TWI415281B - 太陽能電池元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種太陽能電池元件。
近幾年由於單晶矽、多晶矽等市場物料缺乏，造成價格飛漲，使得許多矽晶型太陽能電池廠商產能無法上升，而矽薄膜太陽能電池(Silicon Thin-Film Solar Cell)使用玻璃基板，而鍍矽膜使用矽烷(SiH4
)與氫氣(H2
)，整體元件薄膜厚度不過數微米，因此沒有缺料之問題。除此之外，矽薄膜太陽能電池溫度係數較低，溫度上升時元件開路電壓降低較緩，其元件效率損失較矽晶型太陽能電池少。另一方面，照度小於10W/m2
之低照度情況下，矽薄膜太陽能電池仍能維持在AM1.5照度下之90%，而傳統矽晶型太陽能電池在此情形下僅能維持20%。
相較於一般市佔超過八成之結晶矽太陽能電池，矽薄膜太陽能電池擁有價格低廉、溫度效應低等優點，經評估若以整年的發電量而言，矽薄膜太陽能電池之總體發電量在不同地點會高於矽晶型太陽能電池5～25%左右，因此成為現階段發展太陽能電池之主要重點。
但由於典型矽薄膜太陽能電池主體是非晶矽層(Amorphous Si,a-Si)，其優點是開路電壓很高，但其缺陷是短路電流低，且在太陽光照射下其薄膜導電率會下降，因而使元件產生光照衰退現象。另一方面，單晶矽的太陽能電池有較高的短路電流，但其開路電壓較小，若將非晶矽層鍍在單晶矽的兩面形成HIT結構，雖會增加開路電壓，但因非晶矽與單晶矽接觸會產生能障，因而增加電子電洞之復合機率而發電效率增加有限。
因此，如何提供一種太陽能電池元件，能夠有效增加開路電壓和短路電流並減少電子和電洞復合機率而提升光電轉換效率，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠有效增加開路電壓和短路電流並減少電子和電洞復合機率而提升光電轉換效率之太陽能電池元件。
為達上述目的，本發明提出一種太陽能電池元件，其包含一P型非晶矽層、一N型微晶矽層、一N型單晶矽層、一本質非晶矽層以及一本質微晶矽層。N型單晶矽層設置於P型非晶矽層與N型微晶矽層之間。本質非晶矽層設置於N型單晶矽層與P型非晶矽層之間。本質微晶矽層設置於N型單晶矽層與N型微晶矽層之間。
為達上述目的，本發明更提出一種太陽能電池元件，其包含一N型非晶矽層、一P型微晶矽層、一N型單晶矽層、一本質非晶矽層以及一本質微晶矽層。N型單晶矽層設置於N型非晶矽層與P型微晶矽層之間。本質非晶矽層設置於N型單晶矽層與N型非晶矽層之間。本質微晶矽層設置於N型單晶矽層與P型微晶矽層之間。
承上所述，本發明在創新概念中所設計之太陽能電池係包含非晶矽層、單晶矽層以及微晶矽層。相較於非矽晶層和微晶矽層，N型單晶矽層可以產生較大的光電流，在其外部加上非晶矽層可以提升開路電壓，微晶矽的使用可以減少非晶矽和單晶矽間的能障，進而減少電子電洞之復合機率並提升電池轉換效率。此外，相較於非晶矽層，微晶矽層具有較佳之光照衰退抵抗能力，而提升元件效能。另外，單晶矽層可大幅提升太陽能電池之光電轉換效能。
此外，在本發明中，太陽能電池更包含本質非晶矽層，其可作為電子電洞復合(recombination)的阻擋層，進而提升光電轉換效率。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種太陽能電池元件，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示，圖1為本發明較佳實施例之一種太陽能電池元件1之示意圖。在本實施例中，太陽能電池元件1包含一P型非晶矽層(P-type a-Si：H)11、一N型微晶矽層(N-type μc-Si：H)12、一N型單晶矽層(N-type c-Si)13、一本質非晶矽層(i-layer a-Si：H)14以及一本質微晶矽層(i-layer μc-Si：H)15。N型單晶矽層13設置於P型非晶矽層11與N型微晶矽層12之間。本質非晶矽層14設置於N型單晶矽層13與P型非晶矽層11之間。本質微晶矽層15設置於N型單晶矽層13與N型微晶矽層12之間。其中，N型單晶矽層13為一單晶基板。
P型非晶矽層11例如可以射頻式電漿輔助化學氣相沈積方法(Radio Frequency Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition,RF-PECVD)而形成，並通入矽烷(SiH4
)與氫氣(H2
)以及作為摻雜(doping)氣體的B2
H6
，沈積P-type之氫化非晶矽(Hydrogenated Amorphous Silicon,a-Si:H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.7～1.8eV。若增加通入甲烷後，P型非晶矽層11之能階可到2eV。
N型微晶矽層12例如可以高密度電漿鍍膜方式(VHF-PECVD，其產生電漿頻率為26～133MHz)而形成，並通入SiH4
與H2
以及作為摻雜氣體的PH3
，沈積N-type之氫化微晶矽(Hydrogenated Micro-crystalline Silicon,μ-Si:H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1nm/s，薄膜厚度約為20~40 nm，能階約為1.1eV。
本質非晶矽層14例如可以射頻式電漿輔助化學氣相沈積方法而形成，並通入矽烷(SiH4
)與氫氣(H2
)沈積氫化本質矽(intrinsic silicon)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.7～1.8eV。
本質微晶矽層15例如可以高密度電漿鍍膜方式(VHF-PECVD，其產生電漿頻率為26～133MHz)而形成，並通入SiH4
與H2
，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.1eV。
另外，太陽能電池元件1可更包含二透明電極層16、17，其設置位置使得P型非晶矽層11位於透明電極層16與本質非晶矽層14之間，以及使得N型微晶矽層12位於透明電極層17與本質微晶矽層15之間。透明電極層16、17例如可以濺鍍(Sputter)方式沈積透明導電氧化薄膜材料(Transparent Conducting Oxide)作為電極，透明導電氧化薄膜材料可例如為氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)，於此為舉例說明，而非限制。在本實施例中，透明電極層16、17薄膜厚度約為80～100nm，穿透率為85%以上，電阻率約為0.01～0.03Ω-cm。
另外，太陽能電池元件1更包含二金屬電極層18、19，其設置位置使得透明電極層16位於金屬電極層18與P型非晶矽層11之間，以及使得透明電極層17位於金屬電極層19與N型微晶矽層12之間。金屬電極層18、19之材質可例如為鋁、銀、銅或其他可導電之金屬，於此，本實施例以鋁為例。金屬電極層18、19之厚度約為150～200nm。金屬電極層18、19具有圖案化。
請參照圖2所示，圖2為本發明較佳實施例之另一種太陽能電池元件2之示意圖。在本實施例中，太陽能電池元件2包含一N型非晶矽層(N-type a-Si：H)21、一P型微晶矽層(P-type μc-Si：H)22、一N型單晶矽層(N-type c-Si)23、一本質非晶矽層(i-layer a-Si：H)24以及一本質微晶矽層(i-layer μc-Si：H)25。N型單晶矽層23設置於N型非晶矽層21與P型微晶矽層22之間。本質非晶矽層24設置於N型單晶矽層23與N型非晶矽層21之間。本質微晶矽層25設置於P型單晶矽層23與P型微晶矽層22之間。其中，P型單晶矽層為一單晶基板。
在本實施例中，與前述實施例之主要不同處為P型非晶矽層11變更為N型非晶矽層21、N型微晶矽層12變更為P型微晶矽層22，其他例如本質非晶矽層24、本質微晶矽層25、透明電極層26、27及金屬電極層28、29與前述實施例相同，其所有製程亦與前述實施例相同，於上已有詳述，於此不再贅述。
其中，N型非晶矽層21例如可以射頻式電漿輔助化學氣相沈積方法(Radio Frequency Plasma Enhancement Chemical Vapor Deposition,RF-PECVD)而形成，並通入矽烷(SiH4
)與氫氣(H2
)以及作為摻雜(doping)氣體的PH3
，沈積N-type之氫化非晶矽(Hydrogenated Amorphous Silicon,a-Si:H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1～0.3nm/s，薄膜厚度約為10nm，能階約為1.7～1.8eV。
P型微晶矽層22例如可以高密度電漿鍍膜方式(VHF-PECVD，其產生電漿頻率為26～133MHz)而形成，並通入SiH4
與H2
以及作為摻雜氣體的B2
H6
，沈積P-type之氫化微晶矽(Hydrogenated Micro-crystalline Silicon,μ-Si:H)薄膜。製程上例如，設定基板溫度約為150～300℃，腔體壓力為0.1～1torr，沈積速率約為0.1nm/s，薄膜厚度約為20~40 nm，能階約為1.1eV。
另外，上述之非晶矽層、或微晶矽層可摻雜元素表中ⅢA至ⅤA族之其中至少一元素。例如，非晶矽層可以做成非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層，其中可以調整鍺的含量以改變非晶鍺化矽(a-SiGe:H)層的能階，使其與埋入之微晶矽層能有更好之能階匹配以進一步增加光電轉換效率。
綜上所述，本發明在創新概念中所設計之太陽能電池係包含非晶矽層、單晶矽層以及微晶矽層。相較於非矽晶層和微晶矽層，N型單晶矽層可以產生較大的光電流，在其外部加上非晶矽層可以提升開路電壓，微晶矽的使用可以減少非晶矽和單晶矽間的能障，進而減少電子電洞之復合機率並提升電池轉換效率。此外，相較於非晶矽層，微晶矽層具有較佳之光照衰退抵抗能力，而提升元件效能。另外，單晶矽層可大幅提升太陽能電池之光電轉換效能。
此外，在本發明中，太陽能電池更包含本質非晶矽層，其可作為電子電洞復合(recombination)的阻擋層，進而提升光電轉換效率。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2．．．太陽能電池元件
11．．．P型非晶矽層
12．．．N型微晶矽層
13、23．．．N型單晶矽層
14、24．．．本質非晶矽層
15、25．．．本質微晶矽層
16、17、26、27．．．透明電極層
18、19、28、29．．．金屬電極層
21．．．N型非晶矽層
22．．．P型微晶矽層
圖1為本發明較佳實施例之一種太陽能電池元件之示意圖；以及
圖2為本發明較佳實施例之另一種太陽能電池元件之示意圖。
1．．．太陽能電池元件
11．．．P型非晶矽層
12．．．N型微晶矽層
13．．．N型單晶矽層
14．．．本質非晶矽層
15．．．本質微晶矽層
16、17．．．透明電極層
18、19．．．金屬電極層
Claims (10)
- 一種太陽能電池元件，包含：一P型非晶矽層；一N型微晶矽層；一N型單晶矽層，設置於該P型非晶矽層與該N型微晶矽層之間；一本質非晶矽層，設置於該N型單晶矽層與該P型非晶矽層之間；以及一本質微晶矽層，設置於該N型單晶矽層與該N型微晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，其設置位置使得該P型非晶矽層位於該透明電極層與該本質非晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第2項所述之太陽能電池元件，更包含：一金屬電極層，其設置位置使得該透明電極層位於該金屬電極層與該P型非晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，其設置位置使得該N型微晶矽層位於該透明電極層與該本質微晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第4項所述之太陽能電池元件，更包含：一金屬電極層，其設置位置使得該透明電極層位於該金屬電極層與該N型微晶矽層之間。
- 一種太陽能電池元件，包含：一N型非晶矽層；一P型微晶矽層；一N型單晶矽層，設置於該N型非晶矽層與該P型微晶矽層之間；一本質非晶矽層，設置於該N型單晶矽層與該N型非晶矽層之間；以及一本質微晶矽層，設置於該N型單晶矽層與該P型微晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，其設置位置使得該P型微晶矽層位於該透明電極層與該本質微晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之太陽能電池元件，更包含：一金屬電極層，其設置位置使得該透明電極層位於該金屬電極層與該P型微晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池元件，更包含：一透明電極層，其設置位置使得該N型非晶矽層位於該透明電極層與該本質非晶矽層之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之太陽能電池元件，更包含：一金屬電極層，其設置位置使得該透明電極層位於該金屬電極層與該N型非晶矽層之間。
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2011
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