介電層108a以及第二介電層108c其中一者可為單層或多層結構。而中間介電層108b之介電常數約大於或等於1並且小於氧化矽之介電常數。基於上述，中間介電層108b可為單層或多層結構，且其材料包括碳氧化矽(SiCO)、多孔性碳氧化矽(SiCO)、氮碳化矽(SiCN)、多孔性氮碳化矽(SiCN)、含氟聚合物、多孔性含氟聚合物、含氟氧化矽、多孔性含氟氧化矽、多孔矽石膜、黑鑽石(black Diamond)、多孔性黑鑽石(black Diamond)、含甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、多孔性甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、多孔性氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、或其它合適的材料、或上述之組合。
舉例而言，第一介電層108a、中間介電層108b以及第二介電層108c的組合可為氧化矽-低介電常數介電層-氮化矽；氮化矽-低介電常數介電層-氧化矽；氧化矽-低介電常數介電層-氧化矽；或是氮化矽-低介電常數介電層-氮化矽。較佳的是，第一介電層108a、中間介電層108b以及第二介電層108c的組合為氧化矽-低介電常數介電層-氮化矽，但是不以此為限。
另外，在上述鈍化堆疊層108中，中間介電層108c的厚度約介於5奈米(nm)至500奈米(nm)，第一介電層108a的厚度介於5奈米(nm)至100奈米(nm)，且第二介電層108b的厚度介於5奈米(nm)至100奈米(nm)。換言之，中間介電層108c的厚度實質上大於第一介電層108a的厚度，且中間介電層108c的厚度實質上大於第二介電層108c的厚度。
接觸層110是覆蓋鈍化堆疊層108且與半導體基材102的後表面102b電性接觸。更詳細來說，接觸層110穿過鈍化堆疊層108而與半導體基材102的後表面102b電性接觸。接觸層110可為單層或多層結構，且其材料包括金屬材料，較佳的是選用具有高導電性且高反射性之金屬材料，例如是如鋁或是其他金屬。當然，若不考慮接觸電阻問題，接觸層110可採用電極107所述之材料。
在上述之實施例中，設置在半導體基材102之背表面102b之鈍化堆疊層108是由第一介電層108a、第二介電層108c以及夾於第一介電層108a與第二介電層108c之間的中間介電層108b構成。而且，中間介電層108c的介電常數實質上低於第一介電層108a的介電常數，且中間介電層108c的介電常數實質上低於第二介電層的介電常數。由於中間介電層108b的介電常數夠低，因此當光線自半導體基材102之前表面102a射入而進入鈍化堆疊層108時，光線可於鈍化堆疊層108具有較佳的反射效率。特別是，對於紅外光光線來說，紅外光光線在鈍化堆疊層108具有較佳的反射效率。
以下將以五種不同的鈍化層結構來比較其反射效率。圖2顯示出五種太陽能電池結構之反射率與波長的曲線圖。請參照圖2，曲線A至E代表五種太陽能電池結構之反射率與波長的關係。在曲線A～E所代表的太陽能電池中，其半導體基材(摻雜P型離子之結晶矽)、摻雜層(摻雜N型離子之結晶矽)、抗反射層(氮化矽)、電極以及接觸層(鋁)之材質皆相同，唯有鈍化層之組成不相同。
在曲線A所代表的太陽能電池中，鈍化層是由氧化矽(厚度約15nm)-低介電常數材料(厚度約100nm)-氧化矽(厚度約15nm)堆疊層所構成為範例，其中低介電常數材料之介電常數約為3為範例。而且，低介電常數材料之介電常數實質上皆低於氧化矽的介電常數或氮化矽的介電常數。
在曲線B所代表的太陽能電池中，鈍化層是由氧化矽(厚度約15nm)-氮化矽(厚度約100nm)堆疊層所構成。
在曲線C所代表的太陽能電池中，鈍化層是由氧化矽(厚度約15nm)-氮化矽(厚度約100nm)-氧化矽(厚度約15nm)堆疊層所構成。
在曲線D所代表的太陽能電池中，鈍化層是由氧化矽(厚度約15nm)所構成。
在曲線E所代表的太陽能電池中，則無設置鈍化層。
由圖2之圖表可知，A曲線所代表的太陽能電池具有較佳的反射效率。特別是，對於波長約為800~1000nm之間的紅外線光線具有較佳的反射效率。換言之，鈍化層是由堆疊結構所構成且堆疊結構中的中間介電層層是具有低介電常數介電材料，此種鈍化層之結構具有較佳的反射效率。
綜上所述，本發明之太陽能電池之鈍化堆疊層包括第一介電層、中間介電層以及第二介電層，其中中間介電層的介電常數實質上低於第一介電層的介電常數以及第二介電層的介電常數。由於中間介電層的介電常數夠低，因此可以提昇光線在太陽能電池內的反射效率，特別的是紅外光光線在太陽能電池內的反射效率，進而提高太陽能電池的效能。也就是說，光線(例如紅外光光線)通過抗反射層106、摻雜層104、半導體基底102後，被鈍化堆疊層108反射的反射率較高。
再者，本發明鈍化堆疊層更可以與矽表面或缺陷處(如差排、晶界、點缺陷)的懸浮鍵(dangling bond)形成鍵結，有效降低電子電洞對在矽表面及缺陷處的再結合率(recombination rate)，進而提升少數載子存活期(lifetime)，而達到提升太陽電池效率的目的。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102．．．半導體基底
102a,102b．．．表面
104．．．摻雜層
106．．．抗反射層
107．．．電極
108．．．鈍化堆疊層
108a．．．第一介電層
108b．．．中間介電層
108c．．．第二介電層
110．．．接觸層
A~E．．．曲線
圖1是根據本發明一實施例之太陽能電池的剖面示意圖。
圖2顯示出五種太陽能電池結構之反射率與波長的曲線圖。
102．．．半導體基底
102a,102b．．．表面
104．．．摻雜層
106．．．抗反射層
107．．．電極
108．．．鈍化堆疊層
108a．．．第一介電層
108b．．．中間介電層
108c．．．第二介電層
110．．．接觸層

Claims (19)

  1. 一種太陽能電池，包括：一半導體基材，其具有一前表面以及一後表面；一摻雜層，位於該半導體基材之該前表面上；一抗反射層，位於該摻雜層上；一電極，位於該抗反射層上且與該摻雜層電性連接；一鈍化堆疊層，位於該半導體基材的該後表面上，該鈍化堆疊層包括：一第一介電層；一第二介電層；以及一中間介電層，夾於該第一介電層與該第二介電層之間，其中該中間介電層的介電常數實質上低於該第一介電層的介電常數以及該第二介電層的介電常數，及該中間介電層的厚度大於該第一介電層的厚度以及該第二介電層的厚度；以及一接觸層，覆蓋該鈍化堆疊層且與該半導體基材的該後表面電性接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該中間介電層之介電常數約大於或等於1並且小於氧化矽之介電常數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池，其中該中間介電層包括碳氧化矽(SiCO)、多孔性碳氧化矽(SiCO)、氮碳化矽(SiCN)、多孔性氮碳化矽(SiCN)、含氟聚合物、多孔性含氟聚合物、含氟氧化矽、多孔性含氟氧 化矽、多孔矽石膜、黑鑽石(black Diamond)、多孔性黑鑽石(black Diamond)、含甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、多孔性甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、多孔性氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、或上述之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該中間介電層的厚度約介於5奈米至500奈米，該第一介電層的厚度約介於5奈米至100奈米，且該第二介電層的厚度約介於5奈米至100奈米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該第一介電層與該第二介電層分別包括氧化矽、氮化矽或是氮氧化矽。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氧化矽且該第二介電層包括氮化矽。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氧化矽且該第二介電層包括氧化矽。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氮化矽且該第二介電層包括氮化矽。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該半導體基材包括一摻雜半導體材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池，其中該接觸層包括金屬。
  11. 一種太陽能電池，包括： 一半導體基材，其具有一前表面以及一後表面；一摻雜層，位於該半導體基材之該前表面上；一抗反射層，位於該摻雜層上；一電極，位於該抗反射層上且與該摻雜層電性連接；一鈍化堆疊層，位於該半導體基材的該後表面上，該鈍化堆疊層包括：一第一介電層；一第二介電層；以及一中間介電層，夾於該第一介電層與該第二介電層之間，其中該中間介電層的介電常數實質上低於該第一介電層的介電常數以及該第二介電層的介電常數，及該中間介電層之介電常數約大於或等於1並且小於氧化矽之介電常數；以及一接觸層，覆蓋該鈍化堆疊層且與該半導體基材的該後表面電性接觸。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該中間介電層包括碳氧化矽(SiCO)、多孔性碳氧化矽(SiCO)、氮碳化矽(SiCN)、多孔性氮碳化矽(SiCN)、含氟聚合物、多孔性含氟聚合物、含氟氧化矽、多孔性含氟氧化矽、多孔矽石膜、黑鑽石(black Diamond)、多孔性黑鑽石(black Diamond)、含甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、多孔性甲基矽倍半氧烷(Methylsilsesquioxane,MSQ)、氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、多孔性氫矽酸鹽類(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)、或上述之組合。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該中間介電層的厚度約介於5奈米至500奈米，該第一介電層的厚度約介於5奈米至100奈米，且該第二介電層的厚度約介於5奈米至100奈米。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該第一介電層與該第二介電層分別包括氧化矽、氮化矽或是氮氧化矽。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氧化矽且該第二介電層包括氮化矽。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氧化矽且該第二介電層包括氧化矽。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之太陽能電池，其中該第一介電層包括氮化矽且該第二介電層包括氮化矽。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該半導體基材包括一摻雜半導體材料。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能電池，其中該接觸層包括金屬。
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