TWI483405B - 光伏打電池及製造光伏打電池之方法 - Google Patents

Description

光伏打電池及製造光伏打電池之方法

本發明係有關於一種光伏打池及一種製造該光伏打電池之方法。

光伏打太陽能轉換提供用以產生電力之對環境友善的手段的遠景。然而，在目前情況中，光伏打能量轉換單元所提供之電能仍然比傳統發電廠所所提供之電力明顯昂貴許多。因此，製造光伏打能量轉換單元之更符合成本效益之手段的發展在近幾年來係受關注的。在製造低成本太陽能電池之不同方法中，薄膜矽太陽能電池結合數個有利觀點：第一，可以像電漿增強式化學氣相沉積(PEVCD)之習知的薄膜沉積技術來製備薄膜矽電池，以及因而藉由使用過去(例如，在像顯示器製造技術之其它薄膜沉積技術的領域中)所達成之經驗，協同提供製造成本降低之遠景。第二，薄膜矽太陽能電池可達成高能量轉換效率，奮鬥目標為大於等於10%。第三，用於薄膜矽系之太陽能電池的製造之主要原料係充沛且無毒的。

一種要經本發明之進一步發展且一般熟習技藝者所已知之薄膜太陽能電池如第1圖所示，在照射光之方向L上包括一透明導電氧化物(TCO)之電極層1。隨後在該所提及方向L上係一第一型摻雜矽化合物之第一主動層2。

定義

我們了解到正-p-及負-n-摻雜屬於摻雜之"型態"。

我們進一步了解到一主要包括矽之材料為一"矽化合物"，但是該材料還另外包括一個或多個額外元素。

在該提及第一主動層2後，提供一第二主動層3，該第二主動層3佔據該薄膜接面結構之厚度的主要部分及主要負責光伏打轉換。該層3係屬於本質型及一矽化合物。

定義

我們了解到該術語"本質型"材料係一未摻雜或只摻雜一可忽略量或者以互相抵消個別摻雜型之方式摻雜兩種型的材料。

在該第二主動層3(在隨後敘述中，亦稱為"i-層")後，在該提及方向L上提供一第二型摻雜矽化合物之第三主動層5。

依據提供關於第1圖所示之太陽能電池結構的用於該等薄層之載體基板的事實而定，選擇層沉積之個別順序。因此及注意到第1圖，如果提供一玻璃基板7做為一載體基板，則該等提及層之沉積開始於該TCO之電極層1。但是，亦可在例如一第1圖所示之反射金屬基板9上沉積該太陽能電池之層結構。接著，顛倒該等提及層之沉積的順序。

注意到該等提及層之材料結構，已知提供具非晶或微晶(常常亦稱為奈米結晶(nanocrystalline))結構之該第二主動層3(該i-層)。

定義

我們了解到一具有20體積%至80體積%(亦包含兩個極限)係結晶的材料係屬於微晶結構。相反地，如果少於20體積%係結晶，則我們定義此材料為非晶結構。無關於該第二主動層3(該i-層)是非晶或微晶結構，知道應用該第一主動層2成為一非晶材料層。

本發明提出太陽能電池，在該等太陽能電池上，該第一型摻雜矽化合物之第一主動層係非晶結構。

要避免因面對該電池之照亮側的該第一主動層2之個別吸收所造成的光損失，通常應用一寬能帶間隙材料層。然而，此在該電極層1(該TCO層)與該提及第一型摻雜第一主動層2間之界面上增加串接電阻。如果選擇ZnO做為該電極層1之材料，則此更是確實的。要補償此效應，已知在該電池之該第一主動層2與該電極層1間應用一接觸層11。因此，該接觸層11係微晶矽化合物及第一型摻雜。這樣的微晶第一型摻雜矽化合物之接觸層的提供只可以在相對低沉積速率下被實現及因對這樣的沉積要施加較高功率密度而額外需要更先進設備。此導致設備成本增加，因而造成生產成本之增加。再者，用以沉積微晶結構層之沉積製程的精確控制係更難的且更關鍵的，特別是如果這樣的層係要沉積在大區域上。除了厚度均均性及摻雜均勻性之外，還必須可再現地控制在這樣的層之範圍上之結晶性的分佈。低沉積速率會限制高製造生產量。必須記住，對於大量工業生產而言，事實上，沉積時間所節省之每一秒係有益於生產量及製造用之電量。

本發明之一目的係針對一種光伏打電池所提供，在該光伏打電池上，如上面所述，提供有第1圖之接觸層11，但是相較於所提及之習知的光伏打電池，該接觸層11係可在顯著低總成本下生產。

因此，依據本發明之光伏打電池包括：

●　一透明導電氧化物之電極層，位於一透明載體基板上，隨後；

●　一第一型摻雜矽化合物之接觸層，接著；

●　一第一型摻雜非晶矽化合物之第一主動層，隨後；

●　一本質型矽化合物之第二主動層，接著；

●　一第二型摻雜矽化合物之第三主動層，

其中該接觸層係非晶矽化合物及至多10nm厚，該提及接觸層之材料具有小於該第一主動層之材料的能帶間隙。

由於非晶矽化合物材料具有相對高光吸收，所以提供該非晶材料結構之接觸層的方法目前已被熟習技藝者所摒棄。依據本發明，考慮到藉由應用該具有如上所述之至多10nm的非常小厚度之接觸層，以減少這樣的吸收損失。

另外，相較於微晶矽化合物沉積之沉積速率，可以在高沉積速率下實施依據本發明之接觸層的沉積。此導致在工業製造中特別重要的顯著生產量改善。再者，可在明顯較低功率密度下執行依據本發明之接觸層的沉積，以及因此，以一實質較低電量來執行。相較於非晶層之約300W/m² ，通常在約2kW/m² 之功率密度下沉積微晶矽層。此不僅導致功率消耗之實質減少，而且額外造成更有效率之處理設置。當該第一型矽化合物之第一主動層係非晶材料結構時，可以使用以沉積依據本發明之接觸層及這樣的第一主動層之處理設備適合於在每平方公尺(m² )只有數百瓦之範圍內的功率密度之應用。

因此，至少對於沉積這兩個層而言，可以使該個別處理設備適合於相對低功率密度，以避免在習慣上以微晶結構提供該提及接觸層之情況下使用用以施加需要高約10倍之功率密度的設備。

此外，關於例如氣體流動時間及氣體之必需總量，藉由應用該非晶結構之所提及接觸層，亦可實質減少氣體流量，以及如果該接觸層之矽化合物至少補償氫化矽，則對於第一型(例如，p-摻雜)微晶氫化矽而言，氫氣流量總共約10,000sccm。用以沉積這樣的第一型摻雜接觸層成為一非晶材料層而言，該必需氣體流量只有約500sccm。

依據本發明所提供之接觸層具有一小於該第一主動第一型摻雜層之能帶間隙的事實意味著：在該接觸層材料中及因而在相對於該電極層材料之界面上的價帶之頂端係接近該提及電極層之材料中的費米能階。藉此，在該等提及材料間之界面上的電子與電洞間的能量差異變成較小及此導致復合率(recombination rate)之增加，以及因而，造成所呈現之串接電阻的減少。

在依據本發明之光伏打電池的一實施例中，該第二主動層(它係該i-層)係氫化矽材料。

在另一實施例中，該提及第二主動層係非晶矽化合物。在此實施例中，不僅該接觸層、該第一主動層，而且該第二主動層(該i-層)亦是非晶材料結構。藉此，可以進一步利用上述關於功率密度及氣體流量之減少的優點(特別是在該第二主動層係氫化矽之條件下)。可以使該用以沉積所有該接觸層、該第一及第二主動層之處理設備適合於低功率密度，以及亦顯著減少用以沉積該等提及三層之氣體消耗。

在依據本發明之光伏打電池的一實施例中，該電極層係ZnO。一方面，已表示此材料對於該提及電極層係非常有利的，但是相對於微晶結構之接觸層，此導致串接電阻之顯著增加。藉由提供依據本發明之接觸層，變成一方面可進一步利用ZnO電極層材料之優點，但可避免一橫跨該電極層材料與該接觸層之界面的個別地高串接電阻。

在依據本發明之光伏打電池的另一實施例中，該第一主動層之材料包括具有第一原子百分比之碳，以及該接觸層之材料包括具有第二原子百分比之碳。該第二百分比因而小於該第一百分比。藉此，藉由分別選擇在該第一主動層中及在該接觸層中之碳量，使這兩個層之材料的能帶間隙可以準確地錯開(stagger)，以符合上述該電極層之材料。

在依據本發明之光伏打電池的一實施例中，藉由選擇該接觸層之厚度為至多3nm，以進一步最小化該接觸層中之吸收損失。本發明另外係有關於一種包括上述至少一電池之光伏打轉換器面板。

製造依據本發明之光伏打電池的方法包括沉積一透明導電氧化物之電極層且隨即接觸

●　透明載體基板上之一第一型摻雜矽之接觸層，隨即接觸

●　一第一型摻雜非晶矽化合物之第一主動層，隨即接觸

●　一本質型矽化合物之第二主動層，隨即接觸

●　一第二型摻雜矽化合物之第三主動層，

藉此沉積該非晶材料之具有至多10nm厚的接觸層及控制該接觸層之材料的能帶間隙以小於該第一主動層之材料的能帶間隙。

在依據本發明之方法的一實施例中，藉由分別選擇在這些層(該接觸層及該第一主動層)之材料中的碳量，以控制在該接觸層材料中及在該第一主動層中之能帶間隙。

在依據本發明之方法的一實施例中，該電極層係由ZnO所沉積。

在依據本發明之方法的一實施例中，該接觸層係沉積有至多3nm之厚度。

在依據本發明之方法的一實施例中，該第二主動層係由氫化矽所沉積，以及在又另一實施例中，該第二主動層之材料係沉積成為非晶材料結構。

現在應該以一範例及圖式之協助來進一步說明本發明。

該等圖式顯示：第2圖綱要性地顯示一依據本發明所實現之光伏打電池；第3圖顯示具有本發明所應用之接觸層(I)的第2圖及沒有應用這樣的接觸層(II)之電池的光電流對電壓特性。

依據第2圖，在一玻璃基板7_b 上沉積一ZnO之電極層1_b 。在該電極層1_b 上沉積一非晶氫化矽之接觸層11_b 。該提及接觸層11_b 係p-摻雜的。

隨後，以非晶p-摻雜SiC沉積一第一主動層2_b 。接著，沉積一非晶氫化矽層做為一第二主動層3_b ，隨後沉積一n-型摻雜非晶氫化矽之第三主動層5_b 。然後，沉積一n-摻雜ZnO之第二電極層13及一寬能帶金屬反射層15。該接觸層係2nm。

在第3圖中，以路徑I顯示依據本發明及以第2圖舉例說明之光伏打電池的特性，然而，以路徑II顯示相同於第2圖所製造但不具有該接觸層11_b 之光伏打電池的特性。

可以看出，藉由應用該非晶氫化矽之薄接觸層7_b (然而，藉由分別選擇在該兩層(該非晶氫化矽之薄接觸層及該p-摻雜非晶SiC之第一主動層)之材料中的碳(C)含量以相對於該p-摻雜非晶SiC之第一主動層的能帶間隙減少該接觸層之能帶間隙)，效率(ETA)從8.54%上升至9.4%；開放迴路電壓V_OC 從0.8705V上升至0.8878V；填充因素(fill factor)從67.28上升至72.56，然而，該電池之串接電阻從7.1966Ω減少至5.2666Ω。

藉此，當應用該接觸層11_b 時，可以考慮減少該第一主動層2_b 之厚度，藉以維持該電池之總效能。

必須強調所舉例說明及論述之光伏打電池可以是一具有一個以上電池結構之電池，其中例如，在照射光L之方向上在一具有一非晶材料結構之電池後提供另一具有例如一微晶材料第二主動層做為i-層之電池。

1．．．電極層

1_b ．．．電極層

2．．．第一主動層

2_b ．．．第一主動層

3．．．第二主動層

3_b ．．．第二主動層

5．．．第三主動層

5_b ．．．第三主動層

7．．．玻璃基板

7_b ．．．玻璃基板

9．．．反射金屬基板

11．．．接觸層

11_b ．．．接觸層

13．．．第二電極層

15．．．寬能帶金屬反射層

L．．．照射光之方向

第1圖顯示一般熟習技藝者所已知之薄膜太陽能電池；

第2圖綱要性地顯示一依據本發明所實現之光伏打電池；以及

第3圖顯示具有本發明所應用之接觸層(I)的第2圖及沒有應用這樣的接觸層(II)之電池的光電流對電壓特性。

1_b ．．．電極層

2_b ．．．第一主動層

3_b ．．．第二主動層

5_b ．．．第三主動層

7_b ．．．玻璃基板

11_b ．．．接觸層

13．．．第二電極層

15．．．寬能帶金屬反射層

Claims (12)

1. 一種光伏打電池，包括：●一透明導電氧化物之電極層，位於一透明載體基板上，隨後；●一第一型摻雜矽化合物之接觸層，接著；●一第一型摻雜非晶矽化合物之第一主動層，隨後；●一本質型矽化合物之第二主動層，接著；●一第二型摻雜矽化合物之第三主動層，其中該接觸層係非晶矽化合物及至多10nm厚，該接觸層之材料的能帶間隙小於該第一主動層之材料的能帶間隙，該第一主動層之材料包括具有第一原子百分比之碳(C)及該接觸層之材料包括具有第二原子百分比之碳(C)，該第二原子百分比低於該第一原子百分比，且為零以上。
2. 如申請專利範圍第1項之電池，該第二主動層係氫化矽(hydrogenated silicon)。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電池，該第二主動層係非晶矽化合物。
4. 如申請專利範圍第1項之電池，該電極層係ZnO。
5. 如申請專利範圍第1項之電池，該接觸層係至多3nm厚。
6. 一種光伏打轉換器面板，包括如申請專利範圍第1、2或4項之光伏打電池。
7. 一種製造一光伏打電池之方法，包括沉積： ●一透明導電氧化物之電極層於一透明載體基板上，隨即接觸●一第一型摻雜矽化合物之接觸層，隨即接觸●一第一型摻雜非晶矽化合物之第一主動層，隨即接觸●一本質型矽化合物之第二主動層，隨即接觸，●一第二型摻雜矽化合物之第三主動層，藉此沉積該非晶材料之具有至多10nm厚的接觸層及控制該接觸層之材料的能帶間隙小於該第一主動層之材料的能帶間隙，該第一主動層之材料包括具有第一原子百分比之碳(C)及該接觸層之材料包括具有第二原子百分比之碳(C)，該第二原子百分比低於該第一原子百分比直到為零。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，包括以該等材料中之個別碳量來控制該等能帶間隙。
9. 如申請專利範圍第7項之方法，包括以ZnO沉積該電極層。
10. 如申請專利範圍第7或8項之方法，包括沉積具有至多3nm厚度之該接觸層。
11. 如申請專利範圍第7項之方法，包括以氫化矽沉積該第二主動層。
12. 如申請專利範圍第7或11項之方法，包括以非晶材料沉積該第二主動層。