專利名稱：光電轉(zhuǎn)換元件的p型摻雜層及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光電轉(zhuǎn)換元件及其制造方法，且特別涉及一種光電轉(zhuǎn)換 元件的P型摻雜層及其制造方法。
背景技術：
石化燃料的能源供應日漸匱乏，且燃燒會帶來環(huán)境及空氣污染。核能發(fā) 電雖能供應高電力密度，卻有核輻射與核廢料儲存方面的安全顧慮。前述兩 者都有增加社會成本的問題，因此，在開源節(jié)流和發(fā)展無污染/低污染新能源 工業(yè)技術的考量與需求下，可再生能源逐漸受到重視，各國都在積極研究將 可再生能源作為替代能源的可行性。
在上述可再生能源中，光電轉(zhuǎn)換元件中的太陽光電模塊(又稱為
photovoltaic modules,簡稱為PV模塊)可將太陽光直接轉(zhuǎn)換為電力，已成為 替代能源的主流之一。尤以太陽光取的不盡用的不竭，且限制又少，只要有 陽光的地方，就有辦法利用太陽來發(fā)電。
依現(xiàn)今太陽光電模塊的技術發(fā)展而言，如果以太陽能電池芯片的材料來 區(qū)分，大致可分為(l)單晶硅(single crystal silicon)和多晶硅(polycrystal silicon) 太陽能電池、(2)非晶硅(amorphous silicon, a-Si)薄膜太陽能電池、(3)III-V族 太P曰能電池(4)染泮牛壽文4b太陽能電池(dye-sensitizer and dye-sensitized solar cell, DSSC)。
在薄膜太陽能電池中，光電轉(zhuǎn)換層通常是由P型摻雜層、本質(zhì)(intrinsic) 層、N型摻雜層堆疊形成p-i-n的結構。P型摻雜層是窗口層(window layer), 入射光透過P型摻雜層進入本質(zhì)層，P型摻雜層還會與N型摻雜層一起產(chǎn)生 內(nèi)建電場。因此，P型摻雜層對電池的整體性有著重大影響。
已知的P型4參雜層是由氳化非晶硅(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H)薄膜來形成，但a-Si:H薄膜的入射光的吸收效率不佳，約有10%的 入射光在P型摻雜層內(nèi)損失掉。因此業(yè)界又提出利用氫化非晶硅碳化硅 (hydrogenated amorphous silicon carbide, a-SiC:H)薄月莫或氬化非晶硅氧化石圭(hydrogenated amorphous silicon oxide, a-SiO:H)薄膜來形成P型摻雜層的作 法，雖然具有足夠的光學能帶隙，可吸收較短波長的太陽光線，但這類材料 本質(zhì)偏向于非導體，高導電率的要求勢必難以達到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，兼具高導電率與高光學能 帶隙，能夠提升太陽能電池的光電效能。
本發(fā)明又提供一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的制造方法，可以制作元 件級的摻雜層，以應用于太陽能電池或其他光電轉(zhuǎn)換元件。
本發(fā)明提出一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，包括成核層，以及形成于 成核層上的寬能帶隙層。
依照本發(fā)明的第 一 實施例所述，上述成核層的材料包括氫化微晶硅 (hydrogenated nano-crystalline silicon, nc-Si:H)薄月莫。
依照本發(fā)明的第 一 實施例所述，上述寬能帶隙層的材料包括氫化微晶氧 4ti石圭(hydrogenated nano-crystalline silicon oxide, nc-SiO:H)薄月莫。
依照本發(fā)明的第 一 實施例所述，上述成核層的厚度大于或等于寬能帶隙 層的厚度。
依照本發(fā)明的第一實施例所述，上述成核層的結晶率例如是大于30%。
依照本發(fā)明的第一實施例所述，上述成核層的導電率例如是大于icr6
S/cm。
依照本發(fā)明的第 一 實施例所述，上述寬能帶隙層的能帶隙例如是大于 1.9eV。
依照本發(fā)明的第 一 實施例所述，上述寬能帶隙層的含氧量例如是在 10'8 10"atom/cm3之間。
本發(fā)明另提出一種制備光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，此方法先在 透明導電基板上形成成核層，其中形成成核層的氣體包括硅烷(SiH4)和氫氣 (H2),且硅烷和氫氣的初始流量比例如是介于1:100 1:50之間。然后，于成 核層上形成寬能帶隙層。
依照本發(fā)明的第二實施例所述，上述形成成核層所使用的硅烷的流量隨 時間變化增加并在一段時間后維持不變，其中此段時間是取決于成核層的結 晶率至少大于約20%之后。依照本發(fā)明的第二實施例所述，上述形成成核層所使用的氬氣的流量維 持不變。
依照本發(fā)明的第二實施例所述，上述形成成核層所使用的硅烷和氫氣的
最終流量比介于1:20 1:5之間。
依照本發(fā)明的第二實施例所述，上述形成寬能帶隙層的氣體包括硅烷 (SiHU)和氫氣(H2)，且硅烷和氫氣的流量比例如為1:30 1:150。
依照本發(fā)明的第二實施例所述，上述形成寬能帶隙層的氣體還可以包括 C02、化0或02。
由于本發(fā)明所形成的p型摻雜層是具有成核層與寬能帶隙層的雙層結 構，不4旦具有高的導電率，而且具有良好的光電效能，可以應用于太陽能電 池或其他光電轉(zhuǎn)換元件。
為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例，并 配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為依據(jù)本發(fā)明的第一實施例的一種光電轉(zhuǎn)換元件的p型摻雜層的剖 面示意圖。
圖2為依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的制 備流程步驟圖。
圖3為依照上述實驗例與對照例的太陽能電池的電流密度對電壓的關系 曲線圖。
附圖標記說明
100: P型摻雜層；102:成核層；104:寬能帶隙層；200、 202:步驟
具體實施例方式
圖1為依據(jù)本發(fā)明第一實施例的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的剖面圖。 請參照圖l,P型摻雜層100包括成核層(seedinglayer)l(^與寬能帶隙層 (wide band gap layer)104。寬能帶隙層1(M形成于成核層102上方。成核層 102的材^H列如是氬4匕樣l晶石圭(hydrogenated nano-crystalline silicon, nc-Si:H) 薄膜，其厚度例如是介于50埃至200埃之間。寬能帶隙層104的材料例如 是氬4b樣t晶氧4匕石圭(hydrogenated nano-crystalline silicon oxide, nc-SiO:H)薄膜。由成核層102與寬能帶隙層104所組成的P型摻雜層100的厚度例如是 介于100埃至250埃之間。
請繼續(xù)參照圖1，第一實施例的成核層102的結晶率例如是大于30%, 且其導電率(conductivity)例如是大于l(T6 S/cm。寬能帶隙層104的能帶隙例 如是大于1.9eV,且其含氧量例如是介于1018~ 10"atom/cr^之間。
圖2為依據(jù)本發(fā)明的第二實施例的 一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的制 備流程步驟圖。
請參照圖2，先進行步驟200,在透明導電基板上形成成核層，其中形 成成核層的氣體包括硅烷(SiH4)和氳氣(H2),且硅烷和氬氣的初始流量比介于 1:100 1:50之間。上述透明導電基板例如是由一個透明基板與一層透明導電 氧化物(transparent conductive oxide ， TCO)薄膜所構成，其中透明導電氧化物 薄膜的材料例如氧化鋅(ZnO)、 二氧化錫(Sn02)、氧化銦錫(indium tin oxide, 1丁0)或氧化銦(111203)。至于形成上述成核層的方法例如是等離子體增益化學 氣相沉積法(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)或其他適合 的方法。舉例來說，形成成核層所使用的氫氣的流量可維持不變，但形成成 核層所使用的硅烷的流量會隨時間變化增加，并在數(shù)分鐘(例如約3分鐘)后 維持不變，其中此時間點是取決于成核層的結晶率。舉例來說，當成核層的 結晶率例如是大于20%之后，亦即結晶開始形成時，形成成核層所使用的硅 烷的流量即維持不變，不再隨時間變化，且硅烷和氫氣的最終流量比例如是 介于1:20至1:5之間。
根據(jù)此實驗條件下制備的成核層為氫化微晶硅(nc-Si:H)薄膜，其結晶率 例如是大于30%,且其導電率例如是大于l(T6 S/cm。
接著，進行步驟202,在成核層上形成寬能帶隙層。而且，寬能帶隙層 的形成方法例如是等離子體增益化學氣相沉積法或其他適合的方法。舉例來
說，形成寬能帶隙層的氣體包括硅烷(SiH4)和氫氣(H2),并且需要加入C02、
N20或02,其中硅烷和氫氣的流量比例如為1:50。根據(jù)此實驗條件下制備 的寬能帶隙層為氫化微晶氧化硅(nc-SiO:H)薄膜，其能帶隙例如是大于 1.9eV，且其含氧量例如是介于1018至10"atom/cn^之間。至此，即完成P 型摻雜層的制備。
目前業(yè)界尚未有人提出形成高結晶度的寬能帶隙層的方法。第二實施例 則是利用先形成nc-Si:H薄膜作為成核層之后，再利用具有結晶性的成核層作為基礎，成長nc-SiO:H薄膜作為寬能帶隙層。因此，所形成的P型#^雜 層具有高結晶度與高導電度。
以下特舉一個實驗例與一個對照例來證實本發(fā)明的功效。實驗例
首先，準備一個透明導電基板，再依照本發(fā)明的第二實施例的方法，在 透明導電基板上形成一層氫化微晶硅(nc-Si:H)薄膜作為成核層，其厚度介于 50埃至200埃之間。然后，在氫化微晶硅薄膜上形成一層氫化微晶氧化硅 (nc-SiO:H)薄膜作為寬能帶隙層。所得到的雙層結構即為本發(fā)明的P型摻雜 層，其厚度約100埃至250埃之間。然后，在P型摻雜層上形成本質(zhì)層、N 型摻雜層與導電層，以便完成太陽能電池的制作。對照例
除了用已知技術形成氫化非晶硅碳化硅(a-SiC:H)薄膜當作P型摻雜層之 外，依照實驗例的步驟完成對照組的太陽能電池。其中的氫化非晶硅碳 化硅薄膜厚度約200埃。
圖3為依照上述實驗例與對照例的太陽能電池的電流密度對電壓的關系 曲線圖。在圖3中，Voc為開路電壓(open circuit current)、 Jsc為短^各電流(short circuit current) 、 Pmax表示電;也的最大專餘出功率(Maximum output power) 、 FF 為填充因數(shù)(fill factor),可代表太陽能電池的工作性能。由圖3的曲線可換 算得知，實驗例的P型摻雜層的效率約8%,而對照例的a-SiC:H薄 膜的效率約5.525%。由此可知，本發(fā)明所形成的P型摻雜層確實可4是升太 陽能電池的光電效率。
綜上所述，本發(fā)明的P型摻雜層中的成核層較已知的氫化非晶硅薄膜 a-Si:H薄膜具有良好的光電性能，如高的摻雜效率、高的導電率與低的光吸 收等。在成核層上方的寬能帶隙層則因為其光學能帶隙高，可吸收較短波長 的太陽光線。因此，本發(fā)明所形成的P型^^雜層可兼具上述成核層與寬能帶 隙層的優(yōu)點，不但具有高的導電率，而且具有良好的光電效能。另外，本發(fā) 明所形成的P型摻雜層，可降低透明導電基板與P型摻雜層之間的能量勢壘 (energy barrier),有利于電流的增益。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例^C露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領 域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因 此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求所界定的為準。
權利要求
1. 一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，包括成核層；以及寬能帶隙層，形成于該成核層上。
2. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該成核層的材 料包括氫化微晶硅薄膜。
3. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該寬能帶隙層 的材料包括氫化微晶氧化硅薄膜。
4. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該成核層的厚 度大于或等于該寬能帶隙層的厚度。
5. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該成核層的結 晶率大于30%。
6. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該成核層的導 電率大于IO-6 S/cm。
7. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該寬能帶隙層 的能帶隙大于1.9eV。
8. 如權利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層，其中該寬能帶隙層 的含氧量在10" 10"atom/cm3之間。
9. 一種制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，包括在透明導電基板上形成成核層，其中形成該成核層的氣體包括硅烷和氫 氣，且硅烷和氫氣的初始流量比介于1:100 1:50之間；以及 于該成核層上形成寬能帶隙層。
10. 如權利要求9所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中 形成該成核層所使用的硅烷的流量隨時間變化增加并在一段時間后維持不變。
11. 如權利要求10所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中 該段時間是fu夬于成核層的結晶率至少大于20%之后。
12. 如權利要求9所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中 形成該成核層所使用的氫氣的流量維持不變。
13. 如權利要求9所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中形成該成核層所使用的硅烷和氫氣的最終流量比介于1:20 1:5之間。
14. 如權利要求9所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中 形成該寬能帶隙層的氣體包括硅烷和氫氣，且硅烷和氫氣的流量比為 1:30 1:150。
15. 如權利要求9所述的制造光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層的方法，其中形成該寬能帶隙層的氣體還包括C02、 N20或0z。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層及其制造方法。該光電轉(zhuǎn)換元件的P型摻雜層為一雙層結構，包括成核層及形成于成核層上的寬能帶隙層。上述雙層結構的P型摻雜層具有高的導電率及良好的光電效能。
文檔編號H01L31/02GK101471387SQ20071030557
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2007年12月27日
發(fā)明者黃志仁 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院