專利名稱：一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種硅基薄膜太陽能電池，尤其涉及一種具有不同能階P-i-N 硅基薄膜太陽能電池，利用不同的薄膜材料以提高其光波長的吸收范圍，并增 加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
背景技術(shù)：
目前由于國際能源短缺，而世界各國一直持續(xù)研發(fā)各種可行的替代能源， 其中又以太陽能發(fā)電的太陽龜池最受到矚目。太陽電池具有使用方便、取之不 盡、用之不竭、無廢棄物、無污染、無轉(zhuǎn)動部份、無噪音、可阻隔輻射熱、使 用壽命長、尺寸可隨意變化、并與建筑物作結(jié)合及普及化等優(yōu)點，故利用太陽 電池作為能源的取得。
在20世紀70年代，由美國貝爾實驗室首先研制出的硅太陽能電池逐步發(fā)展 起來。隨著太陽電池之發(fā)展，如今太陽能電池有多種類型，典型的有單晶硅太 陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、化合物太陽能電池、染料 敏化太陽能電池等。
硅(Silicon )為目前通用的太陽能電池之原料代表，而在市場上又區(qū) 分為1.單結(jié)晶硅；2.多結(jié)晶硅；3.非結(jié)晶硅。目前最成熟的工業(yè)生產(chǎn)制 造技術(shù)和最大的市場占有率乃以單晶硅和非晶硅為主的光電板。原因是一、 單晶效率最高；二、非晶價格最便宜，且無需封裝，生產(chǎn)也最快；三、多晶的 切割及下游再加工較不易，而前述兩種都較易于再切割及加工。為了降低成本， 現(xiàn)今主要以積極發(fā)展非晶硅薄膜太陽電池為主，但其效率上于實際應用中仍然 過低。近來，有所謂的中間能帶(Intermediate band)結(jié)構(gòu)被提出，也就是在 導帶(Conduction band)與價帶(Valence band)之間引進額外的能帶。理 論上，如果摻雜(doping)濃度高到某種程度，即摻雜原子之間的距離接近到某 種程度，摻雜原子就不能再被視為是相互獨立的。摻雜原子的能階互相耦合 (Overlapping)，就會在導帶與價帶之間引進中間能帶。中間能帶的引入，
4可以讓原本能量小于能隙的不被吸收的光子，有機會被吸收，因而增加光電流。
另一方面，為了保持輸出電壓， 一般須要采用P-i-N結(jié)構(gòu)，讓中間能帶位于純 質(zhì)(intrinsic, i layer)區(qū)域。其中又以于i層中成長所謂的微晶硅 (Microcrystalline Si， pc-Si: H)結(jié)構(gòu)最受到矚目。然而，過去并無在單 一P-i-N結(jié)構(gòu)中制作多能階之硅基薄膜太陽能電池。
因此，有必要提出一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，就由微晶硅結(jié) 構(gòu)，來提高其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種具有多能階的硅基薄膜太陽能 電池，該硅基薄膜太陽能電池不止可提高其光波長的吸收范圍，更可增加太陽 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池， 其包含一基板； 一透明導電膜；一P型半導體層； 一本質(zhì)型(i型)半導體層； 一 N型半導體層以及一電極。該透明導電膜用于取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效 率。該P型半導體層形成于該透明導電膜上，用以產(chǎn)生空穴。該本質(zhì)型(i型) 半導體層，形成于該P型半導體層上方，用以提高太陽電池的電特性。該N 型半導體層，形成于該本質(zhì)型(i型)半導體層上方，用以產(chǎn)生電子。該電極 形成于該N型半導體層上方，用以取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率。需注意的 是，該P型半導體層之能隙大于該本質(zhì)型(i型)半導體層的能隙，且該本質(zhì) 型(i型)半導體層的能隙則大于該N型半導體層的能隙。除此之外，該本質(zhì) 型(i型)半導體層選自于非晶硅鍺、微晶硅、微晶硅鍺、多晶硅與多晶硅鍺 所組成族群中的任何一種材料。
根據(jù)本發(fā)明的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的一特征，其中該P型半 導體層選自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所組成族群中的任何一種材料。
根據(jù)本發(fā)明的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的一特征，其中該N型半 導體層選自于非晶硅鍺、微晶硅、微晶硅鍺、多晶硅與多晶硅鍺所組成族群中 的任何一種材料。
根據(jù)本發(fā)明的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的一特征，其中該P型半 導體層系選自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所組成族群中的任何一種材料。根據(jù)本發(fā)明的具有多能階之硅基薄膜太陽能電池的一特征，其中該N型半
導體層、該本質(zhì)型(i型)半導體層與該P型半導體層之整體厚度0. 5至5微
米之間。
根據(jù)本發(fā)明的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的一特征，其中該本質(zhì)型
(i型)半導體層的厚度，占該N型半導體層、該本質(zhì)型(i型)半導體層與 該P型半導體層的整體厚度50。％以上。
綜上所述，該具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其形成一P-i-N結(jié)構(gòu)的 具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，利用薄膜材料的不同能隙以提高其光波長 的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的 限定。
圖1顯示為本發(fā)明的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池的側(cè)視剖面圖； 圖2顯示為本發(fā)明的該本質(zhì)型(i型)半導體層內(nèi)的微晶硅質(zhì)薄膜的X光
繞射分析圖3顯示為本發(fā)明之該本質(zhì)型(i型)半導體層內(nèi)的微晶硅質(zhì)薄膜的微拉 曼光譜分析圖。
其中，附圖標記
100:具有多能階之硅基薄膜太陽能電池 110 :基板 120:透明導電膜 130:P型半導體層 140 :本質(zhì)型(i型)半導體層150 : N型半導體層 160 :電極
具體實施例方式
雖然本發(fā)明可表現(xiàn)為不同形式的實施例，但附圖所示者及于下文中說明者 為本發(fā)明的較佳實施例，并請了解本文所揭示者考慮為本發(fā)明的一范例，且并 非意圖用以將本發(fā)明限制于附圖及/或所描述的特定實施例中。
請參照圖1，其所示為具有多能階的硅基薄膜太陽能電池100的側(cè)視剖面
圖，該結(jié)構(gòu)為本發(fā)明之第一實施例。該具有多能階的硅基薄膜太陽能電池ioo; —P型半導體層130; —本質(zhì)型(i型)半 導體層140; —N型半導體層150以及一電極160。該基板110為承載薄膜用；
該透明導電膜120用于取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率；該P型半導體層130 形成于該透明導電膜120上，用以產(chǎn)生空穴；該本質(zhì)型(i型)半導體層140 形成于該P型半導體層130上方，用以提高太陽電池的電特性；該N型半導體 層150形成于該本質(zhì)型(i型)半導體層140上方，用以產(chǎn)生電子。其中，該 電極160形成于該N型半導體層150上方，用以取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效 率。
該基板110選自于玻璃、石英、塑料、透明可撓性基板所組成族群中的任 何一種材料。為了得到較佳的透光特性與較低的制造成本，可采用透光性較佳 的玻璃。
該透明導電膜120形成于該基板110上，該透明導電膜120的目的為提高 電流的收集于電極160上，以提升光電轉(zhuǎn)換的效率。其中，該透明導電膜120 可選用常見的蒸鍍法(Evaporation)、濺鍍法(Sputter)、電鍍法、印刷法 工藝作為主要工藝方式。其材料可選用銦錫氧化物(Indium tin oxide, IT0)、 二氧化錫(Stan謹dioxide, Sn02)、氧化鋅(Zinc oxide， Zn0)，或含雜 質(zhì)的氧化鋅，作為該透明導電膜120的材料。在本發(fā)明中，較佳的透明導電膜 的特性要求為，透光比率80%且導電系數(shù)為103 ohm-cm以上。
該電極160形成于該N型半導體層150上，且其可選用常見的蒸鍍法、濺 鍍法、電鍍法、印刷法工藝作為主要工藝方式。該電極160的材料可選用銦錫 氧化物、二氧化錫、氧化鋅或含雜質(zhì)的氧化鋅，鎳、金、銀、鈦、銅、鈀、及 鋁等材料，該電極160的功效與該透明導電膜120相同。
該P型半導體層130形成于該透明導電膜120上，本發(fā)明的第一實施例于 P型半導體層130可選用于等離子增強型化學式氣相沉積工藝 (Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)、 熱絲化學氣相沉禾只 法(Hot-wire chemical vapor d印osition， HW-CVD)或特高頻等離子增強型化 學式氣相沉禾只 (Very high frequency-plasma enhance chemical vapor d印osition， VHF-PECVD)工藝作為主要工藝方式。在一實施例中，本發(fā)明的 P型半導體層130由等離子增強型化學式氣相沉積來形成，其機臺腔體的壓力 為0. 01托(torr)至0. 5 (torr)，工藝溫度為室溫至300°C ，通入的氣體可選用
7硅化合物(Silicide)氣體如硅垸(silane, SH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、 氬氣(Argon, Ar)等作為P型半導體層130的制作氣體，其氫氣流量與硅烷 流量比例為0.1倍至10倍，用以制作出非晶質(zhì)硅薄膜。其中，P型半導體層 130指在本質(zhì)材料中所加入的雜質(zhì)(Impurities)可產(chǎn)生多余的空穴，以空穴 構(gòu)成多數(shù)載子的半導體。例如，就硅和鍺半導體而言，若對本質(zhì)半導體摻入3 價原子的雜質(zhì)時，會形成多余的空穴，電流則以空穴為主來運作。其中，該P 型半導體層130的摻雜方式可選用于氣體摻雜、鋁誘導結(jié)晶硅(Aluminum induced crystalline, AIC)、擴散》去(Thermal diffusion)、固相結(jié)晶化 (Solid phase crystalline, SPC)或準分子激光退火(Excimer laser anneal, ELA)工藝作為主要工藝方式。
該本質(zhì)型(i型)半導體層140形成于該P型半導體層130上方，該本質(zhì) 型(i型)半導體層140對于薄膜型太陽能電池的電特性影響最大，當電子與 空穴在材料內(nèi)部傳導，若該本質(zhì)型(i型)半導體層140的厚度過厚，兩者重 合機率極高，為避免此現(xiàn)象發(fā)生，該本質(zhì)型(i型)半導體層140不宜過厚。 反的，該本質(zhì)型(i型)半導體層140太薄，又易造成吸光不足。該本質(zhì)型(i 型)半導體層140—般以非晶硅質(zhì)薄膜(a-Si:H)為主。但該非晶硅質(zhì)薄膜先 天上最大的缺失在于光照使用后，該非晶硅質(zhì)薄膜于短時間內(nèi)，其性能將大幅 衰退，即所謂的SW (Staebler-Wronski)效應，其衰減幅度約15 % 35。％。 該SW (Staebler-Wronski)效應是由于材料中部份未飽和的硅原子(Dangling bond, DB)，因光照射所發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的故。微晶硅質(zhì)薄膜的載子遷移率比一 般非晶硅質(zhì)薄膜高出1 2個數(shù)量級，而暗電導值則介于1(T 1(T7 (S.cm—。 之間，明顯高出傳統(tǒng)非晶硅質(zhì)薄膜3 4個數(shù)量級，故使用微晶硅質(zhì)薄膜可加 以提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。該i型半導體層140可選用于等離子增強型化 學式氣相沉積工藝、熱絲化學氣相沉積法或特高頻等離子增強型化學式氣相沉 積工藝作為主要工藝方式。該第一實施例于，本發(fā)明的i型半導體層140由等 離子增強型化學式氣相沉積來形成，其機臺腔體的壓力為0.01托(torr)至 0. 5(torr)，工藝溫度為室溫至300°C，通入的氣體可選用硅化合物(Silicide) 氣體如硅烷(sil雄，SH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon， Ar) 等作為微晶硅質(zhì)薄膜的制作氣體，其氫氣流量與硅垸流量比例為10倍至30 倍制作出微晶質(zhì)硅薄膜?，F(xiàn)請參照圖2，其所示微晶硅質(zhì)薄膜的微拉曼光譜分析圖。利用微拉曼光
譜分析儀(micro Raman spectra)的實作量測結(jié)果揭示，其微拉曼光譜圖的 峰值出現(xiàn)在510cm1，其為一高結(jié)晶度的納米晶硅質(zhì)薄膜。現(xiàn)請參照圖3，其所 示微晶硅質(zhì)薄膜的X光繞射分析圖。利用X光繞射分析儀的實作量測結(jié)果揭示， 其X光繞射分析圖的峰值出現(xiàn)lll 、 220、 311的硅質(zhì)結(jié)晶面。
該N型半導體層150形成于該本質(zhì)型(i型)半導體層140上，該N型半 導體層150可選用于等離子增強型化學式氣相沉積工藝、熱絲化學氣相沉積法 或特高頻等離子增強型化學式氣相沉積工藝作為主要工藝方式。
在一實施例中，本發(fā)明的N型半導體層150由等離子增強型化學式氣相沉 積來形成，其機臺腔體的壓力為0.01托(torr)至0.5(torr)，工藝溫度為室 溫至30(TC，通入的氣體可選用硅化合物(Silicide)氣體如硅烷(silane， SiH4)、鍺烷(GeHj并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon， Ar)等作為 微晶硅鍺薄膜的制作氣體。N型半導體層150是指在本質(zhì)材料中加入的雜質(zhì)可 產(chǎn)生多余的電子，以電子構(gòu)成多數(shù)載子的半導體。就硅或鍺半導體而言，若對 本質(zhì)半導體摻入5價原子的雜質(zhì)時，會形成多余的電子。電子流則以電子為主 來運作。其中，該N型半導體層150的摻雜方式可選用于氣體摻雜、準分子激 光退火、固相結(jié)晶化、熱擴散法或離子布植法作為主要工藝方式。
本發(fā)明的第二實施例與第一實施例的相異處在于制作該本質(zhì)型(i型)半 導體層140的氣體流量與沉積速率，其微晶硅薄膜的能階也不同于該第一實施 例。在該實施例中，該本質(zhì)型(i型)半導體層140由等離子增強型化學式氣 相沉積來形成，其機臺腔體的壓力為0.01托(torr)至0.5 (torr)，工藝溫度 為室溫至300。C，通入的氣體可選用硅化合物(Silicide)氣體如硅烷(Silane， SH4)并混和氫氣(Hydrogen, H)、氬氣(Argon, Ar)等作為微晶硅質(zhì)薄膜 的制作氣體，其氫氣流量與硅垸流量比例為30倍至50倍制作出微晶質(zhì)硅薄膜。
需注意的是，該P型半導體層130的能隙大于該本質(zhì)型(i型)半導體層 140的能隙，而該本質(zhì)型(i型)半導體層140的能隙則大于該N型半導體層 150的能隙，且該本質(zhì)型(i型)半導體層140選自于非晶硅鍺、微晶硅、微 晶硅鍺、多晶硅與多晶硅鍺所組成族群中的任何一種材料。
有鑒于此，本發(fā)明的該基板110選自于硅、玻璃、可撓性基板或不銹鋼板 之一。而為了降低制作上的成本，現(xiàn)今也有人改以玻璃及不銹鋼來作為基板。有鑒于此，本發(fā)明的基板110可采用玻璃及不銹鋼來作為基板。
綜上所述，本發(fā)明的第一實施例為較佳實施例。該具有多能階的硅基薄膜 太陽能電池，其形成一P-i-N結(jié)構(gòu)的具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，利用 薄膜材料的不同能隙以提高其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn) 換效率。
當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情 況下，熟悉本領域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)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于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1. 一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，包含一基板，該基板的一面為照光面；一透明導電膜，形成于該基板上，其用于取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率；一P型半導體層，形成于該透明導電膜上，用于產(chǎn)生空穴；一本質(zhì)型半導體層，形成于該P型半導體層上方，用于提高太陽電池的電特性；一N型半導體層，形成于該本質(zhì)型半導體層上方，用于產(chǎn)生電子；以及一電極，形成于該N型半導體層上方，用以取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率；其中，該P型半導體層的能隙大于該本質(zhì)型半導體層的能隙，而該本質(zhì)型半導體層的能隙則大于該N型半導體層的能隙；且該本質(zhì)型(i型)半導體層選自于非晶硅鍺、微晶硅、微晶硅鍺、多晶硅與多晶硅鍺所組成族群中的任何一種材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該基板選自于玻璃、石英、塑料、透明可撓性基板所組成族群中的 任何一種材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種具有多能階的薄膜太陽能電池，其特征 在于，該P型半導體層選自于非晶硅、多晶硅、微晶硅所組成族群中的任何一 種材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該N型半導體層選自于非晶硅鍺、微晶硅、微晶硅鍺、多晶硅與多 晶硅鍺所組成族群中的任何一種材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其 特征在于，該P型半導體層、本質(zhì)型半導體層、N型半導體層選自于等離子增 強型化學式氣相沉積法、熱絲化學氣相沉積法或特高頻等離子增強型化學式氣 相沉積法所組成族群中的任何一種工藝。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅薄膜太陽能電池，其特征在于，該N 型半導體層、該本質(zhì)型半導體層與該P型半導體層的整體厚度在0. 5微米至5微米之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，該本質(zhì)型半導體層的厚度，占該N型半導體層、該本質(zhì)型半導體層與該P型半導體層的整體厚度50%以上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，該P型半導體層、該本質(zhì)型半導體層與該N型半導體層以硅烷氣體與氫氣混合；硅烷氣體、氫氣與氬氣混合；硅垸氣體、鍺烷氣體與氫氣混合；硅烷氣體、鍺烷氣體、氫氣與氬氣混合所組成族群中的任何一種工藝。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，其特征在于，該P型半導體層、該本質(zhì)型半導體層與該N型半導體層制作時，工藝腔體內(nèi)的基板溫度為20度至300度之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有多能階的硅基薄膜太陽能電池，包括一基板，該基板的一面為照光面；一透明導電膜，形成于該基板上，其用于取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率；一P型半導體層，形成于該透明導電膜上，用于產(chǎn)生空穴；一本質(zhì)型半導體層，形成于該P型半導體層上方，用于提高太陽電池的電特性；一N型半導體層，形成于該本質(zhì)型半導體層上方，用于產(chǎn)生電子；以及一電極，形成于該N型半導體層上方，用以取出電能與提升光電轉(zhuǎn)換的效率；該多能階的硅基薄膜太陽能電池是利用不同材料的薄膜以提高其光波長的吸收范圍，并增加太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/078GK101499497SQ20081000630
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者張育綺, 楊茹媛, 田偉辰, 簡永杰 申請人:東捷科技股份有限公司